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强化细粒煤脱水技术的研究进展

脱水即实现固液分离,是选煤厂煤炭洗选加工的重要工序之一。细拉煤如浮选精煤和浮选尾煤,主要采用真空过滤机、压滤机和高速沉降离心机等进行脱水。虽然常规的真空过滤在选煤厂仍占主导地位,但随着对煤炭产品质量要求的不断提高,而且从技术经济角度考虑,已难以满足生产需求。世界各国选煤工作者正在寻求更有效的细粒煤脱水方法,包括工艺、设备和各种类型助滤剂的开发。强化细粒煤脱水技术的研究主要有以下几个方面:
(1)机械脱水是当前最经济,而且有巨大改进潜力的脱水方法,应进一步加强机械脱水技术的研究,如改进过滤设备,采用加压过滤、高效压滤机、离心过滤等。
(2)加强机械与热力吹风相结合的新型脱水方法的研制,如高压吹风技术强化细粒煤脱水。
(3)采用各种复合力场联合作用来强化细粒煤脱水,如电渗法,或采用离心力场、磁力场、超声波、高频振动等。
(4)掺入粗粒物料,改变悬浮液固相粒度组成,提高给矿中固体含量;采用新的过滤介质,增大过滤面积,强化细粒煤脱水。
(5)加入化学助滤剂强化细粒煤脱水。
选矿工艺中所说的助滤剂(filtration aids)是指能够提高过滤效率、减少介质阻塞、促进滤饼疏松、降低滤饼水分的药剂,也被称为滤饼脱水助剂(filtration cake dewatering aids)。按照其作用特征分为无机型助滤剂和有机型助滤剂两大类。有机型助滤剂又可分为表面活性剂型助滤剂和絮凝剂型助滤剂两种。
1.无机型助滤剂
无机凝聚剂加入滤液后,通过电荷中和作用,降低颗粒表面电位,压缩扩散层,使颗粒双电层重叠产生排斥力的颗粒间距离减小,部分动能较大的颗粒冲破势垒,产生凝聚。其凝聚作用慢,凝聚强度大,絮团小,含水率低。由于在凝聚过程中固体颗粒的水化外壳较薄,其凝聚物不牢固,表面疏水化不完全,用量大。研究发现,无机凝聚剂与絮凝剂或表面活性剂混合使用时,将大大改善其助滤效果。
2.表面活性剂型助滤剂
表面活性剂是一种具有亲水基团和疏水基团的两性化合物,可分为非离子型、阴离子型、阳离子型三类。非离子型表面活性剂不仅能降低滤液的表面张力,还能增大固体颗粒的疏水性。英、美、加、澳、法和前苏联等国在表面活性剂型助滤剂的研究领域较为领先。例如:澳大利亚Nicol公司1976年就开始研究表面活性剂对细粒煤的助滤脱水作用,并且研制出一系列阴、阳离子表面活性剂;英国Bradford联合公司于20世纪80年代合成的Drimax系列被广泛地应用于各种难滤物料过滤的工业实践中,结果表明既能大幅度降低滤饼水分又能提高滤饼产率。钟宏等将非离子表面活性剂HG-12与阳离子聚丙烯酰胺DA-1适当复合使用,可有效降低硫精矿滤饼含水量3.1%(质量分数)。并提高了过滤速率;又采用具有较高表面话性和絮凝作用的高分子表面活性剂聚氧乙烯UC-309,其用量为100g/t时,可将滤饼含水量降低3.9%,使滤饼比阻降低,过滤速率加快。夏畅斌等应用十二烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基溴化铵(DAB)对株州选煤厂的细粒煤进行脱水研究,结果表明:阴、阳离子表面活性剂能够明显地提高细粒煤过滤脱水技术指标。但因其价格昂贵,在选煤厂未能得到广泛应用。
表面活性剂的助滤机理尚无定论,目前水们普遍认为表面活性剂是通过降低表面张力、增大固液界面的接触角、提高细粒物料的疏水性来强化物料脱水的。Pearse从固液界面黏着功角度解释了表面活性剂的助滤机理,认为在滤饼脱水的最后阶段,滤饼毛细管中固、液、气三相接触作用力的平衡与固液接触角相关。流动的空气要排挤水,取代水的位置就必须克服固液界面的黏着功:Wsl=δ(1+cosθ)
式中:Wsl--黏着功;δ--固液界面表面张力;θ--接触角。
式表明:固体表面吸附表面活性剂后。表面变得疏水,接触角θ增大,黏着功减小,空气取代水变得容易,故有利于物料脱水。
Wakeman将滤饼中曲折无规则的孔隙视为一束束大小不一的垂直于表面的毛细管,提出了作用于弯曲的两相界面上的拉普拉斯“附加压强”公式为:△P=δ(1/R1+1/R2)
式中:δ--固液表面张力;R1、R2--通过曲面上某一点作曲面的法线,通过该法线的任一对应相互垂直的平面和曲面相交所得曲线的曲率半径。
式表明:固体表面吸附表而活性剂后,固液表面张力δ降低,附加压强△P随之降低,从而达到强化物料脱水的目的。其中R1、R2与接触角有关,当弯曲面为球面时,上式可变为:△P=2δ/rcosθ
式中:r--毛细管半径。θ--接触角。
式表明:当接触角θ增大时,附加压强△P降低,有利于物料脱水。
美国瓦罗克等人指出,添加表面活性剂可提高细粒煤的表面疏水性,并认为颗粒表面吸附表面活性剂可改变表面能,从而影响颗粒团聚,改变滤饼结构,降低颗粒间的水分。B.C.加敏斯基认为表面括性剂强化物料脱水的作用在于:被疏水化的固体表面所形成的疏水性毛细管比亲水性毛细管的摩擦阻力小,液体在疏水性毛细管中流速更快。197O英国的Brookes G F和Bethell P J认为,添加药剂能使煤粒的接触角增加并降低Zeta电位,从而提高过滤效果。国内钱押林认为表面活性剂的助滤机理是降低滤液表面张力、增强矿粒的疏水性、促进其团聚,从而达到降低比阻、加快过滤速度和降低滤饼水分的目的。
综观国内外有关表面活性剂助滤机理的研究远非成熟,尚有待于进一步完善。
3.絮凝剂型助滤剂
絮凝剂一般都是水溶性的聚合长链高分子,具有强烈的天然亲水性,絮凝剂的助滤机理尚无系统性研究。目前普遍认为絮凝剂主要依靠高分子链吸附桥联作用使细粒煤形成絮团,改变物料粒度组成,有效地防止微细粒堵塞过滤介质,形成透气性好、有利于快速脱水的滤饼,从而提高滤饼产率,并得到澄清的滤液。不同相对分子质量的絮凝剂用途各异。一般而言,较高相对分子质量的絮凝剂形成的絮团较大,滤饼中含水量较高,常用于澄清作业,可防止细粒有用成分损失;较低相对分子质量的絮凝剂所形成的絮团较小,滤饼具有均匀的孔状结构,有利于细粒物料脱水,常用于过滤作业。当絮凝剂种类与用量选择得当时,它既能提高处理能力,又能强化固液分离效果,被广泛地用于煤浆沉降与过滤,在选煤厂具有广阔的用武之地。
4.化学助滤剂研究发展趋势
添加化学助滤剂具有不改变现有生产规模和设备、见效快、易实施的优点,对于厂家具有更大的使用价值。国内外助滤剂的研究现状及应用开发,充分证明助滤剂的使用为细粒物料的固液分离及节约热力能耗提供了一种经济、有效、易行的方法。化学助滤剂研究的发展趋势为:
(1)深入系统地研究助滤剂作用机理;研制新型的复合型高效助滤剂,并实现助滤剂试验室研究向工业生产的进一步转化;(2)探索助滤剂之间的协同作用机理,进一步完善助滤剂作用机理研究,强化细粒物料的脱水效果;
(3)采用微生物作化学药剂对细粒煤进行改性,强化脱水效果。

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