煤的改性提质对水煤浆成浆性的影响

第24卷第3期煤炭转化Vol 24 No.001年7月COAL CONVERSIONJul.2001煤的改性提质对水煤浆成浆性的影响郝爱民1)李新生2宋永玮搐要对几种不同变质程度的煤采用了低溫热处理和富集煤的微观显微组分等手段,对煤的表面性质进行改性提质,结果表明:低温热处理可脱除煤表面的含氧官能团,降低煤遘水后与水分子的结合能力,使不同变质程度煤的制浆浓度有所提高.同时显微镜质组的富集可改善水煤浆的性质,提高水煤浆的浓度,而丝炭和灰分的共同作用对水煤浆的成浆性产生不利的影响关键词水煤浆,最高煤浆浓度,低温热处理,显微组分中图分类号TQ517些表面性质和显微微观性质以考察对水煤浆成浆0引言性的影响水煤浆是由煤、水、添加剂混合制成的一种复杂1实验部分的固、液分散体系.因此水煤浆的性质是由成浆用煤的性质,与煤种相匹配的添加剂的性质以及水煤浆的制浆工艺条件等因素决定的在特定添加剂和工1.1煤样艺条件下,煤的性质对水煤浆的成浆性起决定作用选用了几种不同类型的煤样作对比研究,其煤文中选取了几种不同变质程度的煤样,通过对煤的质分析见表1低温热处理和富集煤的显微组分等手段,改变煤的衰1原煤的性质Table 1 Properties of raw coal (%ProximateUltimate, dafMHCH11.3411.3032.414.0915,2718.10Yangchangwan14.930.4579.883.9314.4917.705.825.6139.7080.075.1013.2883.73Maximum moist ure-holding capacity1.2水煤浆样品的制备3煤的低温热处理为了消除粒度对水煤浆的影响,结合最大堆积将煤样置于管式炉中,以氮气为保护气流速为密度原理和实验室制浆经验,全部制浆煤样均釆用30ml/min,升温速率为10C/min.加热前,先用氮下列配比:60目~100目占14%;100目~200目占气连续置换炉内空气5min,升至预定温度时,保持16%;小于200目占70%恒温2h,在氮气气流下冷却至室温,样品备用中国煤化工1》助理研究员;2)高级工程师;3)研究员,中国科学院山西煤炭化学研dHCNMHG收稿日期:200104202001年1.4显微组分的分离由表2可知,五种煤的成浆性好坏依次为乌兰煤>大同煤>神木煤>羊肠湾>灵武煤.研究结果将煤样粉碎至40目,用不同比重的氯化锌溶液表明12,煤中的水含量与煤浆的表观粘度和流动性来分离显微组分,每种显微组分所适合的比重由预有直接的联系煤的吸水性的强弱,直接影响浆体中先经过的浮沉实验所测得的较佳条件决定所得样起润滑作用的自由水分的多少,在相同浓度下,吸水品经热水反复洗涤直到无氯离子存在为止.干燥后性强的煤,使较多的水分子被吸附在煤的表面而失磨制成水煤浆样品备用去流动性,致使起润滑作用的自由水分减少,从而增1.5煤质分析加了水煤浆的粘度,最终降低了煤的最高煤浆浓度我们用煤的最高内在水分来表征煤的吸水性,并与(1)煤的总酸性基的分析采用Ba(OH)2法;游最高煤浆浓度进行关联(见图1).由图1可知,煤的离羧基的分析采用Ca(AC)2法最高内在水分与煤的成浆性具有很好的线性相关2)煤的最高内在水分的分析(MHC,%)釆用性煤的内在水分越高其最高煤浆浓度越低,成浆文献[1]所述的方法性越差,灵武煤的最高内在水分高达18.1%,所以1.6水煤浆的制备及性能测定在煤的成浆过程中表现出极难的成浆性(1)水煤浆的制备:实验统一采用4号添加剂作为水煤浆用添加剂.在浓度为1%的添加剂溶液中,加入一定量的煤样,搅拌均匀,在匀浆机上以5000r/min搅拌10min,即成为流动的水煤浆66水煤浆浓度%=干煤重(g)干煤重+水重十添加剂重(g)×100%(2)表观粘度的测定:采用NXS-11型旋转粘度计,在25C条件下测定,以剪切速率28.38-作101214161820为成浆性的指标MHC/%图1最高媒浆浓度和最吗内住水分的关系Fig.1 The relationship between the MCC and MHO2结果与讨论众所周知,煤的吸水性是由煤表面分布着的各种含氧官能团所决定,其中羧基和酚羟基这两种亲2.1原煤的成浆性水基团对煤的亲水性具有较大的贡献,①而众多的优质水煤浆应具有较高浓度、易流动性和良好研究文献表明煤的平衡吸水量主要依赖于羧基的的稳定性等特点煤浆的表观粘度是判断水煤浆流含量.“煤的最高内在水分与煤的表面活性含氧官动性的一个指标但表观粘度随煤浆浓度变化很大,能团有着更为直接的联系(见表3)表面含氧官能且不同煤种其变化规律也不尽相同.为了更直观地团的多少,影响着煤的吸水量的多少,其中羧基含量表达煤的成浆性的好坏,本文采用在特定添加剂和的变化与最高内在水分含量的变化趋势是一致的成浆条件下,粘度为1500mPa·s时所能达到的煤因此煤表面含氧官能团越高,其最高内在水分越高浆浓度定义为最高煤浆浓度(MCC,%),以此为指而内在水分的提高直接导致了煤的成浆性的降低标来表征水煤浆成浆性的好坏.五种煤在上述条件裹3煤的表面含氧官能团与最高内在水分的关系下制浆时所能达到的最高煤浆浓度见表2Table 3 Relationship between the oxygen bearing func.豪2不同煤种制浆时的最高煤浆浓度onal group and MHC of CwsTable 2 The Maximum coal concentration of cwSSample Carboxyl group/ Hydroxyl group: MHC/%adwith 1 500 mPa.s at shear rate 28 38mmol/gadmmol/g,adMCC/%中国煤化工I8.l00ShentYangrhangwan 60 34 WulaCNMHG5,040Shenmu第3期郝爱民等煤的改性提质对水煤浆成浆性的蟛响2.2煤的低温热处理对煤的成浆性的影响在影响煤的成浆性的诸多因素中,煤的最高内在水分对煤的成浆性有着最为直接和明显的影响,而影响内在水分的最主要的因素为煤表面含氧官能团.而热处理是煤脱水和脱羧的有效手段之一.为此实验对四种原料煤进行了低温热处理,以便脱除煤表面的含氧官能团,降低煤的最高内在水分,改善煤01002003004005006Temperature/℃的成浆性.不同热处理温度下煤的成浆性、煤的最高图3热处理温度和最高内在水分的关系内在水分的变化情况见图2和图Fig 3 Relationship between heating-temperature不同热处理温度下四种煤的最大煤浆浓度曲线见图2.由图2可知,300C以前,煤浆浓度的提高均▲- Datong;△-- Shenmu●-· Yang hangwan;不十分明显,当温度超过300C时,煤浆浓度才有C-Lingwu时还伴随着煤大分子结构的实质性断裂过程,导致煤表面收缩及煤的徽孔闭合,上述因素综合导致煤的吸水性降低,成浆性提高.而对于神木煤和大同煤,当煤在300C以前加热时随着含氧官能团的分解降低,使煤的吸水性逐渐降低,但由于煤的变质程度的提高,特定温度的上移,当继续加热时,煤大分子结构并没有受到大量的实质性破坏,所以当煤制浆时,煤遇水其最高内在水分又部分恢复,因此表现出400C以后加热时,煤的最高内在水分略有升高图2热处理温度与最高煤浆浓度的关系煤的最高煤浆浓度降低的结果Fig 2 Relationship between heating-temperature结果还表明,变质程度越低的煤,对加热处理越and MCC敏感,成浆性的变化也越大,大同煤和神木煤均在400C~480C达到最大煤浆浓度的峰值,而灵武煤和羊肠湾煤直到550C,最大煤浆浓度仍呈上升明显的上升,对于变质程度较低,内在水分较大的的趋势灵武煤和羊肠湾煤,当温度继续升高时,煤浆浓度依然保持升高的趋势但对于神木煤和大同煤,当温度2.3煤的显微组成对煤的成浆性的影响继续升高至400C以上时,煤浆浓度反而略有下降煤是由镜质组、丝质组和壳质组三种有机显微这与加热时煤的最高内在水分所表现出的规律类似组分组成显微组分的不同,决定了煤性质的不同(见图3).由图3可知,300C之前随着加热温度的通过富集镜质组和丝质组这两种具有明显不同性质升高,煤的内在水分逐渐减少,但趋势较缓慢而超的显微组分,考察富集显微组分改质对煤的成浆性过300C后,内在水分下降的趋势变快.当温度超过的影响.实验用煤显微组分的组成见第50页表400C时对于灵武煤和羊肠弯煤,其内在水分依然用表4中富含不同显微组分的煤样制备水煤处于下降趋势,而对于大同煤和神木煤其内在水分浆,其最高煤浆浓度见第50页表5.结果表明,岩相却略有回升.众所周知,在煤的热解过程中,最初的组分的不同,使得最高煤浆浓度表现出一定的差别低温段主要是煤的干燥脱水和表面含氧官能团的断大部分富镜质煤制浆时的最高煤浆浓度比原煤高裂脱除过程只有超过某一特定温度时,才会发生煤其中乌日,而它坐制浆时与原煤分子结构的实质性断裂特定温度随着煤变质程度相比大中国煤化工来说,丝炭的的提高也会在一定温度范围内提高对于灵武煤和比重大CNMHG.不易从母体羊肠湾煤,由于其相对变质程度较低,300C以后加煤中分离,因此富集较纯净的丝炭是件极困难的工热时,不仅仅是表面含氧官能团迅速分解的过程,同作,且富集得到的样品含有较多灰分.而灰分对水煤煤炭转化2001年表:实验用煤显微组分的分析煤浆,但对煤浆的稳定性起着很好的作用;另一方Table 4 Analysis of coal maceral面由于灰分比重大,增加灰分为水煤浆浓度的增大Proximate/另Vitrinite Inertinite Exinite提供了堆实物料,因此对水煤浆的成浆性影响变得较复杂.在实验中同类型的煤中,丝炭和灰分均在煤111.34113032.411.103810.60的成浆过程中表现出不良影响,二者综合的结果使gw214.2014.1834.2030.2769.290.4得富丝炭煤的成浆性变得较差15.825.6139.7077.6421.231.13Shrm26.186.813520592740.70.163结论5.41.8339.1087.9012.103.759.5729.4052.003.00(1)煤的最高内在水分是影响煤的成浆性能的24.2312.502761.720.75最为直接的囚素.内在水分高的煤,其成浆性差反3.292.0733.9069.8028.301.901.715.5427.2659.5040.50之则成浆性好.实验选取的五种煤的成浆性好坏依wular23,966.0528.0059.0041.00-次为乌兰煤>大同煤>神木煤>羊肠湾>灵武煤0.901.7122.9076.7023.30(2)低温热处理可使不同变质程度煤的制浆浓Note:1-Raw coal:2--Rich-inertinile 43---Rich-vitrinte度有所提高,其中低温热处理对变质程度低内在水表5不同岩相组分的最高煤浆浓度分含量高的煤更敏感效果更为显著低温热处理存Tabl5 Maximum coal concentration on maceral of coal在的最大问题是处理后的煤遇水后会发生水分的再SampleMCC/%MCC/%吸附和再化合,如何阻止和限制煤表亩的再水化作70.0用将是今后研究的课题之58.1Datong 266.6(3)对于同种变质程度的煤,镜质组含量高的煤易制备低粘高浓的水煤浆,而富丝炭和灰分综合68.8wulan结果对成浆性是不利的由于大部分丝炭被无机矿Shenmu物质浸染,因此富集丝炭时夹杂着部分的灰分,这部分物质的机械强度很低,故可根据这一特点,在水煤浆成浆性的影响较复杂.一方面由于灰分中的可溶浆制样时进行选择性破碎,以减少不利于煤浆特性矿物质溶出的高价金属离子不利于制备高浓度的水的惰性组分,从而提高水煤浆的浓度参考文献]吉庆军,吴家.煤最高内在水分测定方法改进.煤质技术与科学管理.1990(J)[2] Wu Jiashan, Sung Yongwei, Zhang Chunai et al. The Surface Properties of Coal and their Effects on Behavior of (wS. InProc &th Int Symp On Coal Slurry Fuels Preparation and Utilization, Florida: Orlando. 1986. 10-183]西野顺也鬼山和意,关昌夫.CWM中石炭表面化学的研究,燃料协会志,1989,68(6):469474] Schaler H N S. Factors Affecting the Equlibrium Moisture Contents of Low-rank Coals, Fuel, 1972.51(4).1-gEFFECT ON SLURRYABILITY OF CWS ABOUT MODIFIED COALHao Aimin Li Xinsheng and Song yongwei(Institute of Coul Chenistry, Chinese Academy of Sciences, 030001 TaiyuanabSTRact Several kind of coal have been selected to be treated by heating at lower temperature and maceral group have been collected by ZnCl2 solution in order to change surface properties and coal properties. The results show that the slurryability of coal can be improved byheating-treated at lower temperature because of the decomposition of the oxygen-bearing func-tional groups on the coal surface which reduced the moistul中国煤化工 The richvitrinite also can improve the maximum coal concentrationCNMHGKEY WORDS CWS, maximum coal concentration, heating-treated at lower temperature