煤孔结构特性对水煤浆性质的影响分析

第34卷第1期燃料化学学报Vol 34 No. I2006年2月Journal of Fuel Chemistry and TechnolFeb.2006文章编号:0253-24092006)01-00050煤孔结构特性对水煤浆性质的影响分析尉迟唯,李保庆,李文,陈皓侃〔中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,山西太原0300)摘要:通过三种不同的方泫CO2吸附法、N2吸附法和压汞法〕测试了不同变质程度煤的孔结构性质分析了煤的孔结构特性与水煤浆性质之间的关系。结果表明煤的孔结构特性对水煤浆性质的影响较为复杂主要是煤的大孔结构对煤浆成浆性的影响。在相近的孔体积和孔径分布下煤的成浆性差别较大。孔结构特性本身作为一个独立的因素不能完全体现岀对水煤浆性质旳影响程度与煤的表面性质如含氧官能团性质、煤表面的疏水性以及煤的吸水性等密切相关共同影响着水煤浆的性质。关键词:孔结构;水煤浆;煤的表面性质中图分类号:TQ530文献标识码:AEffect of pore structure on the properties of coal water slurryYUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kanState Key Laboratory of Coal Comversion, Institute of Coal Chemistry Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China)Abstract: Pore structure of Chinese coals with various ranks was characterized with three analytical methodscarbon dioxide adsorption, nitrogen adsorption, mercury method ) and its effect on the properties of coal waterslurry( CWs ) was discussed. The results indicate that there is less correlativity between the pore structure andthe properties of CWS. Different slurryabilities of CWs are found for coals with similar pore volume and poresize distributions. The properties of Cws is dependent on not only coal pore structures itself but also the surfacefeatures of physical chemistry such as the content of oxygen-containing functional groups coal-water contact angle and the moisture-holding capacity of coalKey words: coal pore structure coal water slurry surface properties of coal煤是一种复杂的多孔性固体根据煤分子结构系进行了较全面的研究。特征煤的基本结构单元是由芳环或氢化芳环组成,1实验方法并通过桥键在三维空间排列形成具有丰富空隙度的1.1煤种的选择选择了中国不同地区、不同变质空间结构。这些孔可分为大孔、中孔和微孔大孔可至微米级小孔可小至氦都不能进入。研究者认程度的煤其水煤浆的制备及煤浆的性质见文輔5为12煤的孔结构性质对煤的成浆性有着重要影1.2煤的孔结构测试响。吴家珊等用N,吸附法测定了三个煤样的比1.2.1微孔体积法在78℃用 MODEL ST03表表面积和孔体积认为对水煤浆性质起主要作用的面吸附仪,以CO2气氛测定煤的比表面积及孔体的性质无相关性而对孔径大于30m的作用未进② Polanyi-Dubinin(PD)方是孔半径在2.0m~30m的中孔微孔与水煤浆行研究。孙成功等3则认为煤的成浆性主要取决1.2.2N,等温吸附法样品60℃真空干燥3h于煤的孔体积和煤水接触角余弦值的乘积。以往关然后在室温1.3Pa下预处理5.0h~6.0h,利用于煤孔结构与煤成浆性的关联都是建立在单一手段ASAP000吸附仪在氮气气氛、77K采用BET法测定煤的孔分布对煤孔结构的分析基础上本文在前期工作的基础1.2.3压汞法样品预先在60℃真空干燥72h,上3用三种方法即CO2吸附法DP方程入N2吸用 Autoscan60 Mercury porosimeter i型压汞仪测定煤附法BET容量法)和压汞法分析了不同煤种的的孔结构分布测定条件为表面张力0.48N/m汞孔结构特性对煤的孔结构特性与水煤浆性质间关在煤表面的接触角140°压力400mPa收稿日期:2005404408;修回日期:2005-10-12。6燃料化学学报第34卷2结果和讨论质的影响回归结果如下2.1煤的孔体积与比表面积对水煤浆性质的影响煤的孔体积对水煤浆性质的影响三种不同方法测试的煤比表面积及孔体积结果见表成浆性1。由表1可以看出不同变质程度煤的孔体积和比回归方程表面积差别较大,般煤的孔体积分布以大孔为主。C=78.08+30.4ω2]-365.6]47.7%tm]多元线性回归是研究一个因变量与多个自变量之间复相关系数R=0.735的相关关系因此根据不同的测试分析结果以水平均标准偏差S=2.91煤浆的成浆性、流变性、稳定性为因变量以不同方偏相关系数法所测试的煤孔体积和比表面积为自变量利用多Ro2=0.490Rx2=O.760Rmg=0.897元线性回归方法分析了煤的孔结构特性对水煤浆性表1不同方法测试的煤比表面积及孔体积Table 1 The surface area and pore volume of different coals measured by different methodsCO, adsorptionNitrogen adsorptionMercury methodA/m gmle/ml gA//ml gHM0.012534.300.16640.0283CCH33.10.0160.006725.520.18630.0200.00660.154326.270.0901DSH74.30.03448.430.1238HH0.0210.0069XH0.0180.008415.930.1635100.024706190.0160.00490.08280.01370.0413YZH0.0074B0.0080.860.00290.1126HN32.60.0141.490.00750.103816XW27.60.0122.100.01100.134537.50.0161.570.00740.10230.0104.530.014621.510.091934.00.0140.00990.160213.20.001117.730.054850.50.2102.350.011014.047.60.0220.580.001914.680.0558ZB2.310.0103YQ57.00.0220.004322.160.1021B JH cumulative desorption pore volume of pores diameter between 1. 7 nm and 3000 nm流变性回归方程回归方程=0.93-12.4tco,]+5.14UN,]+100.8t12+1.1tco,]-10.5兀tN,]3.42tm2]复相关系数R=0.451复相关系数R=0.569平均标准偏差S=7.65平均标准偏差S=0.23偏相关系数偏相关系数Rco,=0.087R,=0.0062R=0.852式中煤浆成浆性(%);揲煤浆稳定尉迟唯等:煤孔结构特性对水煤浆性质的影响分析吸附法所测孔体积;m。压汞法所测孔体积。复相关系数R=0.0849煤的比表面积对水煤浆性质的影响平均标准偏差S=8.54成浆性偏相关系数回归方程Rco2=0.246Rx2=0.119Rag=0.0675C=73.46+0.I[Ac,]0.29A,]0.3Am]式中:Ac,:O2吸附法所测表面积,N2吸附法复相关系数R=0.751所测表面积;A}。压汞法所测表面积。平均标准偏差S=2.83由回归结果可以看出水煤浆的成浆性与煤的偏相关系数孔体积和比表面积之间有一定的相关性而稳定性Rco2=0.844Rx2=0.339Rmg=0.928和流变性与煤的孔体积和比表面积之间的回归效果流变性较差并且主要是大孔体积和表面积对煤成浆性质回归方程的影响。因此煤孔结构本身作为一个独立的因素不N=0.93+0.0045Aω]0.002汇A]o.00A]能完全体现出对水煤浆性质的影响程度。复相关系数R=0.2732.2煤的孔径分布对水煤浆性质的影响平均标准偏差S=0.272.2.1氮气等温吸附法测定孔分布特性对水煤浆偏相关系数性质的影响图1(a)~图I(c)是氮气吸附法测得Rco,=0.550Rx,=0.0349R1=0.456煤的BJH孔径分布曲线。表示煤表面疏水性性质稳定性的含氧官能团(-COOH、OH)煤水接触角θ)和表回归方程示煤吸水性性质的煤最高内在水分(MHC)的分析0=12450.05Aa23]+0.29A]0.02tAh1]以及煤浆浓度Con.)表20.01200800080006-4-HB-MYKF-DT00040.004004002E00000000Pore diameter d/nmPore diameter d/nmPore diameter d/nm图1BET法测试的BJH孔分布Figure 1 Pore size distribution of different coals by desorption表2煤性质分析布均集中在3mm~5mm和60nm~80mm且孔体积Table 2 Analysis of coal properties较小。从表2中的数据可知这3种煤均具有较高Sample -COOHMHC Con的疏水性和较低的吸水性煤的成浆性均在72%以0002.872.320.272.373.66上。图1(b)表2中的数据表明3种煤具有相似0.0l2.的孔径分布平均孔径均在3m~5mm且均具有较SH0.151.18010.760.49高的孔体积、较低的疏水性和较高的吸水性煤的成12.浆性均低于65%。而在图1(c)中在相近的孔体0.040.596.163.950.143.1112.665.25积和孔径分布下煤的成浆性有较大的差别。CCHMYK0.040.27煤的浓度仅为65.25%这是因为其较低的疏水性和00.13982.5609较高的吸水性洏ST煤的浓度达到76.09%两个HB0.010.224.82煤浆的浓度相差达10%这是由于S煤具有较高不同变质程度煤的表面性质有很大差异由于的疏水性和较低的吸水性。一般较小的总孔体积煤的最高內在水分(MHC)大约等于相对湿度96%具有较高的成浆性并且与煤的表面性质密切相关。下煤在水中的吸水量6。因此用煤的MHC表示2.2.2压汞法测定孔分布特性对水煤浆性质的影燃料化学学报第34卷〔c)。含氧官能郾(-COOH、-OH煤水接触角θ)大孔体积较多且具有较低的疏水性和较高的吸水和煤最高內在水分〔MHC)的分析以及煤浆浓度性煤浆浓度较低。在图2(b)中3种煤的孔体积〔Con.)见表3。与氮气等温吸附法测定的孔径分布较小大孔孔径分布相似,且煤的吸水性较低、疏水特性对水煤浆性质的影响具有相似的结果。由图2性较高煤浆均具有较高的浓度。图α(c)中3种煤a)中可以看出3个煤样中ST、邗B煤含有较少的具有相近的孔体积和相似的大孔孔径分布由于煤大孔结构且具有较髙的疏水性和较低的吸水性煤吸水性和疏水性的不同煤浆浓度相差5%以上。的成浆浓度较高可达72.82%及76.09%。而BS的B2x∞·D-FF一CCH040010I000100Radius d/nmRadius dinm图2压汞法测试的孔径分布Figure 2 pore radius distributions of different coals表3煤性质分析水分的存在影响煤的加工利用。此外水分也反映了Table 3 Analysis of coal properties煤孔结构的变化。从图3可以看出随着不同测试ample - -OH 0 MHC Con方法所测比表面积和最高内在水分乘积的增大煤WI0.020.6260.05,869,63的成浆性呈指数降低。XHY0.030.4670.26.770.3Ka等21认为如果氧的质量分数分布均匀且0.030.64113.04.168.60含氧官能团随氧的质量分数的增加而增加,则亲水SG.00.09102.72.675:47基团的数量与压汞法所测得的比表面积和元素分析煤是多孔性固体或多或少含有水分其含量和氧的质量分数的乘积成正比。从不同变质程度煤的存在状态与煤的内部结构和外界条件密切相关而分析结果来看煤中含氧官能团随着氧的质量分数170e75Y-1.93e0Y=6307+14.70e0xR2-0.,742R=0.686200400501001502002503004o×MCXMHC44×MHC图3煤的成浆性与煤的比表面积和最高内在水分乘积的关系Figure 3 Relation between the slurryability of CWS and the product of the surface area with MHC10y=1807-16.l1l.39xy20.161573e6Y=18.091576e14XR2=0,780R2=0.851R=0.7460406Total acid group m/mmol.godpoHm/mmol‘g图4煤中含氧官能团与氧的质量分数的关系尉迟唯等:煤孔结构特性对水煤浆性质的影响分析195+3.l9X18l+0.0l6xR0.777R=0.86800.51.01.52.0253.03.5图5。x、t。×An与煤最高内在水分的关系Figure 5 Relation of the wo X tHeY wo x AHg and the MHC of ce的增加而增加如图4所示这表明煤的亲水性主要3结语取决于表面亲水基团的数目。煤的孔结构对水煤浆性质的影响较为复杂水此外在所研究的不同变质程度的煤中最高内煤浆的成浆性与煤的总孔体积和比表面积相关煤在水分与煤中氧的质量分数和压汞法所测孔体积的的孔结构本身作为一个独立的因素不能完全体现出乘积xm以及煤中氧的质量分数和压汞法所测对水煤浆性质的影响程度而是与煤的表面性质如比表面积的乘积oAm均具有较好的线性关系见含氧官能团性质煤表面的疏水性以及煤的吸水性图等密切相关共同影响着水煤浆的性质。参考文献[Ⅰ]吴家珊,宋永玮,张春爱,李新生,王祖侗.煤的性质对水煤浆特性的影吣J]燃料化学学报.1987,Iξ4):298-304(wU Jia-shan, SONG Yong-wei, ZHANG Chun-ai, LI Xin-sheng, WANG Zu-tong. The properties of coal and their effect on the behavior ofcoal water slurry[ J ] Journal of Fuel Chemistry and Technology, 1987, 15(4 )298-304.)[2] KAI R, MURANAKA Y, OTSUKA K, HISHINUMA Y. Water absorption by coals: effects of pore structure and surface oxygen J ] Fuel1986,65(2):288-291[3]孙成功,李保庆,尉迟唯,煤的孔结构对水煤浆性质的影J]燃料化学学报.1996,245):434439C SUN Cheng-gong, LI Bao-qing, YUCHI Wei. Characterization of pore size distributions and slurryability of coa[ J ] Journal of Fuel Chemistry and Technology, 1996, 245 ): 434439[4]尉迟唯,李保庆,李文,王志忠.混合煤制浆对水煤浆性质的影响J]燃料化学学报,2004,3x(1):31-36YUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kan, WANG Zhi-zhong. Effect of blending various coals on the properties of coal waterslurry[ J ]. Journal of Fuel Chemistry and TechnologY J], 2004, 321): 31-36.[5]尉迟唯,李保庆,李文,陈皓侃.中国不同变质程度煤制备水煤浆的性质研究J]燃料化学学报,2005,3X2):155-160YUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kan. Study on the properties of coal water slurry prepared with different coal ranks[ J]Journal of Fuel Chemistry and Technology J], 2005, 33(2): 155-160.[6] KAJI R, MURANAKA Y, OTSUKA K, HISHINUMA Y, KAWAMURA T, MURATA M, TAKAHASHI Y, ARIKAWA Y, KIKKAWAH, LGARASHI T, HIGUCHI H. Effects of coal type surfactant and coal cleaning on the rheological properties of coal water mixture[ AProceedings 5th Inter. Symp. on Slurry Combustion and Technology. Tampa, Florida, USAL C ] Washington DC: Coal and Slurry Associa-on,1983.151