顆粒分布對高濃度水煤漿流變性能的影響

煤炭工程第47卷第3期COAL ENGINEERINGVol. 47. No. 3doi:10.11799/ce201503040顆粒分布對高濃度水煤漿流變性能的影響孫南翔2,徐志強',曲思建2,涂亞楠(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院,北京100013;3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100013)摘要:采用體積平均粒徑分別為81.30μm,14.62μm的6.07m的三種陜西長(cháng)焰煤粉以不同級配混合后制備高濃度水煤漿,利用 Dinger模型評估了級配前后煤顆粒的粒度分布,研究了不同顆粒分布對高濃度水煤漿流變性能的影響。試驗結果表明:級配優(yōu)化可使煤顆粒的實(shí)際分布更接近理論模型分布。當漿體濃度較高時(shí),隨著(zhù)漿體體系中細顆粒的增多,水煤漿流型由剪切稀化逐漸向剪切稠化轉變,依次呈現出屈服假塑型、 Bingham型和脹流型三種流型,擬合出了相應的的流變學(xué)模型,利用流變杋理解釋了漿體流型轉變的原因,得到了使水煤漿具有最優(yōu)流變性能的配比方案。關(guān)鍵詞:長(cháng)焰煤;顆粒分布;高濃度水煤漿;流變學(xué)模型中圖分類(lèi)號:TQ536文獻標識碼:A文章編號: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作為一種煤基流體燃料,水煤漿的流變性能直接影響到其煤顆粒大小及粒度分布,添加劑的種類(lèi)和用量,漿液pH值配制、儲存、管道輸送以及霧化燃燒等重要工藝過(guò)程,因此研及溫度等-3。其中顆粒粒度分布是決定水煤漿制備濃度究水煤漿的流變性能對水煤漿的工業(yè)應用具有重要意義。及流變特性的主要因素,也是目前制備高濃度水煤漿急需水煤漿流變性能包括其流變屬性、流變參數和觸變性。解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。以往的研究發(fā)現,采用粒度分布模理想的水煤漿流型呈屈服假塑性,且具有適宜的觸變性。型對制備煤粉的粒度分布進(jìn)行評估,通過(guò)級配改善煤粉影響水煤漿流變性能的主要因素有煤種和煤質(zhì),固相含量,粒度分布與模型的差距,可增加煤粉的填充效率以提高其收稿日期:2014-10-22基金項目:國家自然科學(xué)基金面上項目(51274208)作者簡(jiǎn)介:孫南翔(1987-),女,安徽淮北人,博士研究生,研究方向為潔凈煤技術(shù),E-ml:qiankaqic@163.com。引用格式:孫南翔,徐志強,等.顆粒分布對高濃度水煤漿流變性能的影響[J].煤炭工程,2015,47(3)122015年第3期煤炭工程研究探討成漿性。粒度級配的變化不僅影響其成漿性,同時(shí)影響其流動(dòng)性和穩定性681。(1)為進(jìn)一步探討顆粒分布對高濃度水煤漿流變性能的影其中,ω為小于該尺寸顆粒的累積質(zhì)量分數,%;dn響,本文通過(guò)改變級配研究不同的粒度分布對高濃度水煤為粒群中最小的顆粒尺寸,mm;d為最大的顆粒尺寸,漿所產(chǎn)生的不同流變模型的影響,分析流變模型變化的原mm;d為粒群范圍內任一顆粒尺寸,mm;n為模型參數,因,尋求制備低粘度高濃度水煤漿的最優(yōu)級配方案。Dinger模型給出的能夠達到最大堆積密度的n值為0.37。三種原料煤粉CS、FS和UFS的實(shí)測粒度分布與Dng1級配優(yōu)化實(shí)驗模型計算值的差異如圖1所示。FS和UFS粒度分布與模型1.1樣品的選擇理論值相差較小,但由于該兩種煤粉粒度分布太窄,不適實(shí)驗選用煤樣為陜西長(cháng)焰煤,其工業(yè)分析和元素分析合單獨制漿。CS粒度分布較寬,但實(shí)測粒度分布與模型理數據見(jiàn)表1。長(cháng)焰煤的煤質(zhì)特點(diǎn)是高水分、高氧含量,可磨論值相差較大性指數小,屬難成漿煤種,但其揮發(fā)分高,反應活性強若能將低階煤制成水煤漿用于煤代油鍋爐燃燒或氣化,則80D607D8理想分布可擴大制漿煤種的范圍。將原煤破碎至3mm左右,利用球→D1462理想分布+D607理想分布磨機進(jìn)行不同時(shí)長(cháng)的磨礦,得到3種不同粒度分布的煤粉因工業(yè)生產(chǎn)一般將選擇性粗磨與超細磨機進(jìn)行有機組合,通過(guò)選擇性分級研磨,優(yōu)化煤漿的粒度級配,提高水煤漿的濃度和研磨效率,達到提濃降耗的目的。本文為了研究粗、細顆粒對水煤漿流變性的影響,特加入超細粉以改善粒度分布。采用 OMEC LS-C(I)激光粒度儀對煤粉樣品進(jìn)圖1煤粉樣品實(shí)測粒度分布與 Dinger模型理論值對比行粒度分析,其體積平均粒徑分別為81.30μm,14.62μm,6.07μm,在此將3種煤粉樣品依次命名為CS( Coarse對3種煤樣按照不同的配比方案混合,混合方案見(jiàn)表ample)、FS( Fine Sample)以及UFS(Ura- Fine Sample),3,得到級配后的粒度分布。根據 Dinger模型計算出級配后其粒度特征見(jiàn)表2混合煤粉的理想粒度分布,結果對比如圖2所示。根據圖表1陜西長(cháng)焰煤的工業(yè)分析和元素分析2,粉體按不同級配混合后,粒度分布都更加接近于模型的工業(yè)分析/%元素分析/%理想粒度分布。本實(shí)驗初步設計的配比方案可使粉體顆粒Ad vdu FCda Cdaf Hduf Nda S, da O形成更為有效的堆積結構,在一定的空間里容納更多的固1.17364163.5981.254.781.020.312.62相顆粒表2不同煤粉樣品的粒度分布煤樣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實(shí)驗方法對3種煤樣按照不同的配比方案混合,然后添加定量粒徑/m的水和添加劑(KY33號復合藥劑,萘磺酸鹽聚合物為主要圖2煤粉樣品級配后粒度分布與 Dinger模型理論值對比分散成分)進(jìn)行制漿實(shí)驗。利用 Sartorius ma35快速水分儀測定水煤漿的濃度,采用22顆粒級配對水煤漿流變學(xué)行為的影響NXS-11A旋轉黏度計對水煤漿進(jìn)行粘度和流變性能測試。2.2.1模型擬合隨著(zhù)級配所得的細顆粒的增多,水煤漿的流變類(lèi)型發(fā)2結果與討論生變化,呈現出不同流變模型:屈服假塑、賓漢和脹塑。2.1級配前后煤粉的粒度分布變化用于研究其流變性能的流體模型如下顆粒粒度分布是影響顆?？臻g堆積效率的一個(gè)重要因Bingham模型認為:剪應力r超過(guò)臨界值τ后漿體開(kāi)素。通常,由粒度分布較寬的粉體制備的漿體要比粒度分始流動(dòng),且剪切速率隨應力增量(r-7。)呈線(xiàn)性增長(cháng):布較窄的粉體制備的漿體粘度低。Funk和 Dinger提出了理T To +uy(2)想顆粒的分布函數式中,r為剪切應力,Pa;y剪切速率,s;τ為屈23研究探討煤炭工程2015年第3期應力,Pa;μ為塑性粘度,Pa·soHehd-.B模型(或廣義Bmgm方程)認為剪s:m應力r超過(guò)臨界值o后漿體才開(kāi)始流動(dòng),且剪切速率隨應82000力增量(τ-τ)呈冪律增加:1400820T= To my80100式中,m為稠度系數,Pa·s";n為流變行為指數。從剪切速度/s剪切速度上式可以看出,當n=1時(shí),流體表現為賓漢流變行為;2600n<1時(shí),流體表現為剪切變稀,稱(chēng)為假塑性流體;當n>時(shí),流體呈現剪切變稠流變行為,稱(chēng)為脹塑性流體。120利用式(2)和(3)對實(shí)驗曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,擬合結果見(jiàn)表318003。表3中的回歸方程擬合相關(guān)系數均在0999以上,說(shuō)明擬合的回歸方程和實(shí)測曲線(xiàn)有良好的相關(guān)性。剪切速度/s1剪切速度/s1表3不同顆粒級配下水煤漿流變模型擬合方程(d)配比方案濃度相關(guān)系1400613m1800擬合方程1700CS: FS: UFS /%o數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圖3不同級配水煤漿的流變性曲線(xiàn)6:2:264.59r=1.1167+0.9071y10.9991T=1.1616+0.9219速度隨解構程度而增大,故體系在流動(dòng)中可達到一個(gè)平衡注:藥劑量為1.1%。穩定態(tài),表觀(guān)粘度隨剪切速率的增大先降低后趨于穩定。由圖3(e)和(f)可知,當級配變?yōu)?:3:1,6:2:2和2.2.2水煤漿的流型6:1:3,漿體細顆粒含量進(jìn)一步增多時(shí),漿體流型轉變?yōu)槊洸煌壟渌簼{的流變性曲線(xiàn)如圖3所示,由圖3(a)塑型。對于其剪切增稠特性,目前主要存在兩種流變機理(b)可見(jiàn),當級配為8:2:0,水煤漿呈現屈服假塑性流對此做出了較好的解釋。一種由 Other提出:濃度較高型,其表觀(guān)粘度隨剪切速率的增大而減小。這種剪切稀化時(shí)顆粒間已經(jīng)達到較為密實(shí)的堆積,在外力剪切作用下顆的性質(zhì)是由于漿體中粗顆粒含量多,顆粒度較大,粒群在粒間的相對滑動(dòng)會(huì )增加顆粒層間距離,導致動(dòng)量在垂直于漿體中較易分散。分散劑分子在煤顆粒表面上定向吸附,剪切方向上進(jìn)行傳遞,使漿體表現出脹塑性。另一種機理形成具有一定厚度的水化膜,而煤粒之間形成相對穩定的由 Hoffman提出:當外力剪切超過(guò)一定速率時(shí),部分顆粒三維空間結構,未被吸附、未參與形成緊密水化膜的自由會(huì )從原有的顆粒層中分離出來(lái),導致原有的有序流動(dòng)向無(wú)水分布在這種三維結構的空隙中。當外力剪切漿體時(shí),煤序流動(dòng)轉變,并以粘度增加的形式表現出來(lái)。粒間靠分子間相互作用和空間位阻效應等形成的三維結構2.3級配效果很易被破壞,其結構空隙中的自由水立即被釋放出來(lái),形不同級配的水煤漿的表觀(guān)粘度變化如圖4所示。當粗成一個(gè)以自由水為連續相的分散體系,使顆粒間的運動(dòng)阻顆粒CS比例為70%時(shí),隨著(zhù)中細顆粒FS比例的減少和極力明顯減小,表現出表觀(guān)粘度的顯著(zhù)降低,且剪切速率越細顆粒UFS比例的增大,水煤漿的粘度逐步降低。但當CS大,結構破壞越明顯,釋放的自由水越多,表觀(guān)粘度越低。比例為60%,隨著(zhù)中細顆粒FS比例的減少和極細顆粒UFS由圖3(c)和(d)可知,當級配為7:3:0,7:2:1,比例的增大,水煤漿的粘度反而逐步增大。7:l:2,7:0:3和6:4:0時(shí),水煤漿流型均呈現 Bingham型。當粗顆粒CS比例為70%時(shí),隨著(zhù)細顆粒FS比例的減水煤漿存在一定的屈服應力值,但在超過(guò)引起流動(dòng)所需的少和極細顆粒UFS比例的增大,極細顆粒UFS加入后填充剪切應力的作用下,剪切速率和剪切應力成正比關(guān)系,表到粗和細顆粒間形成的空隙中,從而使顆粒間隙體積份額觀(guān)粘度達到粘度平臺。屈服應力的存在是因為在一定的濃相應減小,顆粒體系得到更加緊密的堆積效果,水煤漿中度條件下,煤粒間的吸引力使體系形成了疏松而有彈性的的有效流動(dòng)相份額增大,故漿體粘度降低,流動(dòng)性變好。絮凝結構。漿體必須在外力的作用下發(fā)生一定程度的解構但當CS比例為60%,隨著(zhù)細顆粒FS比例的減少和極才能發(fā)生流動(dòng)變形。且當漿體開(kāi)始流動(dòng)后,顆粒間存在的細顆粒UFS比例的增大,水煤漿的粘度反而逐步增大。這吸引力使漿體絮凝結構的拆散和重組同時(shí)發(fā)生。由于重組說(shuō)明此階段水煤漿中細粉含量過(guò)高,雖然此時(shí)一部分細粉1242015年第3期煤炭工程研究探討稠化行為轉變,依次呈現出屈服假塑型、 Bingham型和脹流型三種流型。3)通過(guò)調節級配方案,在粗顆粒中加入細顆粒降低了水煤漿的表觀(guān)粘度并改善了其流變性能。但過(guò)量的細顆粒3000會(huì )造成水煤漿流型變?yōu)槊浰苄颓冶碛^(guān)粘度升高,故說(shuō)明水煤漿中粗細顆粒分布存在最佳比例參考文獻:102030405060708090100110剪切速率[1]代淑蘭,陳良勇,代少輝.水煤漿的流變特性研究進(jìn)展圖4不同級配水煤漿的表觀(guān)粘度曲線(xiàn)[J].鍋爐技術(shù),2010(3):76-80[2]王衛東,徐志強,崇立芹.印染退漿廢水制備水煤漿的實(shí)驗可以充填到大煤粉顆粒之間形成的空隙中去,使混合的粗研究[刀].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,41(5):488-492細顆粒之間得到緊密堆積,但充填后所剩的細粉只能“被3]吳國光,李建亮,孟獻梁,等.煤巖組成與水煤漿成漿性能迫”填充到有效流動(dòng)相區域,使有效流動(dòng)相濃度增加,粘的關(guān)系研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009(2):209度增大,導致水煤漿整體流動(dòng)性的惡化。213當級配為7:1:2時(shí),水煤漿流型為賓漢型,剪切速率4]王俊哲,王渝崗,方剛,等.基于A(yíng)fed模型提高神府煤為100/s時(shí)表觀(guān)粘度小于1200mPa·s。因此,在該實(shí)驗條水煤漿成漿性[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(12):117-件下,7:1:2級配混合煤粉體系制得的水煤漿具有最優(yōu)的流119變性能。[5]高志芳.粒度分布對提質(zhì)褐煤水煤漿性能影響的研究[刀]選煤技術(shù),2009(1):1-5結論[6]朱雪丹.粒度級配對神府煤成漿性能的影響[冂]潔凈煤1)通過(guò)調節粗細媒粉配比,在粒度分布較寬的粗顆粒(7]段清兵、粒度級配對新疆低階煤成漿性影響的研究[中加入粒度分布較窄的細顆粒,使混合粉體的粒度分布更煤化工,2014(3):35-38接近于 Dinger理論模型,利用小顆粒來(lái)填充大顆粒間的空[8]趙世永,張晉陶粒度配比對神府煤水煤漿穩定性的影響隙以提高固相顆粒堆積效率。[冂].煤炭工程,2006(12):88-%02)隨著(zhù)級配方案中細顆粒的增加,水煤漿逐漸向剪切(責任編輯楊蛟洋)(上接第121頁(yè))2)隨充氣量增加,氣泡基本呈線(xiàn)性增加,線(xiàn)性斜率受2004,273(1):271-277起泡劑濃度影響。起泡劑濃度低時(shí),氣泡粒度隨充氣量增[6 Laskowski J, THone T, Williams P, et al. Fundamental Prop-加而迅速增加,隨著(zhù)起泡劑濃度增加,氣泡粒度增加幅度erties of the Polyoxypropylene Alkyl Ether Flotation Frothers還漸減小。[J]. Intemational Joumal of Mineral Processing, 2003, 723)氣泡群 Sauter直徑相同時(shí),氣泡粒度分布并不完全(1):289-299相同,而是受起泡劑種類(lèi)與濃度、以及充氣量的綜合影響。[7] EH GIRGIN, S DO, CO GOMEZ, et al. Bubble Size as aFunction of Impeller Speed in a Self-aeration Laboratory Flota參考文獻:tion Cell [J]. Minerals Engineering, 2006, 19(2): 201[1]解維偉,賀效威,曹?chē)鴱?等.烏海肥煤乳化浮選降灰試[8] RA GRAU, K HEISKANEN. Bubble size distribution in La驗研究[門(mén)].煤炭工程,2014,46(10):202-204boratory Scale Flotation Cells [J]. Minerals Engineering[2]李吉輝,馬力強,成功,等.煤泥浮選調漿技術(shù)與設備2005,18(12):1164-1172.研究進(jìn)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]梁龍,彭耀麗,譚佳琨,等.高灰細泥對煤炭分級浮選tribution of Bubbles [J]. Minerals Engineering, 2003, 16的影響研究[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. Visual Technique for MeasuringBubble Size in Flotation Machines [J]. Minerals EngineeringModel Systems [J]. Intemational Joumal of Mineral Process-2002,15(7):507-513ing,2003,68(1):47-69[5] Anh V NGUYeN, Geoffrey M EⅤANs. Movement of Fine Par.[11張世杰,劉文禮,趙樹(shù)凱.浮選氣泡測量及其影響因素分析[門(mén)].煤炭工程,2014,46(12):117-119ticles on an Air Bubble Surface Studied Using High-speed Vid(責任編輯楊蛟洋)eo Microscopy [J]. Joumal of Colloid and Interface Science