煤孔結構特性對水煤漿性質(zhì)的影響分析

第34卷第1期燃料化學(xué)學(xué)報Vol 34 No. I2006年2月Journal of Fuel Chemistry and TechnolFeb.2006文章編號:0253-24092006)01-00050煤孔結構特性對水煤漿性質(zhì)的影響分析尉遲唯,李保慶,李文,陳皓侃〔中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉化國家重點(diǎn)實(shí)驗室,山西太原0300)摘要:通過(guò)三種不同的方泫CO2吸附法、N2吸附法和壓汞法〕測試了不同變質(zhì)程度煤的孔結構性質(zhì)分析了煤的孔結構特性與水煤漿性質(zhì)之間的關(guān)系。結果表明煤的孔結構特性對水煤漿性質(zhì)的影響較為復雜主要是煤的大孔結構對煤漿成漿性的影響。在相近的孔體積和孔徑分布下煤的成漿性差別較大?？捉Y構特性本身作為一個(gè)獨立的因素不能完全體現岀對水煤漿性質(zhì)旳影響程度與煤的表面性質(zhì)如含氧官能團性質(zhì)、煤表面的疏水性以及煤的吸水性等密切相關(guān)共同影響著(zhù)水煤漿的性質(zhì)。關(guān)鍵詞:孔結構;水煤漿;煤的表面性質(zhì)中圖分類(lèi)號:TQ530文獻標識碼:AEffect of pore structure on the properties of coal water slurryYUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kanState Key Laboratory of Coal Comversion, Institute of Coal Chemistry Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China)Abstract: Pore structure of Chinese coals with various ranks was characterized with three analytical methodscarbon dioxide adsorption, nitrogen adsorption, mercury method ) and its effect on the properties of coal waterslurry( CWs ) was discussed. The results indicate that there is less correlativity between the pore structure andthe properties of CWS. Different slurryabilities of CWs are found for coals with similar pore volume and poresize distributions. The properties of Cws is dependent on not only coal pore structures itself but also the surfacefeatures of physical chemistry such as the content of oxygen-containing functional groups coal-water contact angle and the moisture-holding capacity of coalKey words: coal pore structure coal water slurry surface properties of coal煤是一種復雜的多孔性固體根據煤分子結構系進(jìn)行了較全面的研究。特征煤的基本結構單元是由芳環(huán)或氫化芳環(huán)組成,1實(shí)驗方法并通過(guò)橋鍵在三維空間排列形成具有豐富空隙度的1.1煤種的選擇選擇了中國不同地區、不同變質(zhì)空間結構。這些孔可分為大孔、中孔和微孔大孔可至微米級小孔可小至氦都不能進(jìn)入。研究者認程度的煤其水煤漿的制備及煤漿的性質(zhì)見(jiàn)文輔5為12煤的孔結構性質(zhì)對煤的成漿性有著(zhù)重要影1.2煤的孔結構測試響。吳家珊等用N,吸附法測定了三個(gè)煤樣的比1.2.1微孔體積法在78℃用 MODEL ST03表表面積和孔體積認為對水煤漿性質(zhì)起主要作用的面吸附儀,以CO2氣氛測定煤的比表面積及孔體的性質(zhì)無(wú)相關(guān)性而對孔徑大于30m的作用未進(jìn)② Polanyi-Dubinin(PD)方是孔半徑在2.0m~30m的中孔微孔與水煤漿行研究。孫成功等3則認為煤的成漿性主要取決1.2.2N,等溫吸附法樣品60℃真空干燥3h于煤的孔體積和煤水接觸角余弦值的乘積。以往關(guān)然后在室溫1.3Pa下預處理5.0h~6.0h,利用于煤孔結構與煤成漿性的關(guān)聯(lián)都是建立在單一手段ASAP000吸附儀在氮氣氣氛、77K采用BET法測定煤的孔分布對煤孔結構的分析基礎上本文在前期工作的基礎1.2.3壓汞法樣品預先在60℃真空干燥72h,上3用三種方法即CO2吸附法DP方程入N2吸用 Autoscan60 Mercury porosimeter i型壓汞儀測定煤附法BET容量法)和壓汞法分析了不同煤種的的孔結構分布測定條件為表面張力0.48N/m汞孔結構特性對煤的孔結構特性與水煤漿性質(zhì)間關(guān)在煤表面的接觸角140°壓力400mPa收稿日期:2005404408;修回日期:2005-10-12。6燃料化學(xué)學(xué)報第34卷2結果和討論質(zhì)的影響回歸結果如下2.1煤的孔體積與比表面積對水煤漿性質(zhì)的影響煤的孔體積對水煤漿性質(zhì)的影響三種不同方法測試的煤比表面積及孔體積結果見(jiàn)表成漿性1。由表1可以看出不同變質(zhì)程度煤的孔體積和比回歸方程表面積差別較大,般煤的孔體積分布以大孔為主。C=78.08+30.4ω2]-365.6]47.7%tm]多元線(xiàn)性回歸是研究一個(gè)因變量與多個(gè)自變量之間復相關(guān)系數R=0.735的相關(guān)關(guān)系因此根據不同的測試分析結果以水平均標準偏差S=2.91煤漿的成漿性、流變性、穩定性為因變量以不同方偏相關(guān)系數法所測試的煤孔體積和比表面積為自變量利用多Ro2=0.490Rx2=O.760Rmg=0.897元線(xiàn)性回歸方法分析了煤的孔結構特性對水煤漿性表1不同方法測試的煤比表面積及孔體積Table 1 The surface area and pore volume of different coals measured by different methodsCO, adsorptionNitrogen adsorptionMercury methodA/m gmle/ml gA//ml gHM0.012534.300.16640.0283CCH33.10.0160.006725.520.18630.0200.00660.154326.270.0901DSH74.30.03448.430.1238HH0.0210.0069XH0.0180.008415.930.1635100.024706190.0160.00490.08280.01370.0413YZH0.0074B0.0080.860.00290.1126HN32.60.0141.490.00750.103816XW27.60.0122.100.01100.134537.50.0161.570.00740.10230.0104.530.014621.510.091934.00.0140.00990.160213.20.001117.730.054850.50.2102.350.011014.047.60.0220.580.001914.680.0558ZB2.310.0103YQ57.00.0220.004322.160.1021B JH cumulative desorption pore volume of pores diameter between 1. 7 nm and 3000 nm流變性回歸方程回歸方程=0.93-12.4tco,]+5.14UN,]+100.8t12+1.1tco,]-10.5兀tN,]3.42tm2]復相關(guān)系數R=0.451復相關(guān)系數R=0.569平均標準偏差S=7.65平均標準偏差S=0.23偏相關(guān)系數偏相關(guān)系數Rco,=0.087R,=0.0062R=0.852式中煤漿成漿性(%);揲煤漿穩定尉遲唯等:煤孔結構特性對水煤漿性質(zhì)的影響分析吸附法所測孔體積;m。壓汞法所測孔體積。復相關(guān)系數R=0.0849煤的比表面積對水煤漿性質(zhì)的影響平均標準偏差S=8.54成漿性偏相關(guān)系數回歸方程Rco2=0.246Rx2=0.119Rag=0.0675C=73.46+0.I[Ac,]0.29A,]0.3Am]式中:Ac,:O2吸附法所測表面積,N2吸附法復相關(guān)系數R=0.751所測表面積;A}。壓汞法所測表面積。平均標準偏差S=2.83由回歸結果可以看出水煤漿的成漿性與煤的偏相關(guān)系數孔體積和比表面積之間有一定的相關(guān)性而穩定性Rco2=0.844Rx2=0.339Rmg=0.928和流變性與煤的孔體積和比表面積之間的回歸效果流變性較差并且主要是大孔體積和表面積對煤成漿性質(zhì)回歸方程的影響。因此煤孔結構本身作為一個(gè)獨立的因素不N=0.93+0.0045Aω]0.002匯A]o.00A]能完全體現出對水煤漿性質(zhì)的影響程度。復相關(guān)系數R=0.2732.2煤的孔徑分布對水煤漿性質(zhì)的影響平均標準偏差S=0.272.2.1氮氣等溫吸附法測定孔分布特性對水煤漿偏相關(guān)系數性質(zhì)的影響圖1(a)~圖I(c)是氮氣吸附法測得Rco,=0.550Rx,=0.0349R1=0.456煤的BJH孔徑分布曲線(xiàn)。表示煤表面疏水性性質(zhì)穩定性的含氧官能團(-COOH、OH)煤水接觸角θ)和表回歸方程示煤吸水性性質(zhì)的煤最高內在水分(MHC)的分析0=12450.05Aa23]+0.29A]0.02tAh1]以及煤漿濃度Con.)表20.01200800080006-4-HB-MYKF-DT00040.004004002E00000000Pore diameter d/nmPore diameter d/nmPore diameter d/nm圖1BET法測試的BJH孔分布Figure 1 Pore size distribution of different coals by desorption表2煤性質(zhì)分析布均集中在3mm~5mm和60nm~80mm且孔體積Table 2 Analysis of coal properties較小。從表2中的數據可知這3種煤均具有較高Sample -COOHMHC Con的疏水性和較低的吸水性煤的成漿性均在72%以0002.872.320.272.373.66上。圖1(b)表2中的數據表明3種煤具有相似0.0l2.的孔徑分布平均孔徑均在3m~5mm且均具有較SH0.151.18010.760.49高的孔體積、較低的疏水性和較高的吸水性煤的成12.漿性均低于65%。而在圖1(c)中在相近的孔體0.040.596.163.950.143.1112.665.25積和孔徑分布下煤的成漿性有較大的差別。CCHMYK0.040.27煤的濃度僅為65.25%這是因為其較低的疏水性和00.13982.5609較高的吸水性洏ST煤的濃度達到76.09%兩個(gè)HB0.010.224.82煤漿的濃度相差達10%這是由于S煤具有較高不同變質(zhì)程度煤的表面性質(zhì)有很大差異由于的疏水性和較低的吸水性。一般較小的總孔體積煤的最高內在水分(MHC)大約等于相對濕度96%具有較高的成漿性并且與煤的表面性質(zhì)密切相關(guān)。下煤在水中的吸水量6。因此用煤的MHC表示2.2.2壓汞法測定孔分布特性對水煤漿性質(zhì)的影燃料化學(xué)學(xué)報第34卷〔c)。含氧官能郾(-COOH、-OH煤水接觸角θ)大孔體積較多且具有較低的疏水性和較高的吸水和煤最高內在水分〔MHC)的分析以及煤漿濃度性煤漿濃度較低。在圖2(b)中3種煤的孔體積〔Con.)見(jiàn)表3。與氮氣等溫吸附法測定的孔徑分布較小大孔孔徑分布相似,且煤的吸水性較低、疏水特性對水煤漿性質(zhì)的影響具有相似的結果。由圖2性較高煤漿均具有較高的濃度。圖α(c)中3種煤a)中可以看出3個(gè)煤樣中ST、邗B煤含有較少的具有相近的孔體積和相似的大孔孔徑分布由于煤大孔結構且具有較髙的疏水性和較低的吸水性煤吸水性和疏水性的不同煤漿濃度相差5%以上。的成漿濃度較高可達72.82%及76.09%。而B(niǎo)S的B2x∞·D-FF一CCH040010I000100Radius d/nmRadius dinm圖2壓汞法測試的孔徑分布Figure 2 pore radius distributions of different coals表3煤性質(zhì)分析水分的存在影響煤的加工利用。此外水分也反映了Table 3 Analysis of coal properties煤孔結構的變化。從圖3可以看出隨著(zhù)不同測試ample - -OH 0 MHC Con方法所測比表面積和最高內在水分乘積的增大煤WI0.020.6260.05,869,63的成漿性呈指數降低。XHY0.030.4670.26.770.3Ka等21認為如果氧的質(zhì)量分數分布均勻且0.030.64113.04.168.60含氧官能團隨氧的質(zhì)量分數的增加而增加,則親水SG.00.09102.72.675:47基團的數量與壓汞法所測得的比表面積和元素分析煤是多孔性固體或多或少含有水分其含量和氧的質(zhì)量分數的乘積成正比。從不同變質(zhì)程度煤的存在狀態(tài)與煤的內部結構和外界條件密切相關(guān)而分析結果來(lái)看煤中含氧官能團隨著(zhù)氧的質(zhì)量分數170e75Y-1.93e0Y=6307+14.70e0xR2-0.,742R=0.686200400501001502002503004o×MCXMHC44×MHC圖3煤的成漿性與煤的比表面積和最高內在水分乘積的關(guān)系Figure 3 Relation between the slurryability of CWS and the product of the surface area with MHC10y=1807-16.l1l.39xy20.161573e6Y=18.091576e14XR2=0,780R2=0.851R=0.7460406Total acid group m/mmol.godpoHm/mmol‘g圖4煤中含氧官能團與氧的質(zhì)量分數的關(guān)系尉遲唯等:煤孔結構特性對水煤漿性質(zhì)的影響分析195+3.l9X18l+0.0l6xR0.777R=0.86800.51.01.52.0253.03.5圖5。x、t?！罙n與煤最高內在水分的關(guān)系Figure 5 Relation of the wo X tHeY wo x AHg and the MHC of ce的增加而增加如圖4所示這表明煤的親水性主要3結語(yǔ)取決于表面親水基團的數目。煤的孔結構對水煤漿性質(zhì)的影響較為復雜水此外在所研究的不同變質(zhì)程度的煤中最高內煤漿的成漿性與煤的總孔體積和比表面積相關(guān)煤在水分與煤中氧的質(zhì)量分數和壓汞法所測孔體積的的孔結構本身作為一個(gè)獨立的因素不能完全體現出乘積xm以及煤中氧的質(zhì)量分數和壓汞法所測對水煤漿性質(zhì)的影響程度而是與煤的表面性質(zhì)如比表面積的乘積oAm均具有較好的線(xiàn)性關(guān)系見(jiàn)含氧官能團性質(zhì)煤表面的疏水性以及煤的吸水性圖等密切相關(guān)共同影響著(zhù)水煤漿的性質(zhì)。參考文獻[Ⅰ]吳家珊,宋永瑋,張春愛(ài),李新生,王祖侗.煤的性質(zhì)對水煤漿特性的影吣J]燃料化學(xué)學(xué)報.1987,Iξ4):298-304(wU Jia-shan, SONG Yong-wei, ZHANG Chun-ai, LI Xin-sheng, WANG Zu-tong. The properties of coal and their effect on the behavior ofcoal water slurry[ J ] Journal of Fuel Chemistry and Technology, 1987, 15(4 )298-304.)[2] KAI R, MURANAKA Y, OTSUKA K, HISHINUMA Y. Water absorption by coals: effects of pore structure and surface oxygen J ] Fuel1986,65(2):288-291[3]孫成功,李保慶,尉遲唯,煤的孔結構對水煤漿性質(zhì)的影J]燃料化學(xué)學(xué)報.1996,245):434439C SUN Cheng-gong, LI Bao-qing, YUCHI Wei. Characterization of pore size distributions and slurryability of coa[ J ] Journal of Fuel Chemistry and Technology, 1996, 245 ): 434439[4]尉遲唯,李保慶,李文,王志忠.混合煤制漿對水煤漿性質(zhì)的影響J]燃料化學(xué)學(xué)報,2004,3x(1):31-36YUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kan, WANG Zhi-zhong. Effect of blending various coals on the properties of coal waterslurry[ J ]. Journal of Fuel Chemistry and TechnologY J], 2004, 321): 31-36.[5]尉遲唯,李保慶,李文,陳皓侃.中國不同變質(zhì)程度煤制備水煤漿的性質(zhì)研究J]燃料化學(xué)學(xué)報,2005,3X2):155-160YUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kan. Study on the properties of coal water slurry prepared with different coal ranks[ J]Journal of Fuel Chemistry and Technology J], 2005, 33(2): 155-160.[6] KAJI R, MURANAKA Y, OTSUKA K, HISHINUMA Y, KAWAMURA T, MURATA M, TAKAHASHI Y, ARIKAWA Y, KIKKAWAH, LGARASHI T, HIGUCHI H. Effects of coal type surfactant and coal cleaning on the rheological properties of coal water mixture[ AProceedings 5th Inter. Symp. on Slurry Combustion and Technology. Tampa, Florida, USAL C ] Washington DC: Coal and Slurry Associa-on,1983.151