水煤浆粒度测试技术的比较研究

究探讨煤炭工程2004年第7期水煤浆粒度测试技术的比较研究王仁哲,张荣曾,徐志强,黄镇中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083)摘要:粒度级配技术是水煤浆制浆技术的关键,快速准确地测量水煤浆中煤粒旳粒度分布是实现这一技术的基础;目前最为流行的测量方法是激光粒度仪,其理论依据主要有 Fraunbofer衍射理论和Mie散射理论;论文通过试验比较,系统研究了各种常用测量方法的特点。关键词:水煤浆,粒度测试,Mie散射, Fraunhofer衍射中图分类号:TQ536.9文献标识码:A文章编号:1671-09592004)7-005403Experiment and Analysis of Sizing Particles in Coal-Water Slurry FuelWANG Ren-zhe, ZHANG Rong- zeng, XU Zhi-qiang, HUANG ZhenSchool of Chemical and Environmental Engineering, CUMT, Beijing 100083, China)Abstract: The sizes graduation is one of key technology of making the coal-water slurry fuel whichbasis is that the size distribution of particles are measured in coal- water slurry fuel quickly andaccurately At present the popular measurement is the laser size instrument, which theoreticalfoundation are classified the fraunhofer diffraction theory and the mie scattering theory This paperpresents some common measurement methods and laboratorial results to various samples, illustratesthat the Fraunhofer theory could approximately substitute the Mie theory applied to sizing the particlesin coal- water slurry fuelKeywords: coal -water slurry fuel i sizes measurement the Mie scattering the Fraunhoferraction水煤浆的粒度分布特点煤基工业燃料1水煤浆的粒度级配是制备水煤浆的关键技术之一;粒中国是一个以煤为主要能源的国家,煤炭资源十分丰度分布中各粒级的配比称″级配″,只有级配合理,大小颗富,煤炭是我囯的主要能源;由于直接燃煤污染严重,开粒才能相互充填,减少空隙率,提高固体容积浓廚即堆积发制备和利用水煤浆一直是近年来煤炭加工、合理利用煤率),才能少用水,制出流动性好的高浓度水煤浆(如图1炭资源的一项主攻方向。水煤浆是一种由35%左右的水,所示)因此,测定现场水煤浆粒度分布是间接监控水煤5%左右的煤以及1%~2%的添加剂混合制备而成的流体浆质量的一个重要手段。只有大颗粒充填了小颗粒充填了更小颗粒图1水煤浆粒度级配充填示意图收稿日期:2004-01-082004年第7期煤炭工程研究探讨射被测粒子场,通过光学傅立叶透镜变换聚焦,利用环形2水煤浆粒度测试技术现状光电探测器阵列,在多个空间立体角范围内采集其散射光在实践中,测量水煤浆粒度分布的方法有很多,其中能信号,再经过反演计算后求得被测颗粒的粒径大小和分包括筛分法、沉降法、激光法、小空通过法等等2。目前布范围在水煤浆制浆厂中应用最多的技术是激光法,激光粒度仪以其快速、准确、测量范围广、无接触、不对被测颗粒形beam expand成破坏和易于实现在线检测而被广泛地应用在目前的粒度测量领域LASE2.1筛分法的特点和局限性筛分法就是将粉末样品通过一系列不同筛孔的标准筛分离成若干个粒级。分别称重,求得以重量百分数表示的diffracted rny粒度分布。图2激光粒度仪原理示意图筛分分析方法简单,可以直接得到粒度分布的直方图,但操作时噪声大,卫生条件不好,用样量大;而且由于使早期的产品一般根据 Fraunhofer衍射原理,但由于它用的筛数有限,其结果精度不高,尤其不适宜对细颗粒测是散射理论对大颗粒的近似,这种仪器的测量范围受到量,甚至不可能。目前,筛分法仅限于测量大颗粒的粒度定的限制。但其原理简单、计算数据量小、测量速度快的分布。特点仍然使其有较为广泛的应用,特别是应用在要求在线2.2沉降法的特点和局限性测量的场合。至于其测量精度,由于粒度测量本身的特点沉降法就是当颗粒在重力场中沉降时,利用 Stokes沉(测不准”无真值"η4]),在其原理认可的测量范围内,不降速度公式,測量颗粒群在流体介质中,特别是在液体中可说之不”精确"。而且,仪器的测量精度除与其原理依据沉降速度的变化,求岀粒度分布,从而得到累积粒度分布。的正确性与否有关以外,还与数据分析方法、计算方法、粒度分布测量的各种方法中,以沉降法这一大类应用实验条件的满足等许多条件有关,其中,计算理论的选择最广,主要有移液管、沉降天平、光透重力沉降仪、光透和可实现性以及可能带来的误差最为复杂,而往往不是选离心沉降仪、X射线沉降仪。其中,移液法裝置简单价廉,择一个理论依据这么简单的事情。而且其测量重量累积分数是直接的除筛分法外其他常用方法都是间接的),若仔细操作结果相当精确,精度在1%左3几种测量方法的试验比较右。1980年发表的欧洲经济共同体对于粒度分布各种测量3.1试验装置方法比较的国际研究中,就是将 Andreason移液管作为比1)筛分法:选择带有800Mesh细筛孔的套筛,采用较的标准3超声湿筛的方法;实验结果进行拟合优化。本方法在测量过程中伴随着颗粒的分级过程,即大颗沉降法:利用安德逊移液管沉降分析仪,进行粒先沉降,小颗粒后沉降,因此,测量结果的分辨率高,分钟的采样测量,测量结果进行拟合优化。特别当粒度分布不规则,或微分分布出现”多峰”的情况3)激光法:本实验采用了三种不同型号、不同原理的下,本方法的优点更加突出。但本方法在进行水煤浆粒度激光粒度仪进行测量,分别为两台进囗激光粒度仪(一台测量时,仍存在许多不可克服的缺陷Malvern- Mastersizer2000,依据Mie散射理论;另一台1)测量速度慢。一般要大于60min,这样就增加了细 OUNTER-LS100Q,依据 Fraunhofer衍射理论)测量结颗粒凝聚的机会。果均由仪器直接给出。2)测量过程中要保证温度的恒定。由于溶解介质的黏3.2制样度系数随温度变化,直接影响测量结果。采用良庄水煤浆浆「(山东精煤原料、吉化水煤浆厂3)对于多密度的混合物颗粒无法测量。而煤本身就不(吉林城浆产品和胜利水煤浆厂(山东城浆产品,分别做是一种单一稳定密度的化合物。三组实验;制样时,加入分散剂,分别进行10分钟超声分4)测量范围有限。一般测量范围在2-50m。散,再进行搅拌分散,尽量减小制样和取样的误差,保证2.3激光法的特点和局限性样品的一致性。激光法粒度仪主要有光散射粒度仪和光子相干粒度仪,3.3试验结果目前应用较多的是光散射粒度仪,其理论依据主要是三组试验结果分别见表1、表2、表3Fraunhofer衍射理论和Me散射理论,图2为在固定波长3.4试验分析下,通过测量散射光能在前向某个小角度范围内的空间角分析以上三组试验可以看出研究探讨煤炭工程2004年第7期表1良庄精煤粒度测量结果测量方法与仪器I(4,3)I3,2)筛分拟合安德逊移液管1.815.7517,0350,27Malvern Mastersizer200019.38COUNTER LS100Q6,9927,297.66表2吉化水煤浆粒度测量结果测量方法与仪器D10D90I4,3)3,2)筛分拟合1.6727,79116.9l50.39安德逊移液管38.03Malvern Mastersizer 2000.8159.01100.826.46COUNTER LS100Q8,69102,046.025.79表3胜利水煤浆粒度测量结果m测量方法与仪器D10DD50D75I(4,3)Ⅱ3,2)筛分拟合1,4216.331.2安德逊移液管16.8956.97malvern Mastersizer20000.9357COUNTERP LS100Q6.9817.6703.26.29注:(4,3)颗粒的体积重量均直径;3,2)颗粒的表面积平均直径;D50—中位径,表示在该直径以上和以下的颗粒各占%;D10—表示小于该直径体积重量店颗粒总体积重量10%:D25,D75,D90表示的意义同D10。较接近, COUNTER仪器的结果略粗于 Malvern仪器的结用 Fraunhofer近似的方法的颗粒是绝大多数,应用果。分析仪器旳结构原理可知: Malvern仪器是以Mie理论 frauhofer衍射理论近似去代替Mie散射理论对于水煤浆粒为基础,其测量下限可以达到很细(本仪器为0.1m),而度测试不会产生很大的误差,实验也验证了这一点。COUNTER仪器则是以 Fraunhofer理论为基础,它并不考2)对于理论选择产生的误差,可以依靠合理的选择检虑颗粒的光学特性,只是Mie理论的一种近似,它总是假测元件的尺寸、透镜焦距、计算粒度,以及控制试样的粒设颗粒的消光系数为2,而实际上,随着颗粒粒径的下降,度上下限和误差修正旳方法来解决,因水煤浆颗粒的分布颗粒的消光系数快速下降,在电子显微镜下观察可以看到有一定的规律可循,没有必要将计算粒度下限取的很细,2μm以下的煤粒呈半透明状,而0.5;m的煤粒的消光系数可以通过算法程序推算出比它更细的粒度组成。因此,计已经很小,这时必然带来了测量误差。算粒度的下限可以选择的较粗,以防止微细粒子散射的2)安德逊移液管的测量结果比激光粒度仪的测量结果干扰。要细。分析其原因是由于安德逊移液管测量粒径的理论依参考文南据是 Stokes定律,该定律要求其沉降的雷诺数小于0.2,这就限制了它的测量上限。而对于2m以下的颗粒由于布[1]张荣曾.水煤浆制备技术[M]北京:北京科学出版社,朗运动的影响会明显的干扰颗粒的沉降过程。而同时煤炭996:65-69颗粒内存在的孔隙和形状的不规则,都影响了煤粒的沉降[2]卢寿慈,粉体加工技术[M1北京:中国轻工业出版社速度,延长了沉降时间,使得测量结果偏粗。3)筛分的测量结果与其它方法的测量结果悬殊较大[3]高祜蒿。颗粒粒度与比表面测量原理[M]上海:上海科主要是由于水煤浆中细颗粒含量较多,首先对于较细的颗学技术文献出版社,1989:204粒,筛孔的通过率就很低,而且在筛分过程中,筛分的时4]张福根.用激光散射法测量大颗粒时使用衍射理论的误差间长短和筛分方式有无振动等对筛分的结果都有很大的[J]粉体技术,1996,(2):32-33[5] Craig F, Bohren, Donald R. Huffman. Absorption and Scattering影响,这一切都决定了筛分在测量细颗粒时的不可靠。of light by Small Particles M New York: WILEY SCIENCE结论PAPERBACK SERIES PUBLISHED, 1998[6] John C. Stover. Optical scatter: Applications, Measurement通过以上分析,笔者认为and Theory [ A ]. The International Society1)从水煤浆产粒的主体来看,应该说适用于采Engineering, 1989:119-12