超声波空化作用时间对水煤浆流变特性影响的研究

煤炭加工与综合利用2006年第3期COAL PROCESSING COMPREHENSIVE UTILIZATIONNo.3,2006超声波空化作用时间对水煤浆流变特性影响的研究曾鸣,向亨裕1,范垂钢2(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083;2.中国科学院过程工程研究所,北京100080)摘要:介绍了超声波空化作用机理,研究了超声波不同空化作用时间对水煤浆流变特性的影响,随着空化作用时间的增加,水煤浆表观粘度升高,粒度变细,温度升高,而最终结果是多种因素影响后而体现出的综合结果。关键词:水煤浆;超声波;超声空化;流变性;粘度中图分类号:TQ536文献标识码:A文章编号:10058397(2006)03-0042-03水煤浆由煤粉、水及少量添加剂制成,它在这往往是液体中强度最为薄弱的地方,空化作用减小环境污染的同时又能像油一样储运、雾化首先从这些地方开始,这样气泡本身就充当了空燃烧。工业上要求制备高浓度、低粘度、有良好化种子(3,不再需要由声压幅值超过液体分子流变性及稳定性的浆体。超声波强化处理技术是的内聚力来产生真空区(空穴)了改善水煤浆流变特性的新技术,中科院山西煤化1.2超声空化的空化阔所李永昕等人曾对此技术进行过较为系统的研设交变声压的振幅值为P,则液体中压强究,并得出一些有意义的结果12)的变化为P±Pn,定义使液体空化的最低声强1超声波强化处理水煤浆的声学原理和声压幅值为空化阈P,只有Pm>P0时才会出现负压,负压超过液体强度时才能发生空化。1.1超声波空化作用机理经理论推导3得出当超声波的交变声压在液体中传播时会出现(2a/R0)稀疏和密集状态。密集状态时,液体受到正压力√P-P+(2nR(约几个大气压)作用;稀疏状态时,液体受到拉力即负压力作用,因此液体相应发生压缩和膨式中:P为蒸汽压;R0为气泡初始半径;a为表面张力。胀。当负的声压幅值超过液体分子的内聚力时,由此可见,超声空化阈值是随不同液体而不液体分子被突然分开(液体被“拉破”),液体中同的;对同一液体,温度、压力状态和含气量、出现真空区。真空区内部只有液体蒸汽,并且在微气泡半径的大小及分布不同时,空化阈也不声压的负半周内膨胀,随后又突然破灭(猛然闭同。当声压超过空化阈而引发空化现象后所释放合),同时伴随有能量的释放,而且释放率非常的巨大能量将对水煤浆固液分散体系的细度和流高,伴有激波传播,使液体局部产生升温。一般液体中都含有一定的气体,形成一些微小气泡变特性产生重大影响,下面通过试验来研究具体影响过程。收稿日期:200602-10作者简介:曾鸣(1957-),男,四川内江人,中国煤化工2.11999年毕业于中国矿业大学(北京校区)矿物加工工CNMHG程专业,工学博士,中国矿业大学(北京)化学与环境实验所用的设备有:JY92-IS型超声波细工程学院副教授,电话:010-6233144转8121。胞粉碎机、NXS-11型旋转式粘度计、LS-C2006年第3期曾鸣,等:超声波空化作用时间对水煤浆流变特性影响的研究(1)型欧美克激光粒度分析仪、电子天平、分析(600W×70%)下的超声空化已经开始,立刻开天平和实验室用小型球磨机。启定时设定开关。当超声辐照达设定时间后会自2.2样品制备动停止,辐照时间分别设定为2min、5min、采用双鸭山煤样,利用实验室的小型球磨机10min、15min和20min。取出不同辐照时间的千法磨制两种粒度级的煤粉,按照不同级配调制水煤浆,测定其粒度和粘度,绘制流变曲线,并水煤浆,煤浆质量百分比浓度约65%~68%。与处理前原浆的流变曲线进行对比。2.3实验方法按粗、细颗粒比为1:1的比例,取504g破3实验结果与分析碎煤样,加2.88g2126分散剂和230.4g水混为方便起见,对数据进行编号,如g-05合调浆,实测原浆浓度为68,24%。将150-(S)中g代表表观粘度;05代表处理时间为200mL水煤浆盛于烧杯中,把烧杯放人超声波5min;(S)表示μ是剪切率S的函数。细胞粉碎机的托盘上。调节托盘高度,使粉碎机实验所测浆体在不同空化作用时间下的流变的超声变幅杆头部浸入水煤浆中一定深度,调整特性参数见表1,粒度特征参数见表2,浆体的输出功率至所需的数值。打开粉碎机电源,设定表观粘度与剪切速率之间的关系见图1,粒度微好自动计时控制系统以后,调节相关谐振装置。分分布曲线见图2当听到尖锐的“咝咝”声音时,表明在一定功率表1浆体在不同空化作用时间下的表观粘度和流型数据(处理强度600W×70%)空化作用时间/mn25101520T,/Pa0.5798371.761825c-042.120798e-045.738846e-059.103673e-050,5380201K0.56447570.7785363.178715.2237011.14570077391.069663s100/mPa·s1291,312181.121738.89017.13注:表中r,为屈服应力,K为稠度系数,N为流变特性指数,p是表观粘度,μ-S100是指剪切速率为1006时水煤浆的表观表2不同空化作用时间下浆体的粒度特征所致。由表2所示的粒度特征参数可以看出,超空化作用时间/min原浆25101520声波作用之后浆体的粒度变细了。原浆的比表面比表面积/m2kg939973980101610131020积为939m2/kg,处理2min、5min、10min的浆平均粒度D(3,2)/gm7.307.047.006.756.776.72平均粒度D(4,3)/m2.92194320.6217.5719.0719体比表面积增加最多,时间继续增加,粉碎效果X234320.4321.2818.6419.8219.86不再明显。从图2可以看出,超声波处理过的样50.9341.9545.2837.3041.5141,79品中,小于30ym的细粒级含量明显高于原浆中D5/{m31.7226.95286124.4126.4526.54该粒级的含量,但是处理时间和浆体粒度之间并16.7214.8515.3513.6814.4214.39非成线性关系。除了粒度和粘度变化外,超声波从表1所示的流变特性指数可以看出,用干辐照过的样品的温度明显升高,从而证实了超声法制备的水煤浆原浆为屈服胀塑性流体(N>1)波空化作用中存在热效应。随着剪切速率的增高,浆体粘度也会增加。表观这些结果是由于水煤浆经超声空化作用后产粘度随超声波作用时间的增加而增高,中间虽然生的能量被瞬间释放出来,以及超声波引起浆体略有波动,但大的趋势不变,而且所有处理过的高频“剪切”(20kHz的超声波作用于水煤浆样品的表观粘度都明显高于原浆的表观粘度。理论上浆体将会在1s内作两万次疏密变化,这当超声波作用20m后,浆体的流型发生了山中国煤化工来就已呈现屈服转变:从屈服胀塑性流体变为宾汉流体(N=1)胀塑CNMHG切下,粘度必然这从图1所示的流变曲线中也可看出。此现象主升高。发生空化作用后,因空化引起的能量释放要是由于超声空化作用的次级作用—粉碎效应会使细粒级煤粒增加,煤浆的粒度级配发生改44煤炭加工与综合利用2006年第3期变。当这种改变积累到一定程度后就会发生流型粒间的内摩擦力,而表观粘度正是颗粒内摩擦力转变,就有可能在某一特定的剪切速率下使煤浆的外在宏观表现,因此表观粘度上升;(2)使得的表观粘度降低。换言之,在超声空化作用下,分散剂与煤粒的作用更加彻底,表观粘度下降。水煤浆受到两种作用的影响:(1)超声波在液体实验原浆为屈服胀塑性流体,在超声波的剪中的纵波传播方式对水煤浆的剪切作用;(2)超切作用下,煤浆粘度必然上升;而超声波空化作声波的空化作用对浆体所含颗粒的粉碎及空化释用带来的空化效应使煤粒进一步破碎,从而粒度放的热量使浆体升温。正是这些因素作用于不同变细、比表面积增大。当作用时间过长(如流型的水煤浆,彼此消长造成了最后的实验20min)导致过粉碎现象发生时,在不补加分散结果。剂的条件下,相同质量的水煤浆必然消耗更多的分散剂,从而导致分散剂用量相对不足。综上所3000述,对胀塑性煤浆进行处理易造成内摩擦力增大(粘度上升)的效应超过分散剂的降粘效应。这2280样,增粘因素占了优势,煤浆的粘度升高。当超声波功率加强,作用时间延长时,在600W70%、20min这一试点处水煤浆的胀塑性消失,变为宾汉流体,此时粘度已经超过2500mPas,不可能降低到最佳数值了。但仅从流型的角度来看,胀塑性消失对浆体流变性能的改善还是有利153045607590105120135150剪切速度(l/s)图1浆体在不同空化作用时间下的流变曲线(1)超声波空化作用使水煤浆发生高频疏密图中p- untreated(S)代表未处理的原浆变化,从而产生剪切力;同时空化作用后瞬时释放的大量能量使浆体粒度变细,颗粒分散程度得到改善。(2)超声波作用对水煤浆的流变特性影响明显。随着空化作用时间的增加,胀塑性水煤浆表观粘度升高,最终结果是多种因素的影响此消彼长后所体现出来的综合作用结果304560105120135150(3)超声波空化作用在适宜条件下可以改善粒度/μ水煤浆的流型。图2浆体在不同空化作用时间下的粒度微分分布曲线參考文献1]李永昕,超声辐照对水煤浆浆体各性质的影响规律及其对于胀塑性煤浆,第一种作用显然会使其表作用机理研究[D].太原:中国科学院山西煤炭化学研观粘度升高,但是由于空化作用造成的粒度变细会带来其它影响。首先,细粒级增加对于浆体的2]刘玉英,等,超声波强化水煤浆制备方法的研究[J]稳定性是明显有利的,因为这可以使静置时煤粒燃料化学学报,1996,24(4):360~3633]何祚镛,赵玉芳,声学理论基础[M].北京:国防工业的堆积更加紧密,阻碍了粗颗粒的沉淀;其次,中国煤化工空化作用造成的细粒级的增加必然导致煤粒的比CNMHG北京:科学出版社表面积增大,这样就增加了煤粒间相互接触的面积,从而对粘度有两种影响趋势:(1)增加了煤