水煤浆制浆试验研究与制备因素分析.pdf

第3 0 卷第6 期 2 0 0 1 年u 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 g8 - T e c h n o l o g y V o I _ 3 0N o ．6 N o v ．2 0 0 1 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 60 5 4 30 4 水煤浆制浆试验研究与制备因素分析 吴国光，郭照冰 中国矿业大学化工学院．江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要采用两种低阶煤阜新长焰煤和神木不粘煤进行了成浆性试验研究．结果发现，它们 的成浆性很差，属难制装j 采种．全面分析了制浆的影响因素，对低阶煤而言，成浆性差是由于煤中 富含舍氧官能田、较高的最高内在水分和较差的可磨性，因此提出了采用低温热解的方法以提高 蝶粒表面的疏水性，从而改善算成菜性．本研究对低阶渫制暮进行了有益的尝试． 关键词水煤浆；影响因素；低阶渫；成浆性 中国分类号T Q5 1 9文献标识码A 。 查篓篓苎是喜一- 喜鼍璧罂竺篓篓主查登竺1 制浆试验 加少量添加剂的混合物，基本上属于粗颗粒悬浮体 ⋯⋯1 一 与肢体体系相比 ．水煤浆制备的影响因素十分复1 ．1制浆用煤的性质 杂，对于难制浆的低阶煤而言，通过改善其自身性 制浆试验所用原料分别为阜新长焰煤，神木不 能来提高成浆性能，从而合理、有效地利用低阶煤．粘煤及其低温热解半焦，原煤性质分别见表I ～3 ． 裹1 煤质分析 T a b l e1T h ep r o x i m a t ea n du l t i m a t ea n a l y 幽o fc e a l s m／“qk．“／ M dA d‰C “‰N o ．f‰s d I f M J k g 一1 阜新3 ．0 89 ．船 4 10 78 1 ．8 05 ．2 31 ．3 21 0 ．1 71 ．0 6 2 8 0 0 整主2 Z Q ￡Z2 塑 盟型 g 塑g ￡2 塑 表2 煤的岩相组成 裹4 阜新煤不同■矿时间下的粒度分布 型12 里 竺 型 堕 型 垒丛 煤样镜质组稳定组惰性组矿物 表3 煤的最膏内在水分和可磨性 T a b l e3T h em o i s t u r eh o l d i n gc a p a c i t ya n d g r i n d a b i l i t yo f ∞a J s 1 ．2 制浆用煤的粒度分析 采用实验室规模的≠2 0 X L 2 3 球磨机进行了磨 矿试验，用M a l v e r n 澈光粒度仪测定不同磨矿时间 下的粒度组成，结果见表4 和表5 ． T a b l e4R e l a t l o n s h i pb e t w e e np a r t k l ed 训h u t t o n a n dg r i n d i n gt i m e0 fF u x t nc r 1 分布率／“ ．，tlIr／mia 4 ／m i 面i 面丽面一 3 3 19 0 ．0 91 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 0 1 5 05 5 ．5 0口4 ．5 39 9 ．1 01 0 01 0 0 1 0 0 8 33 4 ．3 77 0 ．Z 48 5 ．9 09 6 ．8 4 9 0 ．5 91 0 。 3 11 2 ．7 62 1 ．6 14 3 ．3 45 3 ．6 5 6 9 ．4 78 3 ．7 9 9 ．4 84 ．2 39 ．9 41 4 ．2 01 7 ．2 1 2 3 ．2 43 1 ．2 0 1 ．9 S0 ．4 10 ．9 21 ．2 41 ．4 72 ．0 32 ．7 0 Q l ≥23 Z l ￡ZZ墼蚯；盟 』* 裹5 神木煤不同磨矿时何下的粒度分布 T M 。4 燃n s h i p o f b e t w e e np a c 0 矗I r t l c l 。m s 分t r l 布b u 率t l o n a n d t i m eS b e l l l n l l／“ 州叫啦 0 f o 咖分研翠％ t i l l r ／叫n 2 0 2 0 3 3 19 5 ．2 11 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 0 1 5 06 4 ．2 59 2 ．1 89 8 ．3 81 0 0 1 0 01 0 0 8 34 2 ．6 67 1 ．1 88 1 ．9 59 a ．8 39 9 ．3 4 1 0 0 3 11 9 ．7 73 5 ．f 44 0 ．5 6 5 0 ．9 36 6 ．3 88 0 ．7 0 9 ．4 86 ．7 11 2 ．O l1 3 ．6 61 6 ．7 5 2 1 ．5 52 6 ．6 5 】．9 5m7 31 ．1 41 ．3 2 1 ．5 21 ．9 12 ．Z 8 里丝趾 ；Z 蛆g 墅 目墼堕Z 自堑Z 盥錾 收藕日期2 0 0 1 0 5 0 8 作者筒介．吴国光 1 0 6 3 一 ，男，江苏省常州市人，中国矿业大学剐教授，工学博士，从事洁净赫I 技术方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报 第3 0 卷 从表中可以看出，随着磨矿时间的延长，煤样 平均粒径减小，开始时，随着时间的延长，主要是较 大颗粒的磨细，随后才是中等颗粒的磨细，最后是 较细颗粒的磨细，但很细颗粒 1 ．9 5m 的含量 增加不多，对比以上两表可以看出，两者平均粒径 比较接近的磨矿时间分别为阜新煤1 7r a i n 和神木 煤2 0r a i n ．根据制浆对颗粒平均粒径的要求，确定 制浆用煤的粒度分布见表6 ． 裹6 制浆用煤、半焦的粒度分布 T a h i e6P a r t i c l ed i s t r i b u t i o no fc o a l sa n d c h a r sf o rc o a lw a t e r 日u r r y 分布率／蹦 l i l 样‘m r ／j 型坐生一 蛐口 3 3 1 1 5 0 B 3 3 1 94 8 1 ．9 5D 4 ．3 1 ．3 制浆试验 制浆试验使用自来水在室温下进行，原料采用 上述两种煤样及其半焦，为达到双峰级配的效果， 粗细粒级的原料配合比为1 ；1 ，半焦作为辅助掺 混料使用，采用1 8 5 3 R P M 型实验搅拌器搅拌，搅 拌时间为1 0m i n ，用H a a k eR V l2 型粘度测定仪测 定煤浆粘度，煤浆固体浓度采用1 0 5 ℃煤干法测 定．制浆添加剂为2 0 2 4 分散剂，添加量为干煤重量 的1 ％，试验结果见表7 ． 表7 煤浆浓度与牯度的关系 T a b l e7R e l a t i o n s h 量po fv b 啪s n ya n dc o n c e n t r a U o n 2 制浆影响因素分析 从制浆结果来看，神木煤与阜新煤均属难制浆 煤种，这与它们的煤质特性有关；但两种煤之间仍 有一定的差异．神木煤中氧含量较高，从红外光谱 分析结果[ ”可知，羧基含量较多．惰性组含量较多， 导致其润湿热较高“] ，因此，神木煤比新煤难制浆， 这与制浆影响因素分析结果是一致的，另外，为了 观察低温热解半焦加人量对煤浆成浆性的影响，作 者以浓度为6 3 ．6 9 ％为准，在制浆原料中分别加人 了1 0 ％，2 0 ％和3 0 ％的半焦，结果阜新煤浆粘度依 次为5 0 0 ，5 7 0 和4 8 0m P a S ，降低了煤浆的粘度． 神木煤亦有类似的效果． 2 ．1 煤化程度 煤化程度与煤浆定粘浓度之问有着规律性的 变化，朱书全等研究了具有代表性的1 7 个煤样 从 褐煤至无烟煤 的成浆性，结果表明，定桔浓度与煤 中的氧含量之问有如下关系 C F v 一7 6 ．3 6 一1 ．0 6 w Od B 『 ， 1 式中c h 为煤浆定粘浓度，％；w o d n 为氧的质 量分数． 即定粘浓度随煤化程度加深而降低．其实，煤 性质的差异不仅是氧含量与煤化程度有关，而且其 它的煤质因素诸如内在水分、可磨性指数等均与煤 化程度相关． 2 ．2 煤的亲水性、孔隙度及最高内在水分 根据煤太分子结构的表征，以含氧官能团为主 体的亲水性基团是镶嵌式结构分布在煤的芳核骨 架上的，这些活性基团在介质中的水化和离解使煤 具有亲水性，而煤表面烷基侧链等又使其具有疏水 性．根据研究，含氧官能团越多、亲水性越强的煤， 制得的水煤浆普遍都有较高的表观粘度和较低的 流动性，或者较低的煤浆浓度． 根据前人的研究结果[ “，表明煤孔结构特征要 比任何其它性质更直接影响煤的化学和物理行为， 孔隙度高的煤，其相应的水煤浆通常具有较高的表 观粘度和较差的流动性，而且煤孔隙度对煤浆性质 的影响还表现在不同的孔分布特征有不同程度的 影响，中孔的影响远比微孔显著．有些研究者发现， 尽管煤孔隙度是通过影响煤的吸水量来影响煤性 质的，但煤孔体积本身不仅与煤吸水量无直接相关 系，而且与煤浆性质亦不直接相关，这表明煤孔隙 度对煤浆性质的影响并非独立地发挥作用，也就是 说煤浆性质的评价应将煤孔隙度与表面亲水性紧 密结合起来，孙成功0 1 采用“有效孔体积”来表征煤 浆浓度的关系，结果发现，最高煤浆浓度分别与大 孔、中孔的“有效孔体积”呈线性相关，而与微孔的 “有效孔体积”呈近似抛物线规律变化． 煤表面亲水性 润湿性 的强弱可以由其吸水 量的大小来得以体现，碳含量为9 0 ％ 质量分数， 下同 左右的煤种恰恰具有最高的相对疏水性或最 低的相对亲水性．煤表面亲水性对煤成浆性的不利 影响主要表现在影响该分散体系自由水和非自由 水或“死水”的相对含量．非自由水与煤表面亲水状 态密切相关，并通过多层表面吸附和毛细管凝聚效 应被牢固束缚在煤表面及丰富的煤孔结构中而丧 失流动性．与此相反，自由水则可以自由流动于煤 粒间隙中充作润滑介质．R y u i c h iK a j i ⋯研究了褐煤 至无烟煤1 2 个煤种的煤的吸水量与它们的含氧 量、孔结构的关系，而含氧量体觋着煤中含氧官能 万方数据 第6 期吴国光等；水煤浆制浆试验研究与制备因素分析 团的多少，决定着煤表面亲水质点的多少及亲水性 的强弱，结果表明吸附水量与单独的孔体积没有较 好的相关性，但与亲水质点的数量之问有相当好的 线性关系，而亲水质点数量又正比于含氧量与表面 积的乘积． 2 ．3 可磨性 目前国际上广泛采用哈特葛罗夫可磨性指数 H G I 来表征煤的可磨性，煤的可磨性指数随煤化 程度的加深呈抛物线变化，并在碳含量为9 0 ％处 出现最大值，煤浆浓度与哈氏可磨性指数呈正相 关．H G I 越高，煤在磨碎过程中产生的细粒级或胶 态颗粒越多，煤粒度分布宽，堆积效率高，因而煤浆 浓度高． 2 ．4 煤岩组分 煤岩组分与煤化程度都是煤化学内容的重要 组成部分，但研究煤岩组分对煤炭成浆性的影响却 还很少，而且结论还有争议，这主要是还不能得出 像煤化程度与成浆性之间具有规律性的相关关系． 吴家珊等[ o 认为，由于丝质组富含多孔结构而对制 浆不利．而从表面性质看，镜质组和半镜质组富含 更多的含氧官能团而对制浆不利“] ．此外，丝质组 和镜质组之间的性质差异还表现在可磨性指数上． 一般说来，镜质组的H G I 指数较小，显微脆度较 小，不容易粉碎，所以常常富集于粗粒级物料中，而 丝质组恰恰相反．综合以上分析，在考察煤岩组分 对煤成浆性能的影响时，不能孤立地分析各种组分 的固有特性诸如i L 结构、孔隙度、含氧官能团 表面 亲水性 及可磨性指数，而必须将它们紧密而有机 地结合起来，综合评判煤岩组分对成浆性的影响． 2 ．5 煤粉粒度级配 煤粉间能否达到最紧密堆积，影响到能否制备 出高质量的水煤浆，丽煤颗粒间的紧密堆积与煤粉 的级配有着密切的关系，也就是说一定质量的煤在 添加剂选定的情况下，最佳的级配可制出高浓度、 低牯度的煤浆．F u n k 和D l n g e r [ 7 3 联合提出了 A l f r e d 公式，认为煤浆分散体系中煤粒度分布应服 从A l f r e d 公式 l ， 可D “ 疆- D s ， 2 式中y 为小于粒度D 的累计百分数，“；D 。为最 大粒径；D 。为最小粒径；n 为模数． 统计计算结果表明n 0 ．3 7 时，颗粒以此种 分布积起来，排列紧密，空隙率小，堆积率最高．但 在实际磨煤过程中，难于实现A l f r e d 分布，而更符 合R o s i n R a r a m l e r 分布 R 一1 0 0 e x p ～D ／D m “． 3 张荣曾利用R R 分布导出的B e n n e t 公式加以 修正得到 R i o o [ 一 D ～D s ／J 9 。] ， 4 式中R 为粒径大于D 的累计重量百分数，％；D 为某个颗粒的直径；仇为R 一3 6 ．7 ％时颗粒直 径，令R 一0 ．1 ％，可箅出最大直径． 尽管此分布的堆积率不如A l f r e d 高．但亦足 以达到制备浓度为7 0 ％～7 5 ％煤浆的要求o j ．EG 斯科连克等[ 8 1 根据F u r n a s 粒度级配理论，提出了 如下的粒度分布 C P P 1 0 0 ／Y D s ／ D L D s ， 5 式中C P P 为粒径小于D 的累计重量百分 数，％． 理论预测和试验结果都表明，级配模数”一 0 ．2 0 左右时，煤浆有最低的粘度．T a d a 口1 等认为粗 细煤粉按6 4 双峰 和7 3 三峰 的质量比混合 时，煤浆表观粘度最低，流动性最好，并且对每一组 合，粒度差别较大时，降粘作用更为显著． 以上的粒度分布形式不尽相同，结论却是一致 的，即在制备高浓度煤浆时，为了降低表观粘度，最 大限度地提高煤浆浓度，最优化的粒度分布应是双 峰或接近双峰的连续分布，对粒度连续的分布体 系，当粒度分布曲线的斜率较大或粗细颗粒相差较 大时，有可能制成高浓度、低牯度和良好流动性的 水煤浆o ] ． 2 ．6 低温热解与煤粒表面的疏水性 就低阶煤而言，由于其颗粒表面的亲水性以及 发达的孔结构和较高的孔隙度，因此无论是何种粒 度级配和性能优良的添加剂，都不可能根车上解决 难成浆的问题．国内外一些学者E 4 , 1 0 ] 采用低温加热 改善煤质的方法来提高煤浆质量，研究表明， 4 0 0 ℃前热解对孔结构改变不大，然而比表面积下 降约3 8 “，这可能是因为4 0 0 ℃时析出的挥发物 被截留在小孔中，并将它们堵塞，这样通过含氧基 团的分解和小孔的封闭减少了亲水质点的数量，从 而使煤粒表面疏水性提高．但从4 0 0 ℃至5 0 0 ℃ 时，w M H C 稍有增加，这或许是进一步的脱挥发 分，一定会增加孔体积，打开小} L 露出其表面，抵消 了由含氧基团分解引起表面亲水点减少的一部分 影响，从而使颗粒表面亲水性稍有增加[ 4 ] ，相似的 结论是由孙成功等[ “3 得出的，但热解温度以 3 0 0 ℃为宜，两者间的差异可能跟所用煤种有关． 作者采用低温热解半焦掺混 原料煤中制浆亦得 出了相似的结果． 万方数据 中国矿业大学学报第3 0 卷 2 ．7 添加剂的影响 添加剂的加入，能使煤表面的性质得以改善， 从而有利于制浆．但是不同类型的添加剂，或者即 使是同一类型的添加剂．甚至是同一种添加剂由于 磺化、缩合条件的不同，对煤成浆性都有不同的影 响，也就是说，添加剂的普遍适应性非常有限，不可 能仅用某几种添加剂普遍适用于所有的煤种．换言 之，添加剂的分子结构特征与煤质及其表面’性质问 存在着比较明显的匹配性．同时，添加剂用量对煤 浆粘度有一定的影响，朱书全对17 种煤样的制浆 试验结果表明 1 ] ，多数煤样的煤浆随添加剂用量的 增大其粘度变化不明显，而其它煤样的煤浆则随添 加剂用量的增加牯度略有增加或下降．说明粘度与 添加剂用量的变化关系不仅和煤样自身性质有关， 还与煤的实际制浆浓度有关． 3 结论 1 水煤浆制备因素十分复杂，煤中的含氧含 量、孔隙度、最高内在水分、可磨性、煤岩组分等是 主要因素，并且应该将这些因素综合考虑，同时，还 应考虑粒度分布、添加剂种类的影响． 2 低阶煤属难制浆煤种，通过掺人低温热解 的半焦可以改善其成浆性能．神术煤比阜新煤更难 制浆． 参考文献 [ 1 吴国光．低阶煤流化床低温热解焦油制水煤浆添加 剂的试验研究[ D ] ．北京中国矿业大学研究生部， 1 9 9 6 ． [ 2 3G d m e sW R ．T h ep h y s i c a ls t r u c t u r eo fc o a l [ A ] ．I n C o a lS c i e n c ev 0 1 ．1 [ E 1 ．NY A c a d e m i cP r e s s 。1 9 8 2 ． 2 1 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w a t e rm i x t u r e s [ J ] ．P o w d e rT e c h n o l o g y ， 1 9 8 8 ，5 5 4 2 4 1 2 4 5 ． [ 1 0 3 孙成功，吴家珊，李保庆．高浓度水煤浆的制备和研 究[ J ] ．燃料化学学报，1 9 9 6 ，2 4 2 1 3 11 3 8 ． [ 1 1 ] 孙成功，吴家珊，李保庆．低温热改质煤表面性质变 化及其对浆体流变特性的影响[ J ] ．燃料化学学报， 1 9 9 6 ．2 4 2 { 1 7 4 1 8 0 ． E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ha n dA n a l y s i so f F a c t o r sI n f l u e n c i n gC W SP r e p a r a t i o n W UG u o g u a n g ，G U OZ h a o b i n g s c h 0 0 Io fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h m a A b s t r a c t ．T h es l u r r y f o r m i n ga b i l i t yw a sr e s e a r c h e di nl a b o r a t o r yw i t ht w ol o wr a n kc o a l s F u x i nl o n g f l a m ec o a la n dS h e n m un o n c a k i n gc o a l ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h e i rs l u r r y t o r m i n ga b i l i t yi sv e r yb a d ． F a c t o r si n f l u e n c i n gp r e p a r a t i o no fc o a lw a t e rs l u r r y C W S w e r ea n a l y z e d ．F o rt h el o wr a n kc o a l ，t h eb a d s l u r r y a b i l i t yi sa t t r i b u t a b l et ot h eh i g hC o n t e n to fo x y g e nf u n c t i o n a lg r o u p s ，m o i s t u r eh o l d i n gc a p a c i t y ，a n d b a dg r i n d a b i l i t y ．T h e r e f o r e ，t h em e t h o do fl o wt e m p e r a t u r ep y r o l y s i sw a sp u tf o r w a r dt oe n h a n c ei t s h y d r o p h o b i c i t ya n di m p r o v ei t ss l u r r y f o r m i n ga b i l i t y ．T h ei n v e s t i g a t i o ni sab e n e f i c i a la t t e m p tt op r e p a r e C W Sw i t hl o wr a n kc o a l ． K e yw o r d s c o a lw a t e rs l u r r y { f a c t o r ；l o wr a n kc o a l ；s l u r r y f o r m i n ga b i l i t y 万方数据