疏水改性对粗精煤泥助滤脱水效果的影响研究.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0018-06疏水改性对粗精煤泥助滤脱水效果的影响研究年立营1，孙文佳1，李肖飞1，朱家强2（1.淮北矿业(集团)有限责任公司 临涣选煤厂，安徽 淮北 235000；2.安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001）摘要：为厘清疏水改性对粗精煤泥助滤脱水的影响规律，以临涣选煤厂粗精煤泥为研究对象，基于其矿物组成、粒度组成分析，采用过滤脱水、离心脱水试验研究了十六烷基三甲基氯化铵（1631）、十二烷基三甲基氯化铵（1231）和自研药剂（UTG-1，UTG-2）等四种疏水改性剂对粗精煤泥助滤脱水效果的影响，并分析了疏水改性强化粗精煤泥脱水的作用机理。试验结果表明：粗精煤泥中杂质的主要成分为蒙脱石、高岭石和石英，且这些杂质在细粒级中含量更高，不利于脱水；过滤脱水试验中，UTG-1 的效果最佳，体现为用量小（200 g/t）、水分降幅大（由 15.83%降低至低于 8%）、过滤速度也有所提升，同时提高搅拌强度可一定程度上增强疏水改性对粗精煤泥水分的降低效果；离心脱水试验中，1631 的降水效果最佳，体现为水分降低幅度较大（约 3.61 个百分点）且效果更加稳定。机理分析表明：与疏水改性剂作用后，煤样表面更加疏水，从而有利于降低滤饼水分并提高脱水效率。研究结果可为选煤厂降低精煤水分、提高精煤脱水效率提供一定借鉴。关键词：助滤脱水；粗精煤泥；过滤脱水；离心脱水；疏水改性；药剂用量；搅拌强度中图分类号：TD946.2文献标志码：AExperimental study of the effect of hydrophobic modificationon dewatering of clean coarse slimeNIAN Liying1，SUN Wenjia1，LI Xiaofei1，ZHU Jiaqiang2（1.Linhuan Coal Preparation Plant,Huaibei Mining(Group)Co.Ltd.,Huaibei 235000,China；2.School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China）Abstract:An experimental study is made with the slime samples collected from Linhuan Coal Preparation Plantto explore the effect of hydrophobic modification on dewatering of clean coarse slime.According to both miner-al and size analysis of the slime,filter and centrifugal dewatering tests are conducted with the use of four differ-ent hydrophobic modification agents hexadecyl trimethyl ammonium chloride(1631),dodecyl trimethylammonium chloride(1231)and self-developed UTG-1 and UTG-2,to analyze the effects that can be producedon promotion of dewatering of slime and the mechanism of action of the modifiers.As revealed by test results,the impurities in the slime are predominately montmorillonite,kaolinite and quartz with a high proportion of finesizes,which is unfavorable for the dewatering of the slime;filter dewatering of the slime can be favorably pro-moted by all the modifiers with the UTG-1 being the best in effect as its use at a small dosage of 200 g/t can leadto drastic reduction of moisture of filter cake from 15.83%to less than 8%and increase of filtering rate.And theincrease of agitating intensity to a certain extent can help further reduce the cake moisture.Result of centrifugaldewatering test shows that the agent 1631 stands out among the other agents for its best and more stable effectand the ability to help reduce the moisture by a big margin(about 3.61 percentage points).Analysis of mechan-isms of action of the agents shows with the use of the modifiers,the coal surface becomes more washer repel-收稿日期：2023-07-11责任编辑：邓明瑞DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.004作者简介：年立营（1980），安徽怀远人，工程师，从事选煤生产技术管理工作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：年立营，孙文佳，李肖飞，等.疏水改性对粗精煤泥助滤脱水效果的影响研究J.选煤技术，2024，52（1）：1823.NIAN Liying,SUN Wenjia,LI Xiaofei,et al.Experimental study of the effect of hydrophobic modification on dewatering of clean coarse slimeJ.Coal Preparation Technology，2024，52（1）：1823.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.202418lent which is helpful to reduction of cake moisture and improvement of dewatering efficiency.The study-de-rived achievements may serve as a reference for coal preparation plants to improve clean coal dewatering effi-ciency.Keywords:filter aid；clean coarse slime；filtration dewatering；centrifugal dewatering；hydrophobic modification；dosage of agent；agitating intensity选煤是煤炭清洁高效利用的源头，而湿法选煤则是我国煤炭最主要的分选方法，相应的选煤产品水分是选煤厂产品质量控制的一项重要指标13。随着煤炭开采及加工技术的机械化程度不断提高，精煤产品中细粒级含量也有所增加，给精煤脱水带来更大困难46。而添加脱水助滤剂是改善精煤过滤性能的重要手段之一，可有效降低精煤水分、提高脱水效率79。目前，国内外学者在细粒煤脱水方面开展了大量的工作，研发了如真空过滤脱水、加压过滤脱水和离心脱水等多种方法，但仍普遍存在能耗较高、对设备要求高，或改造时设备更换工作量大、投资高等弊端1011。因此，在不改变选煤厂生产工艺的条件下，使用脱水助滤剂强化细粒煤的脱水成为关注的重点。目前常用的助滤剂主要为高分子絮凝剂和表面活性剂1213：祝学斌等14发现，表面活性剂作为助滤剂可以明显改善浮选精煤脱水效果，促使加压过滤机缩短排料周期，帮助加压过滤机进一步降低浮选精煤水分；葛鹏15在污泥中添加助滤剂，通过增加滤饼骨架从而降低泥皮的压缩性，保证过滤脱水的效果；罗晓玲等16发现不同离心因数下助滤剂均能显著降低煤泥离心脱水产品的水分。然而，疏水改性剂对于粗精煤泥助滤脱水的研究目前尚不够深入，特别是对细颗粒含量较高的粗精煤泥，研究疏水改性对其助滤脱水效果的影响，对于提高总精煤的脱水效率，降低总精煤产品的水分具有重要意义。1煤样基本性质试验煤样选取淮北临涣选煤厂现场粗精煤泥，煤样经过真空干燥箱烘干后用密封袋密封保存。1.1煤样矿物组成煤样的矿物组成采用 X 射线衍射仪进行分析测试。测试条件：仪器型号为 Labx XRD-6000X（日本，岛津）；Cu 靶、K 射线（波长为0.154 06 nm）；工 作 电 压 为 40 kV，电 流 为 40 mA；扫 描 范 围 为580，连续扫描，扫描步长为 0.02，扫描速率为 2（）/min。XRD 测试结果如图 1 所示。25 00020 00015 00020 0005 000019.5439.5459.5479.51衍射角/（）蒙脱石石英高岭石高岭石衍射强度/CPS图 1 煤样 XRD 图谱Fig.1 XRD pattern of coal sample 由图 1 可知，选煤厂粗精煤泥中矿物杂质的主要成分为蒙脱石、高岭石和石英。其中：蒙脱石和高岭石属于黏土类矿物，亲水性强且遇水极易泥化，从而增大煤浆黏度，增强煤粒间毛细作用，进而导致过滤速度降低、滤饼水分增加1718。1.2煤样粒度组成对于脱水而言，粒度特性（包括粒度、粒度组成、均匀度）是物料的重要物理性质，它首先决定了物料的比表面积，其次对滤饼孔隙率和毛细管直径都有显著的影响19。因此对粗精煤泥进行小筛分试验，结果见表 1。表 1 粗精煤泥小筛分试验结果 Table 1 Clean coarse slime sieve analysis%粒级/mm产率灰分累计产率累计灰分 0.530.758.4930.758.490.50.2548.488.8779.238.720.250.12515.1311.0094.369.090.1250.0752.4413.6896.809.210.0750.0421.0013.7897.809.25 0.5 mm粒级物料的产率为 30.75%；0.250.5 mm 粒级的产率为 48.48%；0.25 mm 粒级的产率超过 20%，细颗粒含量较高。一般来说，粒度越小，颗粒所具有的总比表面积越大，脱水后表面吸附水分也越高；第 52 卷 第 1 期年立营等：疏水改性对粗精煤泥助滤脱水效果的影响研究2024 年 2 月 25 日 19而且，粒度越小越容易堵塞滤饼孔隙或筛孔孔隙，水分脱除阻力越大2022。此外，随着粒度的减小，粗精煤泥中各粒级物料的灰分逐渐升高，表明杂质矿物主要集中在细颗粒中，而 XRD 矿物组成分析表明杂质矿物主要为蒙脱石、高岭石和石英，这就进一步增加了粗精煤泥水分脱除的难度。2试验药剂及试验方法 2.1试验药剂试验所选择的疏水改性剂包括目前现场常用的商业药剂：十二烷基三甲基氯化铵（1231）和十六烷基三甲基氯化铵（1631），均为分析纯；以及自研疏水改性剂 UTG-1 和 UTG-2，二者均为阳离子表面活性剂，主要由酯类与羧酸类物质合成，纯度约为 97%。疏水改性剂使用时用去离子水配制成预设浓度的药剂溶液。2.2试验方法 2.2.1过滤脱水试验方法过滤脱水试验用于考察疏水改性对粗精煤泥过滤脱水效果的影响，试验装置示意如图 2 所示。试验过程为：将润湿的滤纸紧贴布氏漏斗下壁并往布氏漏斗中加入清水；打开真空泵，控制试验过滤真空度为（4 0.1）104 Pa；称取一定量试验煤样放置于 250 mL 的烧杯中，加入 100 mL 去离子水搅拌使其充分润湿；用定时定速电动搅拌器以固定转速搅拌以给入定量的动能输入；将矿浆一次性注入布氏漏斗中，记录滤饼表面水分抽干时所用时间；抽滤至半分钟内无明显液滴滴落时将滤饼中的样品转移至称量瓶中，并置于 75 的真空干燥箱烘干，直至质量不变；计算出滤饼水分与过滤速度，完成过滤试验。12234561循环水式真空泵；2抽滤软管；3控压阀门；4锥形瓶；5抽滤量筒；6布氏漏斗图 2 真空过滤试验装置示意图Fig.2 Apparatuses used in vacuum filtering test 过滤脱水试验的指标为滤饼水分与过滤速度。其中滤饼水分的计算公式为：M=m2m3m2m1100%，（1）m2m3m1式中：M 为滤饼水分，%；为过滤后滤饼湿重和称量瓶质量，g；为烘干后滤饼干重与称量瓶质量，g；为称量瓶质量，g。过滤速度的计算公式如下：=Vr2t100%，（2）式中：为过滤速度，mL/(cm2s)；V 为过滤物的体积，mL；r 为过滤半径，cm；t 为过滤时间，s。2.2.2离心脱水试验借助实验室用离心机进行离心脱水试验。试验前将离心机离心管下部 2/3 的管壁及底部均匀设置直径为 1 mm 的滤孔，并通过橡胶衬底和空心钢管托将其固定在大离心管内。自行改造的离心管结构如图 3 所示。（a）俯视图（b）剖面图图 3 离心管结构示意图Fig.3 Structural sketch of the centrifugal tubefitted in centrifuge 离心脱水试验开始时，先将滤布垫入离心管内管，然后将待测矿浆倒入离心管并将之置入离心机，以 4 000 r/min 转速离心 3 min，最后将滤布中的样品转移至称量瓶中，置于 75 的真空干燥箱烘干，直至质量不变，计算出滤饼水分。其滤饼水分的计算同式（1）。2.3接触角分析疏水改性助滤脱水的机理以接触角表征。煤样与疏水改性剂作用前后的接触角采用 C20 型动态/静态接触角仪（美国科诺工业有限公司）分析测试：测试前分别将原样与疏水改性剂作用后的样品在75 真空干燥箱中干燥 2 h，而后从中取出 0.5 g 倒入压片机中，在 20 MPa 的压力下压 5 min 制成 2 mm的薄片；调试好测试系统后，打开静态接触角测试软件设置好各个参数后进入测试界面，将压制好的煤样放置在样品台上进行测试；在煤样表面的不同位置处测量 3 次，并计算平均值。第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 203结果与讨论 3.1过滤脱水试验 3.1.1疏水改性剂用量根据现场的生产实际，试验选择的矿浆浓度为 100 g/L；同时为突出药剂用量的影响，搅拌转速和搅拌时间均通过预先试验加以确定，分别为300 r/min 和 4 min。此试验条件下，四种疏水改性剂各自的用量对粗精煤泥的滤饼水分与过滤速度的影响结果如图 4 所示。181614121086滤饼水分/%1 4001 2001 0008006004002000过滤速度/(104 mLcm2s1)05001 0001 5002 0002 5003 0003 50005001 0001 5002 0002 5003 0003 500疏水改性剂用量/（gt1）（a）滤饼水分疏水改性剂用量/（gt1）（b）过滤速度12311631UTG-1UTG-212311631UTG-1UTG-2图 4 疏水改性剂用量对粗精煤泥过滤效果的影响Fig.4 Influences of types and dosages of hydrophobic modifiers on filtering characteristics of clean coarse slime 由图 4（a）可知，疏水改性剂能够显著降低粗精煤泥的水分，且在较低的用量下就有明显效果：随着疏水改性剂用量的增加，使用药剂 1631，UTG-2和 1231 后，滤饼水分呈现先减少后增加又减少的趋势，而 UTG-1 的滤饼水分则先减小后增加；UTG-1与 UTG-2 在用量 200 g/t 时表现出最佳效果，与未加助滤剂的过滤脱水产品水分（15.93%）相比，滤饼水分分别降低了 8.60 和 8.86 个百分点；而 1631在用量 800 g/t 时达到最佳效果，滤饼水分降低了 7.86个百分点，1231 则对降水效果不明显。由图4（b）可知，随着疏水改性剂用量增加，使用药剂 1231，1631和 UTG-1 后粗精煤泥的过滤速度均出现先提高后降低的趋势，UTG-2 对于提升过滤速度效果不明显。总体而言，药剂助滤脱水效果依次为 UTG-1，1631，UTG-2，1231；其中，UTG-1 用量为 200 g/t 时表现出最佳的过滤脱水能力，1631 用量为 400 g/t 时具有较好的过滤脱水效果和较高的过滤速度。3.1.2搅拌强度对粗精煤泥过滤脱水的影响UTG-1 在药剂用量为 200 g/t 时效果较好，使用此药剂和用量，在矿浆浓度 100 g/L 的条件下，通过改变搅拌速度与搅拌时间来分析搅拌强度对粗精煤泥过滤脱水的影响，结果如图 5 所示。10.09.08.07.06.05.0滤饼水分/%1 000900700800600500400300过滤速度/（104 mLcm2s1）48121620搅拌时间/min（a）滤饼水分 48121620搅拌时间/min（b）过滤速度300 r/min500 r/min700 r/min300 r/min500 r/min700 r/min图 5 搅拌强度对粗精煤泥过滤脱水效果的影响Fig.5 Effect of agitating intensity and time on filtering characteristics of clean coarse slime 由图 5（a）可以看出，粗精煤泥滤饼水分随着搅拌时间的增加呈减小的趋势：当搅拌速度为700 r/min 时，滤饼水分随搅拌时间的变化较为明显；当搅拌速度降低后，滤饼水分随搅拌时间的变化趋第 52 卷 第 1 期年立营等：疏水改性对粗精煤泥助滤脱水效果的影响研究2024 年 2 月 25 日 21于平缓。图 5（b）显示，过滤速度大都随搅拌时间的延长而加快，其中：转速为 300 r/min 时，过滤速度增长最快；转速为 700 r/min 时，过滤速度的增幅与 300 r/min 相当。总体而言，粗精煤泥滤饼水分随着搅拌时间的延长而降低，但降低幅度受搅拌速度影响：低转速对其过滤影响较小，同时增加药剂吸附概率；增加搅拌强度会降低滤饼水分，但强度过高则可能导致细粒级含量增加，从而减小滤饼孔隙、堵塞滤纸，减慢过滤速度，影响脱水效率。3.2离心脱水试验 3.2.1疏水改性剂用量在矿浆浓度为 100 g/L 时，通过预先试验确定适宜的搅拌速度与时间分别为 300 r/min 和 4 min，离心转速与时间分别为 1 000 r/min 和 3 min。在此条件下研究疏水改性剂用量对粗精煤泥离心脱水效果的影响，结果如图 6 所示。8.07.57.06.56.05.55.04.54.03.5滤饼水分/%疏水改性剂用量/（gt1）05001 0001 5002 0002 5003 0003 50012311631UTG-1UTG-2图 6 疏水改性剂用量对粗精煤泥离心脱水效果的影响Fig.6 Influences of types and dosages of hydrophobicmodifiers on centrifugal dewatering characteristicsof clean coarse slime 由图 6 可知，添加疏水改性剂能够明显降低粗精煤泥离心产品的水分，当在较低用量时，滤饼水分表现出减小的趋势，但随着药剂用量的增加，滤饼水分则整体表现出升高的趋势：离心脱水空白对照组的水分为 7.21%；1231，1631，UTG-1 和 UTG-2使用后，滤饼水分最低值分别为 3.60%，3.95%，4.88%和 4.45%，相对空白组分别降低了 3.61，3.26，2.33，2.76 个百分点；其中，UTG-1 的滤饼水分在药剂用量达到 200 g/t 后一直增加，UTG-2 的滤饼水分则随药剂用量的增加波动较大，1231 则表现相对平缓，1631 表现更加稳定，且滤饼水分较小。因此，综合水分降低的效果以及水分随药剂用量的波动来看，离心脱水条件下的疏水改性剂效果依次为 1631，1231，UTG-1，UTG-2；其中 1631 的药剂最佳用量为 400 g/t。3.2.2搅拌强度对粗精煤泥离心脱水的影响1631 在药剂用量 400 g/t 时离心脱水效果最佳，使用此药剂用量，在矿浆浓度 100 g/L、离心的转速和时间分别为 1 000 r/min 和 3 min 的条件下，通过改变搅拌速度与搅拌时间来探究搅拌强度对粗精煤泥离心脱水效果的影响，结果如图 7 所示。6.56.05.55.04.53.53.0滤饼水分/%搅拌时间/min48121620300 r/min500 r/min700 r/min图 7 搅拌强度对粗精煤泥离心脱水效果的影响Fig.7 Effect of agitating intensity and time on centrifugal dewater-ing characteristics of clean coarse slime 由图 7 可以看出，粗精煤泥离心产品水分随着搅拌时间的延长而先增后减，在搅拌速度方面则没有明显的差异。分析认为：由于粗精煤泥的粒度较大，搅拌强度不足时，即较短搅拌时间内物料的粒度组成不会发生明显变化，因而搅拌时间较短时产品水分较低；而随着搅拌时间的延长，物料粒度变细，导致产品水分升高；随着搅拌时间的进一步延长，疏水改性剂更加分散，更有利于吸附在粗精煤泥的表面，能提高粗精煤泥的脱水效率，从而使得水分大幅度降低。3.3疏水改性助滤脱水的机理分析煤的润湿性是影响煤脱水难易的关键因素之一，而接触角能够表征煤样表面润湿性，直观显示出疏水改性剂对粗精煤泥疏水改性的效果。疏水改性剂作用前后粗精煤泥的接触角测试结果如图 8所示。由图 8 可知：粗精煤泥原样接触角为 71.35，与 1631，UTG-1 和 UTG-2 作用后，煤样表面接触角分别增加了 9.16，9.42和 3.04，这表明疏水改性剂能够增强粗精煤泥表面疏水性，有利于降低脱水产品水分并提高脱水效率；还可以发现 1631 与UTG-1 对粗精煤泥疏水改性的效果相当，均明显好于 UTG-2，这与助滤脱水试验结果是一致的；此外，1631 与 UTG-1 吸附到煤样表面还会降低煤样表面张力，同样有利于粗精煤泥的助滤脱水。第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 22（a）未加疏水改性剂（b）粗精煤泥+1631（c）粗精煤泥+UTG-1（d）粗精煤泥+UTG-2粗精煤泥71.35粗精煤泥+163180.51粗精煤泥+UTG180.77粗精煤泥+UTG274.39图 8 疏水改性剂作用前后粗精煤泥的接触角Fig.8 Contact angles of clean coarse slime before and after use ofhydrophobic modification agents 4结论（1）粗精煤泥的杂质矿物亲水性强、遇水极易泥化，且主要集中在细粒级中，搅拌强度增加会造成粗精煤泥中细颗粒含量增加、滤饼孔隙减小，导致粗精煤泥脱水难度大、滤饼水分高。（2）疏水改性能够有效增强粗精煤泥脱水效果，过滤脱水效果依次为 UTG-1，1631，UTG-2，1231；离心脱水效果依次为 1631，1231，UTG-1，UTG-2；UTG-1 用量为 200 g/t 表现出最佳的助滤脱水能力，1631 用量为 400 g/t 具有较好的助滤脱水效果。（3）疏水改性剂可增大粗精煤泥的接触角，其中 1631 与 UTG-1 对煤样疏水改性的效果相当，均明显高于 UTG-2。药剂吸附后可增强煤样表面疏水性并降低煤样表面张力从而起到助滤脱水作用。参考文献：刘峰，曹文君，张建明，等.我国煤炭工业科技创新进 展 及“十 四 五”发 展 方 向 J.煤 炭 学 报，2021，46（1）：115.1 赵跃民，张亚东，周恩会，等.清洁高效干法选煤研究进 展 与 展 望 J.中 国 矿 业 大 学 学 报，2022，51（3）：607616.2 张节文，刘亿，杨晓鸿，等.疏水改性助滤精煤脱水试验研究J.选煤技术，2021（4）：1923.3 孟祥军，李伟.山东能源集团煤炭产业技术创新体系建设J.煤炭科学技术，2022，50（4）：141.4 王清权，王艳春，霍怡屹.不同密度细粒煤泥掺配粗粒煤浮选研究J.煤炭工程，2020，52（8）：169172.5 王瑞斌.煤泥燃烧资源化利用现状及展望J.洁净煤技术，2021，27（S2）：2326.6 张杰，胡杰，肖峰，等.助滤剂在高黏度可压缩物料过滤中的应用J.化工机械，2016，43（3）：279283，346.7 杨龙生.影响浮选精煤水分的因素及改进措施J.煤炭加工与综合利用，2018（11）：2527.8 王坡，陈帮金，沈亮.临涣选煤厂精煤产品水分和灰分特性的研究J.选煤技术，2021（5）：1823.9 闵凡飞，陈军，刘令云.难沉降煤泥水处理新技术研究现状及发展趋势J.选煤技术，2018（5）：49.10 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