颗粒分布对高浓度水煤浆流变性能的影响

煤炭工程第47卷第3期COAL ENGINEERINGVol. 47. No. 3doi:10.11799/ce201503040颗粒分布对高浓度水煤浆流变性能的影响孙南翔2,徐志强',曲思建2,涂亚楠(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083;2.煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,北京100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京100013)摘要:采用体积平均粒径分别为81.30μm,14.62μm的6.07m的三种陕西长焰煤粉以不同级配混合后制备高浓度水煤浆,利用 Dinger模型评估了级配前后煤颗粒的粒度分布,研究了不同颗粒分布对高浓度水煤浆流变性能的影响。试验结果表明:级配优化可使煤颗粒的实际分布更接近理论模型分布。当浆体浓度较高时,随着浆体体系中细颗粒的增多,水煤浆流型由剪切稀化逐渐向剪切稠化转变,依次呈现出屈服假塑型、 Bingham型和胀流型三种流型,拟合出了相应的的流变学模型,利用流变杋理解释了浆体流型转变的原因,得到了使水煤浆具有最优流变性能的配比方案。关键词:长焰煤;颗粒分布;高浓度水煤浆;流变学模型中图分类号:TQ536文献标识码:A文章编号:1671-0959(2015)03012204Effect of Particle Size distribution on rheology Behaviorof High-concentration Coal Water SlurrySUN Nan-xiang, XU Zhi-qiang, QU Si-jian", TU Ya-nan(1. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China2. Beijing Research Institute of Coal Chemistry, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Beijing 100013, China)Abstract: Three coal powders with different mean volume diameters(81 30um, 14. 62um and 6. 07um) were mixed indifferent proportions to prepare high concentration coal water slurry with various particle size distributions. Dinger modelwas used to evaluate the particle size distributions before and after the gradation. The effect of particle size distributionthe rheological properties of high-concentration coal water slurry was investigated. The results show that, the coal particlesize distribution is optimized and closer to theoretical model. In the higher concentration, the slurry shows a transition fromshear-thinning to shear -thickening rheology characteristic as the fraction of fine particle in the slurry increasingpresenting pseudoplastic, Bingham and dilatant flow type in sequence. The fitting equations were obtained, and thereason of the transition of theology behavior was analyzed using Meng Lingiie's rheological mechanism. The ratio ofoptimum rheological properties of high-concentration slurry was obtained.Keywords: jet coal; particle size distribution; high concentration coal water slurry; rheological model formulas作为一种煤基流体燃料,水煤浆的流变性能直接影响到其煤颗粒大小及粒度分布,添加剂的种类和用量,浆液pH值配制、储存、管道输送以及雾化燃烧等重要工艺过程,因此研及温度等-3。其中颗粒粒度分布是决定水煤浆制备浓度究水煤浆的流变性能对水煤浆的工业应用具有重要意义。及流变特性的主要因素,也是目前制备高浓度水煤浆急需水煤浆流变性能包括其流变属性、流变参数和触变性。解决的关键问题之一。以往的研究发现,采用粒度分布模理想的水煤浆流型呈屈服假塑性,且具有适宜的触变性。型对制备煤粉的粒度分布进行评估,通过级配改善煤粉影响水煤浆流变性能的主要因素有煤种和煤质,固相含量,粒度分布与模型的差距,可增加煤粉的填充效率以提高其收稿日期:2014-10-22基金项目:国家自然科学基金面上项目(51274208)作者简介:孙南翔(1987-),女,安徽淮北人,博士研究生,研究方向为洁净煤技术,E-ml:qiankaqic@163.com。引用格式:孙南翔,徐志强,等.颗粒分布对高浓度水煤浆流变性能的影响[J].煤炭工程,2015,47(3)122015年第3期煤炭工程研究探讨成浆性。粒度级配的变化不仅影响其成浆性,同时影响其流动性和稳定性681。(1)为进一步探讨颗粒分布对高浓度水煤浆流变性能的影其中,ω为小于该尺寸颗粒的累积质量分数,%;dn响,本文通过改变级配研究不同的粒度分布对高浓度水煤为粒群中最小的颗粒尺寸,mm;d为最大的颗粒尺寸,浆所产生的不同流变模型的影响,分析流变模型变化的原mm;d为粒群范围内任一颗粒尺寸,mm;n为模型参数,因,寻求制备低粘度高浓度水煤浆的最优级配方案。Dinger模型给出的能够达到最大堆积密度的n值为0.37。三种原料煤粉CS、FS和UFS的实测粒度分布与Dng1级配优化实验模型计算值的差异如图1所示。FS和UFS粒度分布与模型1.1样品的选择理论值相差较小,但由于该两种煤粉粒度分布太窄,不适实验选用煤样为陕西长焰煤,其工业分析和元素分析合单独制浆。CS粒度分布较宽,但实测粒度分布与模型理数据见表1。长焰煤的煤质特点是高水分、高氧含量,可磨论值相差较大性指数小,属难成浆煤种,但其挥发分高,反应活性强若能将低阶煤制成水煤浆用于煤代油锅炉燃烧或气化,则80D607D8理想分布可扩大制浆煤种的范围。将原煤破碎至3mm左右,利用球→D1462理想分布+D607理想分布磨机进行不同时长的磨矿,得到3种不同粒度分布的煤粉因工业生产一般将选择性粗磨与超细磨机进行有机组合,通过选择性分级研磨,优化煤浆的粒度级配,提高水煤浆的浓度和研磨效率,达到提浓降耗的目的。本文为了研究粗、细颗粒对水煤浆流变性的影响,特加入超细粉以改善粒度分布。采用 OMEC LS-C(I)激光粒度仪对煤粉样品进图1煤粉样品实测粒度分布与 Dinger模型理论值对比行粒度分析,其体积平均粒径分别为81.30μm,14.62μm,6.07μm,在此将3种煤粉样品依次命名为CS( Coarse对3种煤样按照不同的配比方案混合,混合方案见表ample)、FS( Fine Sample)以及UFS(Ura- Fine Sample),3,得到级配后的粒度分布。根据 Dinger模型计算出级配后其粒度特征见表2混合煤粉的理想粒度分布,结果对比如图2所示。根据图表1陕西长焰煤的工业分析和元素分析2,粉体按不同级配混合后,粒度分布都更加接近于模型的工业分析/%元素分析/%理想粒度分布。本实验初步设计的配比方案可使粉体颗粒Ad vdu FCda Cdaf Hduf Nda S, da O形成更为有效的堆积结构,在一定的空间里容纳更多的固1.17364163.5981.254.781.020.312.62相颗粒表2不同煤粉样品的粒度分布煤样d10D[4, 3] dmax合煤粉理想分布Cs13.6567.52177.2681.302300.5FS2.5211.5333.6714.621000.2UFS1.224.7313.736.070.131.2实验方法对3种煤样按照不同的配比方案混合,然后添加定量粒径/m的水和添加剂(KY33号复合药剂,萘磺酸盐聚合物为主要图2煤粉样品级配后粒度分布与 Dinger模型理论值对比分散成分)进行制浆实验。利用 Sartorius ma35快速水分仪测定水煤浆的浓度,采用22颗粒级配对水煤浆流变学行为的影响NXS-11A旋转黏度计对水煤浆进行粘度和流变性能测试。2.2.1模型拟合随着级配所得的细颗粒的增多,水煤浆的流变类型发2结果与讨论生变化,呈现出不同流变模型:屈服假塑、宾汉和胀塑。2.1级配前后煤粉的粒度分布变化用于研究其流变性能的流体模型如下颗粒粒度分布是影响颗粒空间堆积效率的一个重要因Bingham模型认为:剪应力r超过临界值τ后浆体开素。通常,由粒度分布较宽的粉体制备的浆体要比粒度分始流动,且剪切速率随应力增量(r-7。)呈线性增长:布较窄的粉体制备的浆体粘度低。Funk和 Dinger提出了理T To +uy(2)想颗粒的分布函数式中,r为剪切应力,Pa;y剪切速率,s;τ为屈23研究探讨煤炭工程2015年第3期应力,Pa;μ为塑性粘度,Pa·soHehd-.B模型(或广义Bmgm方程)认为剪s:m应力r超过临界值o后浆体才开始流动,且剪切速率随应82000力增量(τ-τ)呈幂律增加:1400820T= To my80100式中,m为稠度系数,Pa·s";n为流变行为指数。从剪切速度/s剪切速度上式可以看出,当n=1时,流体表现为宾汉流变行为;2600n<1时,流体表现为剪切变稀,称为假塑性流体;当n>时,流体呈现剪切变稠流变行为,称为胀塑性流体。120利用式(2)和(3)对实验曲线进行拟合,拟合结果见表318003。表3中的回归方程拟合相关系数均在0999以上,说明拟合的回归方程和实测曲线有良好的相关性。剪切速度/s1剪切速度/s1表3不同颗粒级配下水煤浆流变模型拟合方程(d)配比方案浓度相关系1400613m1800拟合方程1700CS: FS: UFS /%o数R28:2:0483r=1.6261+2.8774y0.9941T=3.2l147+1.82268y0.9995套4007:2:164T=1.822l+1.3607y0.99917:1:264.8T=1.003+1.184y0.999747:0:365.16T=0.1177+1.05790.99959剪切速度/s剪切速度/s6:3:164.65r=0.8913+1.2803y100.999图3不同级配水煤浆的流变性曲线6:2:264.59r=1.1167+0.9071y10.9991T=1.1616+0.9219速度随解构程度而增大,故体系在流动中可达到一个平衡注:药剂量为1.1%。稳定态,表观粘度随剪切速率的增大先降低后趋于稳定。由图3(e)和(f)可知,当级配变为6:3:1,6:2:2和2.2.2水煤浆的流型6:1:3,浆体细颗粒含量进一步增多时,浆体流型转变为胀不同级配水煤浆的流变性曲线如图3所示,由图3(a)塑型。对于其剪切增稠特性,目前主要存在两种流变机理(b)可见,当级配为8:2:0,水煤浆呈现屈服假塑性流对此做出了较好的解释。一种由 Other提出:浓度较高型,其表观粘度随剪切速率的增大而减小。这种剪切稀化时颗粒间已经达到较为密实的堆积,在外力剪切作用下颗的性质是由于浆体中粗颗粒含量多,颗粒度较大,粒群在粒间的相对滑动会增加颗粒层间距离,导致动量在垂直于浆体中较易分散。分散剂分子在煤颗粒表面上定向吸附,剪切方向上进行传递,使浆体表现出胀塑性。另一种机理形成具有一定厚度的水化膜,而煤粒之间形成相对稳定的由 Hoffman提出:当外力剪切超过一定速率时,部分颗粒三维空间结构,未被吸附、未参与形成紧密水化膜的自由会从原有的颗粒层中分离出来,导致原有的有序流动向无水分布在这种三维结构的空隙中。当外力剪切浆体时,煤序流动转变,并以粘度增加的形式表现出来。粒间靠分子间相互作用和空间位阻效应等形成的三维结构2.3级配效果很易被破坏,其结构空隙中的自由水立即被释放出来,形不同级配的水煤浆的表观粘度变化如图4所示。当粗成一个以自由水为连续相的分散体系,使颗粒间的运动阻颗粒CS比例为70%时,随着中细颗粒FS比例的减少和极力明显减小,表现出表观粘度的显著降低,且剪切速率越细颗粒UFS比例的增大,水煤浆的粘度逐步降低。但当CS大,结构破坏越明显,释放的自由水越多,表观粘度越低。比例为60%,随着中细颗粒FS比例的减少和极细颗粒UFS由图3(c)和(d)可知,当级配为7:3:0,7:2:1,比例的增大,水煤浆的粘度反而逐步增大。7:l:2,7:0:3和6:4:0时,水煤浆流型均呈现 Bingham型。当粗颗粒CS比例为70%时,随着细颗粒FS比例的减水煤浆存在一定的屈服应力值,但在超过引起流动所需的少和极细颗粒UFS比例的增大,极细颗粒UFS加入后填充剪切应力的作用下,剪切速率和剪切应力成正比关系,表到粗和细颗粒间形成的空隙中,从而使颗粒间隙体积份额观粘度达到粘度平台。屈服应力的存在是因为在一定的浓相应减小,颗粒体系得到更加紧密的堆积效果,水煤浆中度条件下,煤粒间的吸引力使体系形成了疏松而有弹性的的有效流动相份额增大,故浆体粘度降低,流动性变好。絮凝结构。浆体必须在外力的作用下发生一定程度的解构但当CS比例为60%,随着细颗粒FS比例的减少和极才能发生流动变形。且当浆体开始流动后,颗粒间存在的细颗粒UFS比例的增大,水煤浆的粘度反而逐步增大。这吸引力使浆体絮凝结构的拆散和重组同时发生。由于重组说明此阶段水煤浆中细粉含量过高,虽然此时一部分细粉1242015年第3期煤炭工程研究探讨稠化行为转变,依次呈现出屈服假塑型、 Bingham型和胀流型三种流型。3)通过调节级配方案,在粗颗粒中加入细颗粒降低了水煤浆的表观粘度并改善了其流变性能。但过量的细颗粒3000会造成水煤浆流型变为胀塑型且表观粘度升高,故说明水煤浆中粗细颗粒分布存在最佳比例参考文献:102030405060708090100110剪切速率[1]代淑兰,陈良勇,代少辉.水煤浆的流变特性研究进展图4不同级配水煤浆的表观粘度曲线[J].锅炉技术,2010(3):76-80[2]王卫东,徐志强,崇立芹.印染退浆废水制备水煤浆的实验可以充填到大煤粉颗粒之间形成的空隙中去,使混合的粗研究[刀].中国矿业大学学报,2012,41(5):488-492细颗粒之间得到紧密堆积,但充填后所剩的细粉只能“被3]吴国光,李建亮,孟献梁,等.煤岩组成与水煤浆成浆性能迫”填充到有效流动相区域,使有效流动相浓度增加,粘的关系研究[J].中国矿业大学学报,2009(2):209度增大,导致水煤浆整体流动性的恶化。213当级配为7:1:2时,水煤浆流型为宾汉型,剪切速率4]王俊哲,王渝岗,方刚,等.基于Afed模型提高神府煤为100/s时表观粘度小于1200mPa·s。因此,在该实验条水煤浆成浆性[J].煤炭科学技术,2013,41(12):117-件下,7:1:2级配混合煤粉体系制得的水煤浆具有最优的流119变性能。[5]高志芳.粒度分布对提质褐煤水煤浆性能影响的研究[刀]选煤技术,2009(1):1-5结论[6]朱雪丹.粒度级配对神府煤成浆性能的影响[冂]洁净煤1)通过调节粗细媒粉配比,在粒度分布较宽的粗颗粒(7]段清兵、粒度级配对新疆低阶煤成浆性影响的研究[中加入粒度分布较窄的细颗粒,使混合粉体的粒度分布更煤化工,2014(3):35-38接近于 Dinger理论模型,利用小颗粒来填充大颗粒间的空[8]赵世永,张晋陶粒度配比对神府煤水煤浆稳定性的影响隙以提高固相颗粒堆积效率。[冂].煤炭工程,2006(12):88-%02)随着级配方案中细颗粒的增加,水煤浆逐渐向剪切(责任编辑杨蛟洋)(上接第121页)2)随充气量增加,气泡基本呈线性增加,线性斜率受2004,273(1):271-277起泡剂浓度影响。起泡剂浓度低时,气泡粒度随充气量增[6 Laskowski J, THone T, Williams P, et al. Fundamental Prop-加而迅速增加,随着起泡剂浓度增加,气泡粒度增加幅度erties of the Polyoxypropylene Alkyl Ether Flotation Frothers还渐减小。[J]. Intemational Joumal of Mineral Processing, 2003, 723)气泡群 Sauter直径相同时,气泡粒度分布并不完全(1):289-299相同,而是受起泡剂种类与浓度、以及充气量的综合影响。[7] EH GIRGIN, S DO, CO GOMEZ, et al. Bubble Size as aFunction of Impeller Speed in a Self-aeration Laboratory Flota参考文献:tion Cell [J]. Minerals Engineering, 2006, 19(2): 201[1]解维伟,贺效威,曹国强,等.乌海肥煤乳化浮选降灰试[8] RA GRAU, K HEISKANEN. Bubble size distribution in La验研究[门].煤炭工程,2014,46(10):202-204boratory Scale Flotation Cells [J]. Minerals Engineering[2]李吉辉,马力强,成功,等.煤泥浮选调浆技术与设备2005,18(12):1164-1172.研究进展[J].煤炭工程,2014,46(9):109-11l,l15[9] Rodrigues R, Rubio J. New Basis for Measuring the Size Dis[3]梁龙,彭耀丽,谭佳琨,等.高灰细泥对煤炭分级浮选tribution of Bubbles [J]. Minerals Engineering, 2003, 16的影响研究[J].煤炭工程,2014,46(6):12l-124(8):757-765[4] Weixing WANG, Zhiang ZHOU, K NANDAKUMAR, et alAttachment of Individual Particles to a Stationary Air Bubble i [10] RA GRAU, K HEISKANEN. 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