矿物对水煤浆稳定性的影响研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．3 M a y2 0 0 4 文章编号；l O O O 一1 9 6 4 2 0 0 4 0 30 2 8 30 4 矿物对水煤浆稳定性的影响研究 刘红缨，朱书全，王奇 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要以深度脱灰的大同煤为原料，通过加入一定量的不同类型矿物，用5 种添加剂进行成浆实 验．用切片法考察了几种矿物在水煤浆体系中的分布情况，并探讨了矿物对水煤浆稳定性的影响 规律．结果表明水煤浆稳定性与矿物类型有关；对于同一种矿物，水煤浆稳定性还与药剂有关． 关键词水煤浆；矿物；稳定性；添加剂 中图分类号T D9 4文献标识码；A I n f l u e n c eo fM i n e r a l so nS t a b i l i t yo fC o a lW a t e rS l u r r y L 1 UH o n g y i n g ，Z H US h u q u a n ，W A N GQ i S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a e t T h eD a t o n gd e a s h e dc o a l ，s o m ed i f f e r e n tm i n e r a l s ，a n df i v ea d d i t i v e sw e r eu s e dd u r i n g t h ec o n lw a t e rs l u r r y C W S p r e p a r a t i o n ．T h ed i s t r i b u t i o no fm h e r a l si nC W Sw a sa n a l v z e db y m e a n so fc u t t i n gt e a lh l t os l i c e si no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fm i n e r a l so ns t a b i l i t yo fC W S ． I ti ss h o w nb ye x p e r i m e n tt h a tt h et y p eo fm i n e r a l sh a sac l e a re f f e c to nt h es t a b i l i t yo fC W S ，w h i l e f o rt h es a n l em i n e r a lt h es t a b i l i t yo fC W Si Sa f f e c t e db ya d d i t i v e s ． K e vw o r d s c o a lw a t e rs l u r r y ；m i n e r a l s ‘s t a b i l i t y } a d d i t i v e s 水煤浆 C W S 是一种由煤和水组成的粗分散 体系，该体系在贮存和运输中的稳定性，是评价该 产品质量好坏的一个重要指标．通常要求水煤浆在 贮运中不产生“硬沉淀” 是指无法通过搅拌使水煤 浆重新恢复原态的沉淀物 ．水煤浆能维持不产生 硬沉淀的性质，称为水煤浆的“稳定性”． 水煤浆中的固体颗粒 包括煤颗粒和矿物颗 粒 的密度一般都大于水，在水中发生沉降，造成水 煤浆体系失稳．由于煤中含有一定数量的矿物质， 这些矿物的密度可达到纯煤的两倍以上，所以煤中 的矿物质会给煤浆的稳定性带来较大的影响．本研 究拟通过切片烧灰的方法，考察煤中常见的7 种矿 物 石英、方解石、黄铁矿、高岭石、伊利石、蒙脱石 和石膏 在水煤浆中的分布情况，以及这种分布与 水煤浆稳定性的关系，并探讨矿物在用不同分散剂 制得的水煤浆体系中的分布规律． 1 原料和方法 1 ．1 原料 1 煤样；采用大同梨沟低灰煤，细粒部分经球 磨4h 后，进行两次摩擦电选使原煤灰分从5 ．7 7 ％ 降至1 ．3 8 “．粗粒部分用浮沉法脱灰，灰分从 5 ．7 7 ％减少到2 ．0 2 ％，通过双峰级配，使煤浆中颗 粒的堆积效率达到6 2 蟛． 2 矿物包括石英、方解石、黄铁矿、高岭石、 伊利石和蒙脱石．利用x 射线衍射对采集的矿物 含量进行半定量分析，石英、方解石和黄铁矿、石膏 纯度分别达9 6 ．5 ％，9 9 ．8 ％和9 9 ．0 ％，9 7 ．5 ％；蒙 脱石、高岭石和伊利石的纯度都达到8 0 蹦以上． 3 药剂萘磺酸甲醛共聚物 a d d 一1 、多酸共 聚物 a d d 一2 、P C A 系 a d d 一3 、磺化腐植酸 a d d 一4 和磺化木质素 a d d 一5 ． 收稿日期{ 2 0 0 3 1 0 1 0 基金璃茸z 国家自然科学基金项目 5 0 0 7 4 0 3 3 作者简介刘红缨 1 9 6 7 一 ，女，湖南省岳阳市人，中国矿业大学讲师，工学博士，从事洁净煤方面的研究， 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 1 ．2 实验方法 1 制浆方法按照计算的细粒和粗粒的配比 称取细粒和粗粒煤，加入规定量的水和添加剂，在 15 0 0r ／r a i n 的转速下，搅拌规定的时间后，用黏度 仪测定在1 0 0s _ 1 和2 5 ℃时浆体的黏度．用小于 7 4 , u m 的细矿物按1 ％，3 ％，5 ％和8 ％总煤量代替 等量细颗粒煤，仍以原细粒和粗粒的配比，加入一 定量的水和添加剂，在15 0 0r ／r a i n 的转速下，搅拌 规定的时间后，用黏度仪测定在1 0 0s1 和2 5 ℃时 浆体的黏度． 2 插棒法测试浆体稳定性将被测水煤浆试 样密闭静置2 4h 后，插棒观测．水煤浆的稳定性的 判定分为4 个等级，A 级水煤浆的稳定性最好，浆 体均匀分布，无析水，无沉淀；B 级水煤浆的稳定性 较好，无沉淀或少量软沉淀，有少许析水和轻微的 密度分布不均匀现象；C 级水煤浆的稳定性较差， 有析水，浆体密度分布不均，沉淀严重，但可被玻棒 搅拌再生成均匀的浆体，D 级水煤浆的稳定性最 差．浆体密度明显分布不均匀，析水多，沉淀坚硬， 不可再生．为了更好地表示某一等级范围中的稳定 性的微小差别，用“ ”和“一”加以区分，“ ”表示 某一等级中稳定性较好，“一”表示某一等级中稳 定性较差．小写⋯f l 表示浆呈老化态． 3 切片法探讨矿物颗粒在煤浆中的分布；把 煤浆烘干，取出煤块，将其按从上到下切成5 份，取 最上层，第3 层和最下层。分别烧灰，以分析矿物颗 粒在煤浆中的分布情况． 2 结果与讨论 2 ．1 煤浆成浆的实验结果 除蒙皂石外，其余矿物添加量为浆体总重量的 5 ％，蒙皂石的添加量为浆体总重量的2 ％．药剂 用量为1 ．0 ％，添加五种药剂测定煤浆黏度的实验 结果见表1 ． 表1 不同矿物添加5 种药剂爆浆的黏度值 T a b l e1T h ev i s c o s i t yo fC W Sw i t hf i v ea d d i t i v e s 矿物 a d d 一1a d d 一2a d d 一3a d d 一4a d d 一5 石英 方解石 黄铁矿 石膏 高岭石 伊利石 蒙脱石 8 8 2 8 2 6 8 9 6 10 8 9 l0 2 3 9 3 3 3 1 1 0 9 2 0 9 6 4 9 1 4 10 9 4 10 1 8 10 0 9 32 0 8 6 8 3 7 1 3 6 5 3 7 5 9 8 3 7 7 9 3 29 0 8 7 5 1 7 4 1 7 2 9 l1 6 9 8 6 8 7 8 5 20 5 6 7 2 3 7 4 1 7 7 8 9 4 2 8 1 1 8 3 0 23 7 2 除蒙脱石和石膏外，分别添加5 种药剂后，对 于石英、方解石、黄铁矿、高岭石和伊利石5 种矿 物，煤浆的黏度变化不大． 2 ．2 静置观察水煤浆稳定性的实验结果和分析 对上述的煤浆体系稳定性进行测定，实验结果 见表2 ． 裹2 添加5 种药剂矿物对浆体稳定性的影响 T a b l e2E f f e c to fm i n e r a l so ns t a b i l i t yo f C W Sw i t ha d d i t i v e s 从表2 中可看出，除磺化木质素以外，加人石 英、方解石和黄铁矿后浆体的稳定性最差、其次是 高岭石和伊利石，加入石膏和蒙脱石的浆体稳定性 较好．在加入a d d 一5 的煤浆体系中，矿物对浆体稳 定性的影响没有其它4 种药剂显著． 固体颗粒在牛顿流体中作匀速运动时的沉降 末速为 “。一N ／纽必3 C 。p F 式中‰为颗粒的运动速度；g 为重力场加速度；以 为固体颗粒的直径I C d 为阻力系数，为雷诺数＆ 的函数；所为流体的密度；p s 为固体颗粒的密度． 球体在宾汉流体中作匀速运动的阻力和沉降 末速为 F d n d r y 3 w q p u ⋯d 2 d u a 意 A p g d , 一6 r y ， 3 1 0 Y p 式中琳为塑性黏度或宾汉黏度；勺为屈服应力． 从以上的沉降公式可看出，颗粒的沉降速度与 颗粒的密度和大小成正相关性，与介质的黏度成负 相关性．也就是说，颗粒尺寸越太，颗粒密度越大、 沉降越快，对整个水煤浆体系的稳定性影响越明 显．石英和方解石的密度约是煤的两倍，黄铁矿的 密度为5 ．0 2 是煤密度的4 倍．由于它们较快的沉 降带动整个煤浆体系失稳。所以这3 种矿物使水煤 浆的稳定性明显变差． 与石英等矿物不同的是石膏使体系的稳定性 变好．这是由于石膏在水中的溶解度可达2 ．0 3 6 g ／L ，溶出的二价的钙离子能与分散剂分子的两个 磺酸基或羧酸基作用，在分子之间起了搭桥的作 用，有利于形成结构化的体系，对颗粒沉淀产生机 万方数据 第3 期刘红缨等；矿物对水煤浆稳定性的影响研究 械阻力，所以它的加入，反而使煤浆稳定了． 高岭石、伊利石和蒙脱石的加入均使浆体的稳 定性有所改善，特别是蒙脱石含量为1 ％时，浆体 的稳定性明显变好，含量超过l ％时，浆体呈现老 化状态．这是由于该3 种矿物为黏土矿物，黏土矿 物是一类具有特殊性质的矿物，它的颗粒易分散而 1 1 4 2 ；1 兰 2 4 0 且易发生水化膨胀作用，使固体颗粒的尺寸和密度 减小，颗粒的沉降不十分明显，而蒙脱石的水化膨 胀作用强烈，颗粒的密度逐渐趋于水，体系变的更 稳定． 2 ．3 切片法考察矿物分布规律的实验结果 上述各煤浆的切片烧灰实验结果见图1 a ～e ． 矿物英石矿石石石膏 a 1a d d - 1 未加石方解黄铁高峙伊剞繁瞪石 矿物英石矿石石石膏 d a d d - 4 图1 水煤浆中矿物的分布 F k 1 D i s t r i h u t i o ao fm i n e r a l si nC W S 对于石英、方解石和黄铁矿3 种难溶性矿物， 它们在煤浆中发生沉降最终集中于煤浆的底部，它 们的快速沉降，导致整个煤浆体系失稳，加速了水 煤浆形成硬沉，浆体的稳定性变差．这与实验中观 察到的水煤浆稳定性一致． 石膏的特点是可溶于水，在制浆的剧烈搅拌及 后续的静置过程中，它的颗粒因溶解而变小，沉降 速率也随之变慢，所“它在浆体中趋于平均分布， 由石膏颗粒沉降给浆体稳定性带来的影响较小，煤 浆的稳定性增加．这和上述实验中石膏使水煤浆稳 定性发生变化的趋势一致．图1 c 中石膏在下层的 灰分明显高，这与浆体本身的黏度较低有关，另外 还与所用的药剂有关， 高岭石和伊利石，在水中易于细分散，颗粒直 径可达2p m ，所以它们的分布不象难溶性矿物那 样集中在浆体的底部，上层和中层都有一些矿物颗 粒，只不过下层略多些，所以浆体中随它们含量的 增加，稳定性略有改善；而蒙脱石在水中不仅会细 分散，而且会吸水溶涨，颗粒的密度逐渐接近予水 的密度，它在浆体中的分布较均匀，相当予增加了 体系中介质的密度，使其中的煤颗粒不易下沉，所 矿物英石矿石石石膏 c a d d s 3 矿蜘英石矿石石石膏 0a d d 5 以含有少量蒙脱石，即可明显改善水煤浆的稳定 性． 图1 e 是添加磺化木质素 a d d 一5 后，矿物在水 煤浆中的分布规律．结果表明由于磺化木质素本身 可使制得的煤浆比较稳定，所以难溶性矿物在上中 下层的分布也趋于平均，也就是说由于a d d 一5 使浆 体形成结构化，阻止了矿物颗粒的下沉，对于石膏 和黏土矿物，矿物的分布就更均匀． 3 结论 1 石英、方解石和黄铁矿这3 种难溶性矿物。 由于密度较大，在浆体中易于下沉，并破坏了体系 的结构，使浆体趋于不稳定． 2 可溶性矿物石膏的突出特点在于它的可溶 性，由于其在水煤浆中溶解，固体颗粒的粒径变小， 下沉不明显，所以它的分布也比较均匀． 3 高岭石和伊利石，由于在制浆及静置过程 中，易于细分散，所以它们在浆体的上层和中层也 有大量存留，但不如最低层多．分布最均匀的是蒙 脱石，这跟它的特殊结构有关，它不仅易分散成细 颗粒，而且层间吸水膨胀，使颗粒的密度减小，所以 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 更不易下沉． 4 对于磺化木质素 a d d5 ，由于它可使煤浆 本身较为稳定，矿物的下沉作用对浆体稳定性的影 响不十分明显，包括难溶性矿物在内的所有矿物， 在体系中的分布趋于均匀． 5 矿物对煤浆稳定性的影响与不同的药剂使 煤浆形成的体系有密切的关系，当药剂能使煤浆形 成结构化的稳定体系时，矿物的密度对浆体稳定性 的影响小；但当药剂不能使煤浆形成较稳定体系 时，矿物的密度对浆体稳定性的影响就十分明显． 参考文献 [ 1 ]张荣曾．水煤浆制浆技术[ M ] ．北京，科学出版社 1 9 9 6 ． [ 2 ]朱书全．水煤浆用煤的结构特性与C W S 流变的关系 研究[ D ] ．北京中国矿业大学化学与环境工程学院， 1 9 9 0 ， [ 3 ] 蒋煜．煤质特性与水煤浆稳定性的关系[ D ] ．北京 中国矿业大学化学与环境工程学院，1 9 9 3 ． [ 4 ]曾凡．胡永平．矿物加工颗粒学[ M ] ．北京中国矿 业大学出版杜，1 9 9 5 ． [ 5 ] 杨小生。陈荩．选矿流变学及其应用[ M ] ．武汉中 南工业大学出版社，1 9 9 5 ． [ 6 ] 朱书全，刘红缨，刘利，等，3 种难溶性矿物对煤成 浆性的影响口] ．中国矿业大学学报．2 0 0 3 ．3 2 2 ] 1 5 1 1 8 ． 责任编辑李成傻 中国科技论文在线网站试运行 中国科技论文在线是经教育部批准，由教育部科技发展中心主办，针对科研人员普遍反映的论文发表 困难，学术交流渠道窄，不利于科研成果快速、高效地转化为现实生产力而创建的科技论文网站． 中国科技论文在线可为在本网站发表论文的作者提供该论文发表时问的证明，并允许论文作者同时 向其他专业学术刊物投稿，以使科研人员新颖的学术观点、创新思想和技术成果能够尽快对外发布，并保 护原创作者的知识产权． 中国科技论文在线利用现代信息技术手段，打破传统出版物的概念，免去传统的评审、修改、编辑、印 刷等程序，给科研人员提供一个方便、快捷的交流平台，提供及时发表成果和新观点的有效渠道，从而使新 成果得到及时推广，科研创新思想得到及时交流． 中国科技论文在线根据文责自负的原则，对作者所投论文稿，只审查其内容是否违法．只要遵守全国 人大常委会关于维护互联网安全的决定，且符合我们设计的论文格式基本要求。保证一周内发表．专业领 域按自然科学国家标准学科分类与代码分为3 9 类． 中国科技论文在线将服务的对象分为注册用户和非注册用户两类．注册用户可以使用本网站的所有 功能，而非注册用户则只能以访客的身份，对本网站进行部分检索、浏览和下载．对于第一次在本网站提交 论文的作者，必须首先进行身份注册，提供自己常用的e m a i l 地址 它将成为用户登录本网站的惟一I D ，同 时首次登录密码将直接发送到该信箱， 注册用户使用本网蛄提供的个人工具箱，可以便捷地完成投稿、审阅、发表的垒过程，可以直观地了勰 所提交论文 必须是P D F 格式 的状态和历史记录，也可以方便地管理个人注册信息． 摘自W W W ．e d u ．o n 万方数据