高矿化度矿井水除盐浓水用于煤泥水絮凝沉降的试验研究.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0013-05高矿化度矿井水除盐浓水用于煤泥水絮凝沉降的试验研究王立辉1，张豹1，刘伟1，高禄江1，李雷2，赵杰3（1.延安市禾草沟煤业有限公司，陕西 延安 716000；2.延安车村煤业（集团）有限责任公司，陕西 子长 717300；3.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）摘要：为探寻高矿化度矿井水除盐浓水的适宜出路，基于对除盐浓水中阴阳离子含量的分析，以禾草沟煤矿选煤厂尾矿煤泥水为试验对象，进行了以除盐浓水作为凝聚剂的絮凝沉降试验。结果表明：除盐浓水作为凝聚剂与聚丙烯酰胺配合使用时，满足生产需要的适宜用量为 212 L/t，此时平均沉降速度为 5.52 mm/s，上清液浊度为 211 NTU，效果与聚合氯化铝、氯化镁、氯化钙等三种常规凝聚剂在用量分别为 1 950，2 683，2 970 g/t 时相当；通过理论计算并结合试验结果认为，除盐浓水的凝聚效能的来源主要为电性中和。总体而言，除盐浓水既可作为凝聚剂，在保障絮凝沉降效果的同时有效减少常规凝聚剂的使用，进而提高选煤厂经济效益；又可选择性地作为选煤厂生产补水，从而有效解决了除盐浓水常规处理方式可能带来的环境生态问题。研究结果可为高矿化度矿井水除盐浓水的有效利用提供一定参考。关键词：矿井水处理；除盐浓水；凝聚剂；煤泥水絮凝沉降；上清液浊度；电中和中图分类号：TD946.2；X752文献标志码：AExperimental study on flocculating sedimentation of coal slurrywater using desalinized highly-mineralized mine waterWANG Lihui1，ZHANG Bao1，LIU Wei1，GAO Lujiang1，LI Lei2，ZHAO Jie3（1.Yanan Hecaogou Coal Co.Ltd.,Yanan 716000,China；2.Yanan Checun Coal(Group)Co.Ltd.,Zichang 717300,China；3.CCTEG Tangshan Research Institute Co.Ltd.,Tangshan 063012,China）Abstract:In order to find an outlet for the desalinized highly-mineralized mine water,an analysis is made of thecontents of both cation and anion ions in such water.Based on the result of analysis,the flotation tailing water istaken as the object to explore the sedimentation effect that can be obtained by using the desalinized mine wateras flocculating agent.At a proper dosage of 212 L/t of the desalinized water plus polyacrylamide,the mean set-tling rate can reach 5.52 mm/s with the turbidity of the supernatant being 211 NTU.The effects obtained is com-parable to those when aluminium polychloride,magnesium chloride and calcium chloride are used at a respect-ive dosage of 1 950,2 683,2 970 g/t.Results of theoretical calculation and test indicate that the flocculating ef-fect of the desalinized water is mainly attributed to the electroneutrality effect.Viewed as whole,the use of desa-linized mine as flocculating agent can lead to effective reduction of consumption of commonly used agents,be-neficial to improvement of economic performance of coal preparation plant.Furthermore its selective use asmake-up water of coal washing system can effectively eliminate the risk posed by discharge of mine water to en-vironmental ecology.Keywords:mine water treatment；desalinized mine water；flocculant；flocculating sedimentation of slurry water；turbidity of supernatant；electroneutrality 收稿日期：2024-01-19责任编辑：邓明瑞DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.003作者简介：王立辉（1980），男，陕西省榆林人，工程师，从事煤矿生产管理工作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：王立辉，张豹，刘伟，等.高矿化度矿井水除盐浓水用于煤泥水絮凝沉降的试验研究J.选煤技术，2024，52（1）：1317.WANG Lihui,ZHANG Bao,LIU Wei,et al.Experimental study on flocculating sedimentation of coal slurry water using desalinized highly-mineral-ized mine waterJ.Coal Preparation Technology，2024，52（1）：1317.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.202413目前，行业内对矿井水处理产生的除盐浓水的回用研究较少，通常做法是将浓水回灌至相对封闭的水文地质单元13，但是对于环境容量低、生态承载力差的生态脆弱地区，在缺乏受纳水体时，浓水排放会造成地表水体污染、土壤盐碱化、浅地表地下水污染等一系列环境生态问题46。毛维东等7对高矿化度矿井水零排放处理工艺路线进行了总结，其中浓水经蒸发结晶作为工业盐是一种可行的利用方式，但该方式地面处理系统投资大、运行成本高。考虑到选煤厂煤泥水中悬浮的微细颗粒表面通常带有负电荷，那么是否能利用除盐浓水中所含的大量阳离子与之进行电中和反应，使悬浮颗粒表面双电层压缩，进而使悬浮体系脱稳8，为后续絮凝沉降创造条件？为此，研究对除盐后浓水用于选煤厂煤泥水絮凝沉降的可行性进行研究，以期为除盐浓水的处理提供新的思路，并在一定程度上降低选煤厂的凝聚剂用量，促进企业降本增效。1试样性质及试验方法试验以延安市禾草沟煤业有限公司的矿井水处理后的除盐浓水以及煤泥水为试验对象。该选煤厂位于陕西省延安市子长市境内，核定生产能力5.0 Mt/a；井下排水量约 90.55 m3/h，由矿井水处理站处理，原工艺为：预沉混凝沉淀过滤消毒，处理后的水用作井下消防洒水、选煤厂补充水等。因回用水含盐量高，对井下长距离输送管及用水设备腐蚀严重，因此，水处理站在原处理工艺的基础上又增设了矿井水除盐工艺（超滤+反渗透）911，具体如图 1 所示。矿井水处理站来水调节池原水泵多介质过滤器絮凝剂、杀菌剂矿井水处理站反渗透系统阻垢剂、还原剂浓水出水（井下、选煤厂回用）阻垢剂、还原剂图 1 禾草沟煤矿矿井水回用处理工艺Fig.1 The process for the treatment of mine water for reuse 增设矿井水除盐工艺后水处理站设计进水量为 100 m3/h，深度处理出水为 70 m3/h，处理后除盐浓水为 30 m3/h。1.1除盐浓水性质为直观对比各水样指标，分别对：选煤厂循环水、矿井来水、超滤出水、反渗透出水、除盐浓水进行了采样化验，结果见表 1。由表 1 可以看出：除盐浓水中 K+，Na+，Ca2+，Mg2+等金属阳离子浓度为矿井来水的 2.22 倍，为选煤厂现循环水的 2.05 倍，其中高价 Ca2+，Mg2+阳离子的含量为选煤厂循环水的 3.05 倍。因此，按絮凝沉降的经典 DLVO 理论，除盐浓水中的大量阳离子有可能起到常规凝聚剂类似的压缩双电层、破坏悬浮体系稳定性的作用。表 1 选煤厂各类用水的水样化验结果 Table 1 Analysis data of different kinds of water used by Hecaogou Plantmg/L水样水量/(m3h1)阳离子浓度阴离子浓度其他K+Na+Ca2+Mg2+合计ClSO42NO3合计SiO2CODSSTDS选煤厂循环水1 75016.202 120.0019.902.542 158.641 436.001 239.004.672 679.673.21175.0076.005 217.00矿井来水10014.401 950.0018.7011.201 994.301 570.00413.003.541 986.543.0011.008.005 030.00超滤出水10014.401 950.0018.7011.201 994.301 570.00413.003.541 986.543.0011.001.005 030.00反渗透出水700.5441.950.130.1842.8048.5510.864.4163.820.060.220.02100.60除盐浓水3054.454 311.7229.0539.284 434.504 349.142 413.5171.436 834.089.8636.151.0016 531.93浓缩倍数3.782.211.553.512.222.775.8420.183.443.293.290.133.29 1.2选煤厂煤泥水性质选煤厂煤泥水由浮选机尾矿、细粒矸石磁选机尾矿、细粒 TBS 和螺旋分选机尾矿三部分构成，分时段采得，具备良好的代表性。煤泥水浓度为56.81 g/L，所含固体物煤泥灰分为 72.24%。采用 X射线衍射仪与激光粒度分析仪分别对固体煤泥进行第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 14了 XRD 矿物成分分析和粒度分析，结果如图 2、图 3 所示。51015202530354045505560657002004006008001 0001 200IIMKPPQKCPQKKKK高岭石Q石英C方解石M蒙脱石P 黄铁矿I伊利石衍射强度/a.u.衍射角/（）图 2 煤泥 XRD 衍射图谱Fig.2 XRD spectra of the slurry water 0.010.11101001 00000.51.01.52.02.53.03.54.0各粒度物料产率/%粒度的对数值（lgd）/m图 3 煤泥水中煤泥的全对数粒度特性曲线Fig.3 Total logarithmic characteristic size curve of slime in slurry 由图 2 可知：煤泥水中煤泥的矿物成分以高岭石和蒙脱石等黏土类为主，主要为采煤过程中混入的顶底板泥岩。该类矿物在煤炭洗选过程中与水接触极易分散成微细颗粒，产生泥化现象。由图 3 可知：煤泥水中煤泥以极细粒级（43 m）为主。总体而言，黏土类矿物含量高、煤泥粒度细，均不利于沉降澄清12。1.3试验方法为探究除盐浓水用做凝聚剂的可行性，采用常规凝聚剂（聚合氯化铝、氯化镁、氯化钙，药剂均配置为质量分数为 5%的水溶液使用）与除盐浓水作凝聚剂进行絮凝沉降试验。絮凝剂采用聚丙烯酰胺（阴离子，分子量 1 800 万，水解度 25%），配制为质量分数为 0.1%的水溶液使用。絮凝沉降试验按照如下流程进行：（1）将煤泥水样搅拌混匀后按照体积 400 mL一次性缩分成多份备用。（2）试验时，将煤泥水样转移至 500 mL 玻璃量桶内，搅拌均匀后向其中添加凝聚剂，搅拌 5 s后向其中添加絮凝剂，再搅拌 5 s 后静置，拍摄煤泥水絮凝沉降过程，同时采用浊度仪记录上清液浊度，总时间控制在 45 s。（3）以时间为横坐标，澄清界面下降高度与上清液浊度为纵坐标，绘制不同加药条件下煤泥水的沉降特性曲线及上清液浊度特性曲线。试验评价指标为平均沉降速度（开始沉降至沉降曲线出现拐点时间段的澄清层高度变化速率）和上清液浊度（上清液中的固体含量，监测点设置于量筒中煤泥水液面下 5 mm 处）。2试验结果与讨论不同凝聚剂与絮凝剂配合时，适宜的用量及沉降效果见表 2。表 2 不同药剂组合的适宜用量及沉降效果Table 2 The appropriate dosages and sedimentation effects with the use of agents at different combinations凝聚剂絮凝剂平均沉降速度/(mms1)上清液浊度/NTU种类用量/(gt1)种类用量/(gt1)空白对照组0聚丙烯酰胺2255.53738聚合氯化铝1 9505.62208氯化镁2 6835.66213氯化钙2 9705.70201浓水2125.52211 由表 2 可以看出：（1）在不添加凝聚剂、只添加絮凝剂的情况下，煤泥水中大部分煤泥能够快速沉降，但其中的微细颗粒仍以胶体形态存在于上清液层中，导致循环水水质浊度较高（738 NTU）。根据生产经验，上清液浊度在 1 000 NTU 时，其中不溶性固体颗粒的含量在 1 g/L 左右，按照选煤厂洗水闭路循环要求，此时的上清液作为循环水是满足一般生产需要的。然而，在微细颗粒得不到充分沉降的情况下，随着生产进行，原料带入及生产过程中产生的微细颗粒会快速在水系统中循环积聚，导致洗水浓度快速升高，最终影响生产运行。第 52 卷 第 1 期王立辉等：高矿化度矿井水除盐浓水用于煤泥水絮凝沉降的试验研究2024 年 2 月 25 日 15（2）不同凝聚剂搭配絮凝剂使用，在保证沉降速度的同时，上清液的浊度可控制在 200 NTU 左右，区别仅在于不同的凝聚剂的用量不同：氯化镁较聚合氯化铝用量高 37.59%，氯化钙用量较聚合氯化铝高 52.31%。这主要是因为，不同凝聚剂的分子量不同、所含金属阳离子的价电荷不同，使得单位质量凝聚剂所能中和的煤泥颗粒表面电荷存在差别。表 2 条件下绘制的煤泥水絮凝沉降特性曲线如图 4 所示。051015202530354045020406080100120140160空白絮凝剂聚合氯化铝+絮凝剂氯化镁+絮凝剂氯化钙+絮凝剂浓水+絮凝剂沉降时间/s0510152025303540452002503003504004505005506006507007508008509009501 000仅絮凝剂聚合氯化铝+絮凝剂氯化镁+絮凝剂氯化钙+絮凝剂浓水+絮凝剂沉降时间/s澄清层高度/mm上清液浊度/NTU（b）上清液浊度-沉降时间（a）澄清层高度-沉降时间图 4 不同药剂组合的煤泥水絮凝沉降特性曲线Fig.4 Characteristic sedimentation curve of slime with the use of agents at different combinations由图 4 可以看出：（1）对于细粒黏土类矿物含量高的尾矿煤泥水，不添加凝聚剂、仅添加絮凝剂的上清液浊度高，且浊度随沉降时间下降缓慢。（2）选用不同种类凝聚剂与絮凝剂联合使用，可大幅改善煤泥水沉降澄清效果，且在适宜的药剂用量下，试验选用的 4 种凝聚剂的沉降速度、上清液浊度无明显区别。综上，矿井水除盐浓水作为凝聚剂用于选煤厂煤泥水的絮凝沉降是可行的。3凝聚剂用量及经济效益分析结合表 1 计算不同类型凝聚剂所含正电荷，结果见表 3。表 3 不同凝聚剂所含正电荷Table 3 Amount of positive charge carried by different kinds of flocculating agents凝聚剂种类阳离子类型价电荷数相对分子质量5%质量浓度溶液正电荷含量/(mmolL1)基准用量聚合氯化铝Al3+6211.51 418.461.00氯化镁Mg2+2951 052.641.35氯化钙Ca2+2111900.901.57浓水Ca2+、Mg2+、Na+、K+193.617.33 由表 3 可以看出：从电中和的角度考虑，以聚合氯化铝作为比较的基准用量时，采用氯化镁用量增加 35%，氯化钙用量增加 57%，浓水用量增加633%。该结果与表 2 各絮凝剂的实际试验用量基本吻合。根据生产统计，煤泥水中煤泥约占入选原煤的 8%，选 煤 厂 年 入 选 原 煤 量 为 5.0 Mt/a，采 用330 d/a、20 h/d 的工作制度时，煤泥产量为 0.4 Mt/a，第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 161 212.12 t/d，60.61 t/h。采用聚合氯化铝作为凝聚剂时，每年约需要 780 t，药剂售价按照 1 650 元/t 计算，则每年凝聚剂采购费用约为 128.70 万元。由表 2，采用矿井水除盐浓水作为凝聚剂时，根据选煤厂实际情况，浓水量约需 12.85 m3/h，目前井下水除盐浓水产量为 30 m3/h，相对富裕。由此来看，采用浓水可充分替代聚合氯化铝，实现变废为宝，有效提高企业效益。此外，做凝聚剂的浓水需 12.85 m3/h，而浓水产量约 30 m3/h，目前生产过程中系统净补水约需69.23 m3/h，因此除盐浓水除作为凝聚剂使用外，剩余部分可作为系统补水使用，从而可有效解决浓水的利用问题。但以浓水作为凝聚剂，尤其作系统生产补水时，一定程度上可能导致选煤厂循环水的硬度提高。根据相关研究，水的硬度提高后，气泡稳定性增加，煤的浮选速度与可燃体回收率增加，浮选选择性降低13。考虑到该选煤厂原煤所含煤泥浮选速度快、药剂耗量少，在合理控制浮选操作参数下，将富裕的浓水作为生产补水预计对生产影响不大。4结论（1）除盐后的浓水中含有大量阳离子：K+，Na+，Ca2+，Mg2+等，金属阳离子浓度为矿井来水的 2.22 倍，为选煤厂现循环水的 2.05 倍，其中高价Ca2+，Mg2+阳离子的含量为选煤厂循环水的3.05 倍。（2）除盐浓水添加量为 212 L/h 时，煤泥水沉降速度为 5.52 mm/s，上清液浊度为 211 NTU，效果与聚合氯化铝用量分别为 1 950 g/t 时相当，代替聚合氯化铝作为选煤厂煤泥水处理用凝聚剂在技术和经济上是可行的，可有效降低常规凝聚剂的用量，提高选煤厂经济效益。（3）在沉降效果接近情况下，对于不同的凝聚剂，以聚合氯化铝作为比较的基准用量时：实测氯化镁用量增加 37.59%，氯化钙用量增加 52.31%；从电中和的角度出发，计算氯化镁和氯化钙用量应分别增加 35%和 57%；二者较为相符，说明以浓水做凝聚剂应是基于电性中和的原理。（4）除盐浓水除作凝聚剂外，富裕的浓水可作为生产补水，实现浓水的全部利用，从而可有效减少废水排放。参考文献：顾大钊，李庭，李井峰，等.我国煤矿矿井水处理技术现状与展望J.煤炭科学技术，2021，49（1）：1118.1 徐友宁，袁汉春，陈社彬，等.矿井水处理方法及其治理方案择优J.能源环境保护，2003（2）：4951.2 孙亚军，陈歌，徐智敏，等.我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用现状J.煤炭学报，2020，45（1）：304316.3 何绪文，张晓航，李福勤，等.煤矿矿井水资源化综合利用体系与技术创新J.煤炭科学技术，2018，46（9）：411.4 雷兆武，孙京敏，金泥沙，等.高矿化度矿井水井下处理实验与工艺研究J.煤炭工程，2023，55（8）：7883.5 郭再峰.煤矿矿井水净化处理与回灌治理技术J.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（12）：7982.6 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