超声辐照强化水煤浆性能的试验研究

★加工转化★超声辐照强化水煤浆性能的试验研究崔广文朱书全威家伟吴晓华赵银荣(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京,100083)摘要选用大同、双鸭山、新汶、开滦煤样,采用湿法磨矿制取试验用水煤浆,考察超声辐照对水煤浆性能的影响,同时对超声辐照强化水煤浆性能的作用机理进行了探讨。试验结果表明,经过超声辐照处理后的水煤浆,不仅降低了粘度,而且提高了稳定性。关键词超声辐照水煤浆粘度稳定性超声波是频率范围在20~10MHz的声波。近程。足够强度的超声波通过液体时,当在声波负压几年超声波在各领域的应用研究中都取得重大成半周期时,如果声压幅值超过液体内部静压强,存在果,对水煤浆进行超声辐照强化处理是一项新的煤于液体中的微小气泡就会迅速增大,在相继而来的浆制备技术。试验研究结果表明:超声辐照可声波正压周期中气泡又绝热压缩而崩溃,在崩溃瞬使浆体的流变性能显著改善(在一定条件下可使呈间产生极短暂的强压力脉冲,气泡中间会产生接近胀塑性的煤浆浆体转变为屈服假塑性),并能大幅度500K的高温压力超过50MPa,气泡与水界面处提高煤浆的稳定性(静态稳定性由几小时提高到20温度也可达200X,持续几秒后,热点随之冷却,并天甚至1个月左右)。这种试验主要针对干法制浆伴有强烈的冲击波和速度高达110m/s的微射流。的研究,而实际生产过程大多采用湿法制浆工艺,因冲击波和微射流作用会在界面之间形成强烈的机械此,本文将介绍对湿法制浆的水煤浆进行超声辐照搅拌效应,而且这种效应可以突破层流边界层的限的试验,考察煤浆性质的变化规律。制,强化界面间的理化效应1超声波作用机理2试验研究物理学的研究结果表明:超声波能量与物质之2.1煤样与添加剂的选择间的作用机理主要依靠其空化现象,这是声能能试验用煤选用双鸭山煤、大同煤、山东新汶煤、量与物质间的一种独特作用形式。超声空化现象是开滦煤4种,主要考虑目前该4种煤是水煤浆厂选指在超声场作用下液体内部产生的空穴或含有的杂用较多的煤种。4种煤的煤质分析见表1。分散剂质和小气泡的震动膨胀、压缩和崩溃闭合的过程。选用中国矿业大学(北京)化环学院研制的ky-33,超声空化过程就是集中声场能量并迅速释放的过该药剂目前在各浆厂使用效果反映较好表1制浆煤样的煤质分析元素分析/%煤样名称工业分析/%HGI双鸭山2.7110.168.770.3346.28848.371.13大同3.6610.410.5749.111.766.67040.1610.5633.5368.784.161.462.2水煤浆制备试验设备采用中国矿业大学(北京)自制的球磨机,考虑水煤浆实际生产工艺状况,采用湿法制浆双鸭山煤、大同煤分散剂添加量为0.5%,磨矿时间超声辐照强化水煤浆性能的试验研究57为50min。双鸭山煤水煤浆浓度为65.36%,大同煤(英国马尔文仪器公司)。水煤浆浓度为65.90%。新汶煤、开滦煤分散剂添(2)水煤浆粘度测试:NXS-11A型旋转粘度加量为0.4%,磨矿时间为45mn。新汶煤水煤浆浓计(成都仪器厂度为67.61%,唐山煤水煤浆浓度为70.18%。(3)水煤浆稳定性测试:以煤浆底层产生难以恢2.3试验条件及测试方法复的硬沉淀为判定标准辐照用超声波仪JY92-ⅡS超声波细胞粉碎机(4)水煤浆浓度测试:用称量瓶称取定量的煤(宁波荣顺科技仪器厂),频率20kHz超声波仪输人浆,在恒温干燥箱中110℃条件下干燥2h,测定水煤功率为0~500W。根据试验结果的反复探讨,超声波浆浓度。输入功率选取300W,超声波辐照时间分别为1、2、3、3结果与讨论4、5min。将变幅杆插入水煤浆浆体进行超声辐照处理,注意每次插入深度相同,煤浆处理量100ml。表2为超声波辐照前后水煤浆性能变化情况。(1)水煤浆粒度测试:马尔文激光粒度测试仪根据表2的数据可绘制出图1~图4所示曲线°表2超声波辐照处理后水煤浆性能的变化煤样编号辐照时d(0.5)(0.1)d(0.9)比表面积粘度稳定性/pm/m2·g1/(MPa:s)209.130.32881471.89154.880.38301304.84大36.51127.500.40861224.04D29s3333.253.30131.730.42461233.21345012113.320.43271425.5629.82103.870.44921719.456l.345.83216.490.28721060.5348.88178.180.3198670.22双鸭山47.314.98193.030.3235684.9234456.5512445.57171.570.3317724.7944.82173.540.3355940.50S5544.144.62164.640.34061038.490.50481091.840.5084225.952.56103.430.51631020.3530,5248K424.55918.81K522.022.4278.910.55901091.841382.870.4712920.702227.332.890.4716890.7126.492.9182.320.4743837.6322.6074.880.513931超声辐照前后煤浆中煤粒粒度及比表面积的浆,煤粒粒度及比表面积随超声时间变化较为平缓变亻3.2超声輻照前后煤浆粘度与稳定性的变化从表2及图1、图2可明显看出,超声辐照前从图4、图5可看出,煤浆粘度及稳定性随着超后,煤浆中煤粒的粒度组成、平均粒径、比表面积均声辐照时间不同而发生变化,不同煤制成的水煤浆,发生了变化,说明超声空化对煤浆中的煤粒具有粉在相同超声波辐照条件下,表现出不同的变化。大碎作用。对不同煤质、不同粒度组成的煤制备的水同煤浆在超声辐照1~3min时粘度下降,2min左右煤浆及不同浓度的水煤浆,超声空化对煤粒的粉碎粘度降幅最大,3min后煤浆粘度又呈上升趋势;双作用效果不同。浓度较低、平均粒度较粗的大同煤鸭山煤浆在超声辐照1~3min时粘度下降,1min左浆和双鸭山煤浆,超声波粉碎作用较为明显;而浓度右粘度降幅最大,3min后呈上升趋势;开滦煤浆在相对较髙、平均粒径相对较细的开滦煤浆和新汶煤超声辐照1~4min时粘度下降,4min左右粘度降幅中国煤炭第31卷第1期2005年1月最大,之后粘度又呈上升趋势;新汶煤浆在1~41与分散剂间作用更加充分,强化了水煤浆添加剂的时粘度下降,3min左右粘度最低,4min之后粘度稍作用效果;超声空化作用过程中,瞬间的高温、高压呈上升趋势。水煤浆稳定性随着超声辐照时间增长能使煤粒表面的水化膜发生根本变化,从而改变了而增加,特别是超声辐照4min后,煤浆稳定性增加水煤浆的性能;不同煤质的煤制得的水煤浆,超声辐幅度加大。随超声时间增加,双鸭山煤浆及开滦煤照影响效果不同,说明超声波被不同矿物质吸收的浆稳定性增幅较大,而大同煤浆新汶煤浆稳定性相效果不同,对不同煤制得的水煤浆所采用超声辐照对增幅较小。的参数(时间、输入功率、频率)应不同;不同变质程度的煤制得的水煤浆,超声波辐照效果不同,说明超声波对煤表面含氧官能团及煤粒孔隙度的影响较大磷00000卫世似一超声辐照时间/min◆大同一双鸭山一开滦新汶图1煤粒粒度与超声辐照时间关系曲线1.0大超声辐照时间/双鸭山开藻一新汶百0.5图4煤浆稳定性与超声辐照时间关系曲线4结论(1)超声辐照使湿法制浆水煤浆的性能发生了超声辐照时间/mm改变,在一定辐照时间范围内,煤浆粘度有所降低,◆大同一双鸭山亠开藻稳定性有所提高。但随着超声辐照时间增长,煤浆图2煤粒比表面积与超声辐照时间关系曲线粘度会逐步提高(2)不同煤质煤制得的水煤浆,超声波作用效果不同。1800(3)超声幅照强化水煤浆性能,是超声空化现象1600产生的作用,具体超声空化哪种作用效应最大,对不1200同煤浆超声波作用有何规律,还需做进一步研究。(4)超声辐照强化水煤浆性能用于水煤浆生产,不仅简化水煤浆制浆工艺,而且还会降低水煤浆生产的成本。超声辐照时间/min大同一双鸭山开滦一新汶参考文1李永昕,超声辐照对水煤浆浆体各性质的影响规律图3煤浆粘度与超声辐照时间关系曲线及其作用机理研究[D.中科院山西煤化所3.3超声輻照强化水煤浆性能的机理初探2李永昕,吉文欣.超声辐照前后水煤浆浆体的动电根据上面的试验结果及分析,超声辐照强化水势变化研究[J].燃料化学学报,2002,(6)煤浆性能有以下原因:超声波空化对煤粒的具有粉3 Suslick K S. Ultrasonics, 1990, 28(5): 279碎作用,能使煤浆中煤粒级配更趋于合理,超声辐照胡军,康文泽,超声波在矿物加工中的应用与研究既降低了水煤浆的粘度,同时又提高了水煤浆浆体进展[J中国煤炭,200,(3)的稳定性;超声对煤浆浆体的强分散作用,使得煤粒(责任编辑康淑云)超声辐照强化水煤浆性能的试验研究