超细煤水煤浆流变特性的研究

第4期选煤技术2004年8月COAL PREPARATION TECHNOLOGYg2004文章编号:1001-3571(2004)04-0045-05超细煤水煤浆流变特性的研究董平12,吕玉庭2,陈俊涛(1.中国矿业大学(北京校区)化学与环境工程学院,北京2.黑龙江科技学院资源与环境工程学院,黑龙江哈尔滨摘要:利用不同变质程度超细煤粉进行超细煤水煤浆的成浆试验,研究了超细煤粉的粒度组成、制浆浓度和添加剂种类及用量对趯细煤水煤浆流变特性的影响。试验结果表明,不同变质程度的煤成浆特性有很大的区别。另外,还介绍了一种评价水煤浆分散剂分散效果的方法一—润湿热对比法。关键词:超细煤粉;超细煤水煤浆;流变特性;添加剂;涧湿热中图分类号:TQ536文献标识码:A超细煤水煤浆是介于常规水煤浆和精细水煤浆之间的一种全新的、环保效果显著的水煤浆。由于常规水煤浆的煤粒粒度较粗,流变粘度大等问题,收稿日期:2004-06-16基金项目:黑龙江省科技厅2002年攻关项目(200201010)给商业化应用带来了极大的不便。而精细水煤浆制作者简介:董平(1963-男,辽宁省北票市人,副浆成本高,工业化应用与试验开展得很少,限制了教授。中国矿业大学北京校区在读博士研究生,现在黑龙该技术的推广应用。因此,降低制浆原料的粒度上江科技学院黑龙江省洁净煤技术研究中心从事洁净煤技术限及粗粒含量,减小煤粒的平均粒度,已成为目前研究工作。联系电话:0451-88036141。水煤浆技术研究的重点。85h以后微溶或不溶的那部分结构铁被解释为高该地高岭土中的铁含量最低可降至0.26%。岭石四面体晶格中的铁是比较合理的,因为以类质(2)影响浸出除铁效果的主要因素是浸出温同象形式进入四面体中的铁更难溶些( Erbil-度和试剂浓度。随着温度升高,铁的浸出率增大Ion,1976)。当浸出温度小于60℃时,温度变化对铁浸出率的影响不大,当温度超过80℃时,各试剂的铁浸出0282率均明显增大,但此时高岭石的结构受到破坏。酸浓度增大,除铁效果均明显提高,其中盐酸浓度的0.42变化对除铁率的影响最大。0.390.56(3)浸出试验的铁、铝溶解比较动力学分析表明,矿物相的铁、高岭石晶格中四面体配位的铁和浸出时间/h八面体配位的铁是该地高岭土中铁的三种赋存形式。图3铁、铝溶解比较动力学关系参考文献以上讨论表明,浸出试验既可确定矿物相铁的[1]彭崇慧,等。络合滴定原理[M].北京:北京大含量,还提供了一种区别铁的存在形式的方法,并学出版社,1981且根据其铁、铝溶解比较动力学分析进一步确定了21 J M Miller(美),化学分析中户分离方法[M铁的赋存状态叶明吕,等译,上海:上海科技出版社,1981.[3]华中师范大学编,分析化学[M],北京:人民4结论育出版社,1981[4]周公度,晶体结构测定[M],北京:科学出版社(1)该地高岭土浸出除铁效果最好的是盐酸最佳浸出条件是:浸出温度80℃,酸浓度25%,[5]杨晚杰,东胜高岭土选矿工艺矿物学研究及化学浸出时间4h,矿浆浓度5%。浸出除铁后高岭土的功率超声剥片方法的挥讨[D].北京:中国矿业铁含量从0.73%降为0.28%,铁脱除率为62%。大学北京研究生部,1996第4期2004年8月25日1超细煤粉的制备业集团大隆矿原煤(t)和山西西山杜儿坪三尺煤(xs)。所采集的煤样按照GB13212-77、GB476-试验煤样主要来源于黑龙江省七台河矿业精煤79进行化验,各煤样的元素分析和工业分析结果集团新兴选煤厂的洗选精煤(qth)、辽宁省铁法矿见表1。表1各煤样的元素分析与工业分析结果样品名称(Ca)w(H灬)(N)(S4)(0)M,A大隆()77.715.511.190.3915.203.6121.7637.94七台河(qth)87.431.250.215.582.578.7530.6233.141.261.002.352.245.7113.8435.99所需超细煤粉利用QLM-90气流磨加工。根不同粒度组成的超细煤粉样。根据超细煤粉的特据QLM-90气流磨的工作原理,确定不同的涡轮点,利用FM9300激光粒度分析仪对样品进行粒度式超微细分级器转数(改变调频器的转数),得到测定,所得煤粉粒度特征见表2。表2不同煤样超细化后的粒度特征表频率/比表面积煤样名称H7.091564quh-156.303.761.5961.983qh-原样18.9929.8917.977.710.7702.2317.4831.0817.160.97916.6.0ltf-1515.621.0561.587.6119.623.881.5451.5614.63Xs-1018.95X8-151.1610.5825.4216.778.030.798x-202010995512.457.30注:七台河原样是指利用振动磨粉碎后的煤样水煤浆流变特性细煤粉进行水煤浆的成浆试验。水煤浆成浆试验在实验室内完成,所用水煤浆分散剂为国内常见的阴水煤浆是由煤粉、水和少量的添加剂混合而成离子型萘磺酸盐DXF、A1和木质素磺酸盐类A2。的固液两相流体。水煤浆的流变特性是指受外力作煤浆以1500r/min的转速搅拌10min。制备好的水用发生流动与变形的特性。到目前为止的研究表煤浆马上用国产的NXS-11型旋转式粘度仪测定水明1“:由于制浆原料煤的性质、制浆工艺、添加煤浆的流变特性及表观粘度,并以剪切速率为50s-1剂种类和数量等因素的影响,水煤浆的流变特性千所对应的表观粘度来评价各煤样的流变特性。用阴差万别。大量试验表明,水煤浆存在明显的结构化离子型萘磺酸盐A1作水煤浆添加剂,用量为1%特征,一般都有屈服应力的存在,而且有的还具有(按干基煤计算),所制备的水煤浆浓度见表3,表较大的触变性和粘弹性。因此水煤浆更符合屈服幂观粘度与平均粒径的关系见图1~图3和表4。定律模型,即表3三种不同变质程度超细煤粉的制浆浓度%T=7,+K()…(1)铁法七台河山西67.16式中:r,为屈服剪切应力,N/m2。3超细煤水煤浆流变特性的研究3.1超细煤粉平均粒径对超细煤水煤浆流变特性的影响本文利用事先制备好的三种不同变质程度的超图1铁法煤样制备的水煤浆流变特性曲线董平等:超细煤水煤浆流变特性的研究2004年8月25日(按于基煤计算),制备浓度为68%的水煤浆,其流变特性曲线见图4。从图4可以看出,掺混比为0.85:0.15和0.80:0.20时,水煤浆的流变特性300与qth-原样没有太大的区别;当掺混比为0.75:0152025303540455055剪切速率/s1时,水煤浆的流变特性介于qth-原样于图2七台河煤样制备的水煤浆流变特性曲线15之间,说明水煤浆的流变特性发生了明显的60P改变。由此可知七台河煤样的平均粒径可控制在20μm之间,浆体的浓度可达68%,表观粘度可低于1000mPa·s。据此类推,对于利用相同超细粉碎设备所制备的铁法煤样的平均粒径可控制在15-17μm之间,这时浆体的浓度可达58%,表观图3山西煤样制备的水煤浆流变特性曲线粘度可保证低于720mPa·s;山西西山煤样的平均表4媒样粒度与水蝶浆表观粘度的关系(剪切速率50s)粒径可控制在10~14μm之间,浆体的浓度可达媒样名称n/mPa69%,表观粘度可低于500mPa·s;Tf-517.48Tf-1016.05670.231600TET-20Qth-原样19965.21090.131350.26101418222630343842465054Qth-101430.40图4七台河煤样不同粒度组成的水煤浆流变特性1448.371512.05(6)在所有制浆试验中,除铁法褐煤外,中xs-514.63350.00等变质程度的煤表现出非常良好的成浆特性和浆体的流变特性,尤其是山西西山煤样,该煤样可制备1510.58出高浓度(最高可达71.34%)、低表观粘度(最大表观粘度为635.59mPa·s)的高质量的水煤浆由图1~图3和表4可知:虽然用中等变质程度的煤粉制备的水煤浆的流(1)低变质程度的煤样无法制备出较高浓度变特性为胀塑性流体,但这些水煤浆在较高制浆浓的水煤浆,铁法煤样最高试验制浆浓度为58%。度情况下表现出了良好的流动特性。作者认为出现(2)试验煤样制备的水煤浆的剪切应力随剪这种有别于大多数常规水煤浆流变特性的原因为:切速率的加大而增加,在相同剪切速率(5051)(1)由于煤经超细化处理后,煤的表面结构条件下,剪切应力随制浆煤粉平均粒径的减小而提更趋向于偏平几何结构,煤的比表面积大幅度提高高,表面张力和表面疏水性明显增加。在制备水煤(3)除铁法煤粉制备的水煤浆属屈服假塑性浆的过程中,由于分散剂的加入,改善了超细煤粉流体外,七台河和山西煤粉制备的水煤浆为胀塑性的亲水性能,形成了结构较为紧密的水化膜。当大流体。量超细煤粉在有限空间内进行强力混合时,超细煤4)试验煤样制备的水煤浆的表观粘度在相粉颗粒间开始挤压、接近,当颗粒间距达到一定值同剪切速率(505)条件下,随制浆煤粉平均粒时原有包在颗粒表面的水化膜首先在颗粒表面突出径的减小而提高。部分兼并或破裂,发生颗粒间的聚集,逐渐形成了(5)从降低制浆成本角度出发,可适当控制大片的平面网状结构。由于颗粒间的聚集是通过小超细煤粉的平均粒径。为了考察制浆粉体粒度级配颗粒为桥梁联系在一起的,因此微小颗粒充填到片对水煤浆流变特性的影响,本文选用七台河煤平均状平面网形结构的空隙内,由于微小颗粒的填充作粒径为18.99μm的原样与平均粒径为4.62μm的用,使网状结构中的水被排挤出来,形成更加致密超细粉体煤样按0.85:0.15、0.80:0.20和0.75的结构。这些被排挤出来的水分布在层与层之间,025比例掺混,以A1为分散剂,用量为0.6%起到了润滑作用,因此在一定浓度下(一般制浆第4期选煤技术2004年8月25日浓度高于65%)可制备出表观粘度较低且流动性表面,极少一部分的水被结构化在致密的网状结构良好的水煤浆。内。当再加入少量的水,使浆体的浓度低于临界浓(2)在高剪切的情况下,某些原可以充填到度时,水煤浆的表观粘度立即下降,流动状态明显网状结构中的微小颗粒来不及充填而随层间一起运改善。因此,超细煤水煤浆临界浓度是制浆最大浓动,形成了某种体积的“膨胀”。另外,这些微小度。在实际生产过程中要非常重视超细煤水煤浆临颗粒在层与层间不断地翻转,与其他颗粒碰撞,甚界浓度的存在。至粘附,使得层间不断有能量的交换,增大了层间3.3分散剂的种类及用量对水煤浆表观粘度的彩的内摩擦力,使浆体表现出一定的胀塑性。32制浆浓度与水煤浆表观粘度的关系3.3.1添加剂种类对超細煤水煤浆表观粘度的影七台河和山西西山煤制备的水煤浆浓度与浆体表观粘度的关系见图5和图6。试验条件为:室温在制备超细煤水煤浆时,研究选用的分散剂是下制备不同浓度的水煤浆,添加剂为A1,用量为由中国矿业大学北京校区提供的阴离子型萘磺酸盐0.8%(按干基煤计算)。通过对曲线的回归分析,DXF、淮南矿业集团提供的阴离子型萘磺酸盐A1可得七台河原样制备的水煤浆浓度与表观粘度的关和淄博化学公司提供的木质素磺酸盐类A2,添加系式为:剂量为1.0%。用山西西山煤-5、七台河原样和μ=16259-646.4C+6.25C2……(2)铁法-10制备浓度分别为67.58%、66.39%和山西西山-5煤样制备的水煤浆浓度与表观粘58.28%的水煤浆。添加剂种类对水煤浆表观粘度度的关系式为:的影响见图7~图9。。=269004.61-8227.94C+62.95C2(3)式中:C为制浆浓度,%。2002025勤速1550556065图7添加剂种类与山西-5水煤浆流变特性的关系6264666870图5七台河原样制备的水煤浆浓度与表观粘度的关系101520253035404550图8添加剂种类与七台河原样水煤浆粘度的关系1500图6山西西山-5煤制备的水煤浆浓度与表观粘度的关系从式(2)和式(3)中可以发现,超细煤粉5101520253035404550556065的制浆浓度与浆体的表观粘度的关系符合著名的爱图9添加剂种类与铁法-10水煤浆粘度的关系因斯坦方程式。从图7~图9可以发现,不同种类的添加剂对超细煤水煤浆是一种典型的高浓度悬浮液,随上述三种煤样制备的水煤浆表观粘度的影响是不同着制浆浓度的增加,浆体的表观粘度增加。在浆体的,这种影响与煤粉的变质程度有关。对于中高等浓度较低时,浆体的表观粘度以线性趋势增长;当变质程度的七台河和山西西山煤的超细水煤浆,添浓度较高时,浆体的表观粘度急剧增长。当浆体浓加剂A1的性能要好于DXF,DXF好于A2;对于度达到临界值时,浆体的粘度骤然增加,出现类似低变质程度的铁法褐煤,添加剂A2的降粘性能要沥青一样的胶体。这种胶体粘性大,具有明显的粘好于添加剂A和DXF。弹性。这时所加入的水大部分用来润湿超细煤粉的平等:超细煤水煤浆流变特性的研千究2004年8月25日3.3.2添加剂用量对超細煤水煤浆表观粘度的影试验结果为解释添加剂种类对铁法-10水煤浆表观粘度的影响提供了理论依据。以阴离子型萘磺酸盐A1为分散剂,用量分别为1.0%、0.8%、0.6%、0.4%和0.2%,用七台4结论河原样制备浓度为66.49%的水煤浆,其流变特性(1)低变质程度的煤样无法制备出较高浓度曲线如图10所示。的水煤浆,铁法煤样的最高试验制浆浓度为58%。(2)试验煤样制备的水煤浆的剪切应力随剪切速率的加大而增加,在相同剪切速率(50s-)条件下,剪切应力随制浆煤粉平均粒径的减小而提高。(3)除铁法煤粉制备的水煤浆属屈服假塑性405060剪切速率/s1流体外,七台河和山西煤粉制备的水煤浆为胀塑性图10不同药剂量对七台河原样水煤浆粘度的影响流体。当添加剂用量低于0.4%时,所制备的浆体粘(4)试验煤样制备的水煤浆的表观粘度在相度大,且成浆困难。从图10可以了解到添加剂用同剪切速率(50s)条件下随制浆煤粉平均粒径量对水煤浆表观粘度的影响比较复杂。因此,在保的减小而提高。证浆体流变特性符合实际应用的前提下,添加剂用5)超细煤水煤浆存在着制浆临界浓度。当量应尽可能地减少。试验表明,对于用七台河原样浆体达到临界浓度时,浆体的粘度骤然增加,出现制备的水煤浆,最合理的添加剂用量应在0.8%类似沥青一样的胶体。这种胶体粘性大,具有明显0.6%之间。34水煤浆分散剂分散效果评价的新方法—润(6)超细煤粉在不同液相中的润湿热测定结湿热对比法果可以用来对不同添加剂分散效果进行评价。润湿利用法国产的 SETARAM-C80Ⅱ微热量仪和热越高,分散剂的分散效果越好。国内较常用的水煤浆添加剂A1(萘磺酸甲醛共聚7)应合理选择分散剂的用量,这样不仅可物)和A2(磺化木质素)为浸润液对铁法煤样进以调整超细煤水煤浆的流变特性,还会有效降低制行润湿热的测试试验,试验结果如图11所示。浆成本。参考文献[1]康宏清修,等,水煤浆的流变特性[A],水煤浆加入A1≥技术译文集(1)[C],北京:[出版者不详],[2]吴家驪,宋永玮,等,煤的性质对水煤浆特性的影时间/s时间/s响[A].水煤浆技术论文集[C].北京:[出版图11铁法-10煤样加入不同添加荆后的润湿热者不祥],1987试验表明,加入A后的浸润热低于加入A2[3]周德悟,煤的氧化和岩相组威及复合添加剂对煤成的浸润热,说明A2更容易在铁法-10超细煤粉的浆性的影响[冂]·燃料化学报,1996,24(3)表面吸附,使得其表面的亲水性增强。因此,对于[4]孙威功,煤的孔结构特征对水煤蒙性质的彩响[冂铁法-10煤样,A2的分散性能要好于A1。这个燃料化学报,1996,24(5)三项煤炭行业标准通过审查2004年8月20-22日,煤炭工业煤矿专用设备标准化技术委员会选煤机械分会在河北省秦皇岛市组织召开了由煤炭科学研究总院唐山分院负责起草的《煤用有压给料三产品重介质旋流器》、《煤用分级破碎机》、《煤泥滤饼碎干机》三项煤炭行业标准专家审查会。来自科研、生产、设计、质检和教学等部门的专家20余人参加了会议。在标准主要起草人向专家们详细介绍标准立项和制定主要内容及依据,并对“征求意见稿”的征求意见过程作了汇报后,与会专家对标准制定的必要性、送审材料的完整性、标准制定的内容及依据、标准的格式等进行了认真的讨论,对“送审稿”逐条、逐句进行了详细审查。专家们一致认为,标准起草人在标准制定过程中做了大量的工作,标准制定技术内容正确、依据充分、编写规范,标准的制定将有利于促进产品质量的提高和选煤技术的进步;标准具有科学性、先进性、实用性;所制定的标准填补了煤炭机械产品行业标准的空白,一致同意经过必要的修改后上报主管部门审批(本刊讯)