配煤對水煤漿性質(zhì)的影響

第32卷第2期中國電機工程學(xué)報Vol.32No.2Jan.15,20122012年1月15日Proceedings of the CSEEC2012 Chin. Soc. for Elec Eng. 31文章編號:0258-8013(20102003108中圖分類(lèi)號:TQ530文獻標志碼:A學(xué)科分類(lèi)號:47020配煤對水煤漿性質(zhì)的影響胡亞軒,劉建忠,王睿坤,虞育杰,周俊虎,岑可法能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室(浙江大學(xué)),浙江省杭州市310027)Effects of Blending Coals on the Behavior of Coal Water SlurryHU Yaxuan, LIU Jianzhong, WANG Ruikun, Yu Yujie, ZHOU Junhu, CEN KefaState Key Laboratory of Clean Energy Utilization(Zhejiang University), Hangzhou 310027, Zhejiang Province, ChinaABSTRACT: Four different coals, Shigang, Xiaotun, Yanzhou,煤分別相配,以及配比的不同,對水煤漿的流變性及穩定性and Huangling coals, were blended with each other in different影響不同;配煤制漿對漿體的成漿性影響具有明顯的非線(xiàn)性proportions, and the effect of blending coals on the slurry特點(diǎn),實(shí)驗中配煤制漿的實(shí)際成漿濃度和線(xiàn)性加權平均得到ability, rheology and stability of coal water slurry(cWS)的最大成漿濃度間最大相差1.82個(gè)百分點(diǎn)。穩定性試驗表were studied. The slurry ability, rheology and stability of明,在正常的水煤漿濃度下,無(wú)論是單煤還是配煤制取的水Cws prepared by the single coal were also researche煤漿,20天后析水率都比較合理,在15%以下。不同的煤Results show that coals with lower o/c ratio have better種配煤制漿后對穩定性有不同的影響slurry ability. The coal water slurries behave as the properties關(guān)鍵詞:水煤漿;最大成漿濃度:流變性:穩定性;非線(xiàn)性of non-Newtonian fluids over certain range of concentrationand the shear thinning behavior is stronger with increasing 0 IEsolid concentration. Blending coals can influent the rheology水煤漿是一種新型的煤基代油清潔燃料,在and stability of CwS. However, blended with the same coaldifferent coal type and blending ratio have different effects or煤的氣化等潔凈煤技術(shù)上具有重要應用2。它是約the rheology and stability. In addition, the effects of coal60%70%的煤粉和30%40%的水及少量添加劑組成的懸浮分散體系,具有低污染、易泵送、燃燒效concentration of blending coal water slurry is not equal to率高等優(yōu)點(diǎn)。研究表明煤質(zhì)因素對水煤漿的性質(zhì)weighted average value of indiⅳ vidual coal, with the maximum有很大影響,主要包括煤的碳質(zhì)量分數、空氣平衡deviation reaching1.82 percentage points. Stability水分、可磨性指數、灰分質(zhì)量分數、可溶礦物離子experiment shows that, water separation ratio after 20 days煤的比表面積、空隙結構、煤表面的電位性質(zhì)、絲below 15% for either the single coal or the blending coal質(zhì)組分的質(zhì)量分數及煤灰成分分析中SiO2的質(zhì)量water slurry. and blending different coals has different effectson the stability.分數等47。因此水煤漿的制備對煤種的選擇有一定的要求,這也成為水煤漿技術(shù)應用與推廣過(guò)程中的KEY WORDS: coal water slurry (CWS); maximum solid瓶頸,如何擴大制漿用的煤種范圍,特別是采用難concentration; rheological characteristics; stability; non-linear制漿的煤種制得高濃度、低黏度、流動(dòng)性好的水煤摘要:通過(guò)對石港、小屯、兗州、黃陵4種煤進(jìn)行單煤制漿漿一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。配煤則是一種能改善及不同比例2種煤的配煤制漿實(shí)驗,研究配煤制漿對水煤漿難成漿煤的成漿性能、擴大制漿煤種的簡(jiǎn)易而又經(jīng)的成漿性、流變性及穩定性的影響。單煤的成漿性研究表明不同煤種成漿濃度有差異,氧碳比低的煤種成漿性較好,最濟的方法門(mén)。本文選取變質(zhì)程度不同的4種煤,按大成漿濃度較高:水煤漿在一定濃度范圍內具有剪切變稀的照不同比例配比制漿,研究2種煤相配制得的水煤非牛頓流體特性,且濃度越高剪切變稀特性越明顯。配煤制漿的成漿性、流變性和穩定性,從中獲得配煤制漿漿中,由于煤種間的相互作用效果不同,同一種煤與不同的對水煤漿性中國煤化工落金項日國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項日2項目X1實(shí)驗CNMHG227001)。The National Basic Research Program of China (973 Program)1.1試驗樣品及制備(2010CB227001)從表1中看到,各種煤的揮發(fā)分含量及氧碳比中國電機工程學(xué)報第32卷表14種試驗用煤的煤質(zhì)分析2結果與討論Tab 1 Ultimate and proximate analysis offour coals for experiment2.1單煤成漿特性圖1為4種不同變質(zhì)程度的煤制取水煤漿的黏工業(yè)分析%發(fā)熱量元素分析%煤種度一濃度關(guān)系曲線(xiàn)。由圖1可見(jiàn),4種煤的成漿規律一致,制取的水煤漿隨著(zhù)濃度的增加,黏度增大。石港1.2731.4290358292250757612921.002.263.53其中,在相同的濃度下,變質(zhì)程度相對較低的兩種小屯1.4428.3911.1459032390661433021.260.344.11煤,黃陵煤和兗州煤的水煤漿黏度較髙。一般要求究州1.661423312852832827169584461.000.758.32黃陵34829.5723.0243.932247154883.530.850.47722水煤漿的黏度小于1200mPa:s2,而工業(yè)應用的水不同。石港煤和小屯煤屬于煤階較高的無(wú)煙煤和貧煤漿黏度通常為1000mPas。將表觀(guān)黏度為煤,兗州和黃陵煤則是煤階較低的煙煤。氧碳比的1000mPas時(shí)的漿體濃度定為水煤漿的最大成漿濃度,可以得到這4種單煤的最大成漿濃度,如表2。不同表征了煤的變質(zhì)程度不同,煤的變質(zhì)程度不從表2可以看出,氧碳比低的煤種,最大成漿濃度同也使煤在水含量、氧含量、灰分方面都發(fā)生了質(zhì)的差異,由此影響到煤的成漿特性。較高,成漿性較好。一般來(lái)說(shuō),氧碳比低的煤種變質(zhì)程度高。煤種的變質(zhì)程度越高,其中的親水官本文采用干法制漿:將表1中的4種煤磨制成煤粉,并過(guò)200目篩。根據所需的配比稱(chēng)取煤粉,能團含量就越低,內在水較低,孔隙結構不發(fā)達成漿性會(huì )越好。加入質(zhì)量為干煤粉量0.8%的亞甲基萘磺酸鈉-苯乙烯磺酸鈉馬來(lái)酸鈉,倒入去離子水中,攪拌均勻。石港小電電動(dòng)攪拌器的轉速為800~1000r/min,攪拌時(shí)間為一黃陵15min。配煤制漿中,2種煤的比例選為2:8、4:6、5:5、6:4、8:2。1.2水煤漿表觀(guān)黏度測量水煤漿的表觀(guān)黏度由美國 thermo公司生產(chǎn)的HAAKE VT550型黏度計進(jìn)行測量。根據GB/T188564-2002規定的方法測量水煤漿的黏度濃度%和流變特性:設定試驗溫度為(200.1)℃,按儀器圖1實(shí)驗單煤黏濃特性要求取適量待測漿樣,加入測量容器中,連接好裝Fig 1 Influence of solid concentration on the置。啟動(dòng)黏度計,剪切速率從0均勻上升至100s-viscosity of CwS prepared by single coal當剪切速率為100s時(shí),每隔1min記錄一次儀器表24種煤的最大成漿濃度讀數,共記10次,10次讀數的平均值即為水煤漿Tab 2 Maximum solid concentration of four coals在100s1下的表觀(guān)黏度煤種氧碳化最大成漿濃度%1.3水煤漿濃度測量水煤漿的濃度采用GBT188562-2002中小屯7108的干燥箱干燥法:稱(chēng)取(3.0±0.2)g的水煤漿樣,在兗州0.120鼓風(fēng)干燥箱中于105~10℃下,干燥至恒重,干燥黃陵6l91后試樣的重量占原試樣的質(zhì)量百分數即為該水煤22單煤流變特性漿的濃度。水煤漿是復雜的多相懸浮體系,施加剪切應力14水煤漿穩定性測量產(chǎn)生的速率梯度受到內部物理結構變化的影響,反本文通過(guò)析水法測定水煤漿的穩定性:將待測過(guò)來(lái)內部的物理結構又會(huì )因剪切作用而引起變化水煤漿放入密閉容器,靜置20天后如漿樣上層析因此水煤漿的流變特性呈現復雜多樣性,從目前的出清液。吸出上層清液,稱(chēng)量出清液的質(zhì)量。定義研究看,中國煤化工乎各種類(lèi)型的漿樣的析水率為20天后水煤漿吸出的上層清液占非牛頓濟HCNMHG單煤的成漿流變特水煤漿原有水分的質(zhì)量百分數。析水率越低,表明性曲線(xiàn)。從流變行性出線(xiàn)甲可以看出,石港煤和小穩定性越好。屯煤在濃度較低時(shí),水煤漿的黏度隨剪切速率的增第2期胡亞軒等:配煤對水煤漿性質(zhì)的影響1900濃度為68.37%濃度為69.12加基本不變,體現了較明顯的牛頓流體的特性。般而論,當濃度增加,漿體黏度增大,隨剪切速率1500的增加,水煤漿的黏度會(huì )下降。濃度越高,黏度越目1300大,剪切變稀的非牛頓流體特性也越顯著(zhù)。水煤漿的黏度和非牛頓流體特性主要取決于漿體內的自由水分份額和固相顆粒間的平均相互作用距離14水煤漿的濃度增加,漿體中的自由水份額減少,黏剪切速率/1/s)度就會(huì )增加。同時(shí),固相顆粒間的平均作用距離減圖2石港煤流變特性少,漿體的非牛頓流體的特性越顯著(zhù)。相比于前兩Fig 2 Rheological characteristics of種煤,黃陵煤和兗州煤水煤漿剪切變稀的特性非Cws prepared by Shi gang coal常明顯?？梢?jiàn)煤種不同,制得的水煤漿的流變特性1900濃度為6747%1700▲濃度為6985%也不同。濃度為71.15%15002.3配煤成漿特性1300不同比例下的配煤成漿濃度實(shí)驗結果見(jiàn)圖6從圖中發(fā)現與成漿性能好的煤進(jìn)行配煤所得到的水煤漿不一定具有好的成漿性能,有些配煤組合的最大成漿濃度大于單煤的最大成漿濃度,而有的0204060801卻比兩種單煤的最大成漿濃度都低,這與其他研究剪切速率(1/s)者的結論是一致的91。另外,同樣的兩種煤進(jìn)行圖3小屯煤流變特性配煤,在不同的配比下制取的水煤漿的最大成漿濃Fig 3 Rheological characteristics of濃度為60.71%7000濃度為61.88%濃度為6404%60005000≤4000一●石港:兗州石港比例%剪切速率(1/s)圖6不同比例下石港配煤的成漿濃度Fig 6 Maximum solid concentration of圖4黃陵煤流變特性CWS prepared by Shi gang coal blendedFig 4 Rheological characteristics ofwith various coals in different ratios5000一濃度為6786%濃度為68.70%30000.00.20.60.81.0剪切速率(1/s)中國煤化工圖5兗州煤流變特性CNMHG漿濃度MaXlmum song concentration ofFig 5 Rheological characteristics ofCwS prepared by Xiao tun coal blendedCwS prepared by Yan zhou coalwith various coals in different ratios中國·電機工程學(xué)報第32卷度也是非線(xiàn)性的。成漿性能好的煤比例越高,其配與實(shí)際的成漿濃度相比差距較大,最大相差1.82個(gè)煤水煤漿的最大成漿濃度并不一定越好。例如,石百分點(diǎn)。因此,簡(jiǎn)單的通過(guò)線(xiàn)性加權擬合來(lái)預測配港和黃陵相配后,成漿濃度隨著(zhù)成漿性能較好的石煤成漿濃度是不合適的;以非線(xiàn)性理論甚至神經(jīng)網(wǎng)港煤的比例増加而增大;而石港和兗州相配后,不絡(luò )系統預測配煤成漿濃度,更好地指導配煤制漿工同配煤比例下的最大成漿濃度均大于兩種單煤,且作非常必要。兩種煤的比例越接近,最大成漿濃度越高,單煤成2.4水煤漿流變模型漿性能較好的小屯煤比例達到80%時(shí),其與兗州煤水煤漿是一種復雜的、高黏度固液分散懸浮液配煤的最大成漿濃度反而降低;石港煤和小屯煤相其流變性可以采用通用的屈服-冪率模型1描述配后,不同配比下的最大成漿濃度均小于或接近兩[=To +ky種單煤,且兩種煤的比例越接近,最大成漿濃度越式式中:z為剪切應力,Pa;t為屈服應力,Pa;k為低。配煤對水煤漿的影響與煤種表面性質(zhì)、孔隙結稠度系數,Pas3;n為流動(dòng)性系數;為剪切速率,構分布及煤表面的疏水性等因素相互作用有復雜的關(guān)系。只有通過(guò)合適的煤種、合適的比例相配懸浮體內部顆粒間的相互作用力使得顆粒和才能有效提高難成漿煤的成漿性。液體組成不同大小的結構單元,當顆粒體積分數超按照配煤比例,依據線(xiàn)性擬合得到理論上預測過(guò)某一臨界值時(shí),懸浮體內的結構單元就會(huì )充滿(mǎn)整的配煤成漿濃度,與實(shí)際的配煤成漿濃度相比較,個(gè)體系而形成空間網(wǎng)狀結構,體系就會(huì )有剪切力的如表3所示。從表3不難發(fā)現,線(xiàn)性擬合的預測值屆服值(簡(jiǎn)稱(chēng)為屈服應力),即當水煤漿所承受的剪表3配煤成漿濃度與線(xiàn)性加權平均濃度比較切應力大于此值時(shí),水煤漿內部才會(huì )有相對移動(dòng)或Tab 3 Comparison between maximum solid變形18。稠度系數一般隨漿體黏度增加而增大間明。concentration of blending coals and the weighted當流動(dòng)系數n<1時(shí),漿體剪切變稀,為假塑average value of individual coal配煤配煤實(shí)際線(xiàn)性擬合成形流體;當n1時(shí),漿體剪切變黏,為脹塑形流體。差值成漿濃度%漿濃度/%且當n值與1相差越大,漿體剪切時(shí)的非牛頓流體1.82特性越顯著(zhù)。68.79根據最小二乘法按上述屈服-冪率曲線(xiàn)擬合,石港和1.36小屯得到各單煤制漿的流變特性參數,見(jiàn)表4。從表4中看出,對于同一種漿體,隨漿體黏度的增加,稠度系數增加,稠度系數k很好地表征了漿體黏度的69.0468.2768.56變化;并且同種漿體的屈服應力一般隨濃度的增大石港和而增加,因為隨著(zhù)漿體的濃度增加,漿體中的固相兗州顆粒占的體積變大,體系中的空間網(wǎng)狀結構更加密69.7269.139集,要使漿體單煤內部發(fā)生移動(dòng)或形變克服的阻礙6341.91表4單煤制漿的流變特性參數石港和65.47Tab 4 Rheological characteristics parameter of黃陵68286792煤種黏度/mPas)695768.606580.78230.82780981669.3869.220.16小屯和石港138700.91581.0110兗州694969531.0280149000.9718693069840.74100.27531.083070.4663.740.10小屯01331089310.957863.6465.3765.58中國煤化工1152009694小屯和HCNMHG1.56300.7883黃陵669967.410.42黃陵2.38300.75518269346925208638020011860005720第2期胡亞軒等:配煤對水煤漿性質(zhì)的影響越大,表現為漿體的屈服應力就會(huì )越大。同時(shí),還150石港:黃陵=28一石港:黃陵=46能從表4發(fā)現,相同黏度下黃陵煤的屈服應力最大,一石港:黃陵=6:4而石港煤和小屯煤的屈服應力都很小。另外,表中90石港:黃陵2了石港煤和小屯煤的非牛頓流體特性并不顯著(zhù);而石港煤和小屯煤的流動(dòng)特性指數n值接近1,說(shuō)明50黃陵煤則體現出了明顯的非牛頓流體的特性,且隨著(zhù)濃度增加,n值和1的差值越大,說(shuō)明非牛頓流體的特性越顯著(zhù)。x(1/s)表5是配煤的漿體在黏度為1000mPas左右的圖9石港和黃陵配煤流變特性擬合曲線(xiàn)流變特性參數,擬合后曲線(xiàn)如圖8-10。由表5可Fig 9 Fitting curves of CwS prepared by見(jiàn),屈服應力小的煤種加入黃陵煤相配制漿后,漿Shi gang coal blended with Huang ling coal體的屈服應力有明顯提升,且隨著(zhù)黃陵煤的比重增小屯:黃陵-2一小電:黃陵=46加,屈服應力有上升的趨勢。這是因為黃陵煤的加110如小電:黃陵=5590}v小電:黃陵=64表5配煤制漿的流變特性參數←小電:黃陵=8:Tab. 5 Rheological characteristics parameter ofblending coals配煤煤種配比3.3120y(1/s)635201.29700.9286石港和小屯3.14801.275009274圖10小屯和黃陵配煤流變特性擬合曲線(xiàn)662009095Fig 10 Fitting curves of CwS prepared by0.9496Xiaotun coal blended with Huang ling coal1062003.01200.7135入,增強了石港煤和小屯煤漿體體系中的網(wǎng)狀結4120構,使得漿體變形所要克服的阻力增加,導致漿體石港和黃陵5:5805401.86100.8632屈服應力上升。7.40408510當石港煤加入黃陵煤相配后,n值與1的差值變大,表明了黃陵煤増強了石港煤剪切變稀的特4.18801.82200.8990性,說(shuō)明在這2種煤的漿體中,非牛頓流體特征在2:82920001.83300.796混煤制漿后仍有較強表現,占主導地位。但小屯煤小屯和黃陵5:527200010020和黃陵煤相配時(shí),n值仍和1比較接近,只有當黃18.71000.838109991陵煤比重很大時(shí)(80%),漿體才體現出明顯的剪切變稀的特性。石港煤和小屯煤相配制漿后,屈服應力0.6028和濃度系數值均有所增加,說(shuō)明這2種煤相配制漿140后在相同濃度下黏度有所增加,與前面配煤成漿特一石港平石港性研究結論相一致?？梢?jiàn),配煤的煤種和比例不同,石港:小電=8:2對漿體流變性的影響也會(huì )不同,說(shuō)明與煤質(zhì)特性有較大的關(guān)系2.5配煤制漿的穩定性20析水率在一定程度上表征了水煤漿的穩定性。般來(lái)說(shuō),越大,獎休的穩定性越差0。4y(1/s)種單煤制得中國煤化工如表6所示。CNMH圖8石港和小屯配煤流變特性擬合曲線(xiàn)由表6可知著(zhù)漿體濃度的Fig8 Fitting curves of CwS prepared增加而降低,表明水煤漿的濃度越大,漿體的穩定y Shi gang coal blended with Xiao tun coal性越好。這是因為水煤漿中固體顆粒和液體相互作中因電機工程學(xué)報第32卷表6單煤制漿的析水率水率又會(huì )小于石港單煤,從規律上看黃陵煤的加入Tab.6 Water separation ratio of single coal提高了石港煤和小屯煤的穩定性煤種濃度/%黏度析水率%3結論68.37石港69.12通過(guò)實(shí)驗對石港、小屯、兗州、黃陵4種煤進(jìn)70.161235.206.68行單煤和配煤成漿特性研究,在同樣的添加劑加入6747的情況下,獲得如下結論。小屯69.851)因為煤質(zhì)的差異,4種煤的成漿濃度明顯不71.151016.17同:石港煤最大成漿濃度為6942%,小屯煤最大成漿濃度為71.08%,兗州煤最大成漿濃度為6798%,734黃陵煤最大成漿濃度為6191%。水煤漿的表觀(guān)黏度隨漿體濃度的增加而增加,氧碳比低的煤一般成漿60.71731408.57性較好。61.8862)配煤的成漿性體現出明顯的非線(xiàn)性特征黃陵兩種不同的煤相配,對漿體最大成漿濃度的影響不用形成結構單元,大量的結構單元會(huì )組成空間網(wǎng)狀同:配煤成漿的實(shí)際成漿濃度和按單煤線(xiàn)性加權平結構,漿體濃度越大,固相顆粒越多,這種空間網(wǎng)均擬合計算獲得的成漿濃度差距較大,實(shí)驗中最大狀結構越密集,水煤漿中固體顆粒沉降受到的阻力相差.82個(gè)百分點(diǎn)越大,水煤漿就越穩定。3)在一定的濃度范圍內,水煤漿體現了剪切表7為不同比例下配煤制漿在黏度為100稀的非牛頓流體的特性,且水煤漿的濃度越高左右時(shí)的析水率?？梢园l(fā)現配煤制漿對水煤漿穩定切變稀越明顯。利用屈服冪率模型的擬合,發(fā)性的影響有些復雜:配煤制漿的穩定性可以和原來(lái)現不同煤的漿體流變特性不同,實(shí)驗中黃陵煤的非的單煤相差不大,比如石港和小屯配煤制漿后的析牛頓流體特性比其他煤明顯。配煤制漿在一定條件水率與石港單煤相差不大:配煤制漿也可能會(huì )大大下可以改變水煤漿的流變特性,但由于不同煤種間改善漿體的穩定性,例如石港和兗州配煤制漿后,的作用效果不同,不同的煤種以及不同的配比對水漿體的析水率比原來(lái)石港單煤和兗州單煤的析水煤漿流變性的改變效果也不同。率略小,兗州煤的加入提高了石港煤的穩定性;配4)水煤漿的穩定性研究表明,水煤漿濃度越煤制漿還可能使漿體的穩定性變差,例如小屯和兗高,析水率就會(huì )越低,穩定性越好。配煤制漿對漿州配煤制漿的漿體析水率比小屯單煤的析水率要體的穩定性有多種影響,兗州煤能提高石港煤的穩大,從規律上看是兗州煤的加入降低了小屯煤的穩定性,同時(shí)也會(huì )降低小屯煤的穩定性。配煤的比例定性;此外,配煤的比例不同,對漿體的穩定性影不同,對漿體的穩定性影響也會(huì )不同,石港和黃陵響也會(huì )不同,例如石港和黃陵煤雖然單煤穩定性比煤相配制漿,在黃陵煤比例較高的時(shí)候,穩定性不較接近,但相配制漿在黃陵煤比例較高時(shí),析水率如石港單煤,當黃陵煤比例較低的時(shí)候,穩定性又比石港單煤高時(shí),當黃陵煤比例較低時(shí),漿體的析好于石港單煤表7配煤制漿的析水率參考文獻Tab. 7 Water separation ratio of blending coals%[I]張傳名,鄭曉康,劉建忠,等.低揮發(fā)份水煤漿燃燒特配煤比例性及其在燃油鍋爐上的應用[.中國電機工程學(xué)報,2009,29(8):34-39石港和小屯9Zhang Chuanming, Zheng Xiaokang, Liu Jianzhong,et6.035.786.15中國煤化工 w-volatile coal water石港和黃陵8.01586CNMH GrsU. 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