侯金瑛 董憲姝

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

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分散介質(zhì)流變性對煤泥脫水性能的影響研究?

侯金瑛 董憲姝

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

摘 要研究了絮凝劑添加量和煤泥粒徑分布分別對晉城無煙煤脫水性能的影響規(guī)律,并結(jié)合分散介質(zhì)流變性分析其作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著絮凝劑添加量的增加,分散介質(zhì)的粘度增大,過濾時(shí)受到的粘滯阻力也增大,導(dǎo)致脫水速率減小并使得濾餅水分增加;當(dāng)煤泥粒度均勻度低時(shí),細(xì)顆粒不易嵌入空隙,同時(shí)分散介質(zhì)粘度小,過濾時(shí)粘滯阻力小,過濾速率大,但也造成了微細(xì)顆粒增多,使得水分增加;當(dāng)絮凝劑添加量為50 g/t且煤泥粒度均勻度低時(shí),脫水速率可達(dá)到7.51 m L/s,濾餅水分可保持在較低水平,為24.06％。

關(guān)鍵詞脫水速率 粘度 粒度分布 絮凝劑

Research on the effect of rheological property of dispersion medium on the dewatering performance of coal slime

Hou Jinying,Dong Xianshu
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Abstract The influence rule of flocculant dosage and particle size distribution of coal slime on the dewatering performance of Jincheng anthracite was studied,and combining with the rheological property of dispersion medium,the action mechanism was analyzed.The test results indicated that the viscosity of dispersion medium was increased with the increasing of flocculant dosage,which leaded to the increase of viscous resistance and the decrease of dehydration rate,so that the water content of filter cake increased.Fine particles were not easy to be embedded into the gaps when the uniformity of coal slime＇s particle size was low,it leaded to the small viscosity of dispersion medium,the low viscous resistance and the high filtration rate,while it caused the increasing of minute particles and the water content of filter cake.When the flocculant concentration was 50 g/t and the uniformity of coal slime＇s particle size was low,the dehydration rate reached 7.51 m L/s and the water content of filter cake was 24.06％that was at a lower level.

Key words dehydration rate,viscosity,particle size distribution,flocculant

目前選煤廠中濕法選煤方法較多,隨著國內(nèi)外用戶對煤炭產(chǎn)品水分要求的提高,對煤炭產(chǎn)品的脫水也提出了更高的要求.煤泥水沉降與壓濾過程是在流體運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)的,其效果與懸浮液的流變特性有關(guān),因此煤炭產(chǎn)品脫水過程中流變特性的研究是十分必要的.

國內(nèi)外在漿體流變性方面的研究日益受到關(guān)注,對漿體的處理具有重要的意義.煤顆粒的大小、分布以及濃度對煤漿流變性有很大的影響,并可通過改變煤漿體系中煤的顆粒分布,在保持較高濃度時(shí)制備出具有較低黏度的油煤漿.絮凝污泥懸浮液體系的表觀粘度與污泥濃度有關(guān),其流變曲線符合Herschel－Bulk模型.相關(guān)專家研究了溫度、固含、堿濃度以及粒度等因素對三水——一水軟鋁石型鋁土礦原礦漿流變性的影響,在不同條件下原礦漿表現(xiàn)為不同的流體類型;還有專家在對浮選泡沫流變性的研究綜述中指出,泡沫的流變性與泡沫上水的停留時(shí)間、殘留量及精礦有關(guān),可應(yīng)用于浮選模型的建立與放大.

煤泥粒度組成、礦物組成、表面官能團(tuán)性質(zhì)及藥劑對煤泥脫水都有很大的影響,本文以晉城無煙煤為研究對象,研究了藥劑添加量和煤泥粒徑分布對煤泥水沉降脫水以及濾餅水分的影響,并從分散介質(zhì)流變性方面分析其影響過程作用機(jī)理,為煤泥脫水理論完善提供思路.

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)所用煤樣為晉城無煙煤,參照GB/T 477 －2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》對原煤進(jìn)行篩分試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1　原煤進(jìn)行篩分試驗(yàn)

由表1可以看出,煤泥水中小于0.075 mm粒級占46.02％,灰分為25.20％.

將煤樣過篩,制得滿足試驗(yàn)要求粒度的煤樣,即－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm和－0.075 mm密封保存?zhèn)溆?

1.2試驗(yàn)藥劑及設(shè)備

試驗(yàn)所用藥劑為聚丙烯酰胺,沉降后上清液粘度測量使用烏氏粘度計(jì),烏氏粘度計(jì)如圖1所示,脫水裝置為自制的真空抽濾裝置.

1.3試驗(yàn)方法

將煤樣配制成40 g/L的懸浮液,攪拌均勻后靜置2 h,加入不同用量的聚丙烯酰胺絮凝劑,用量分別為50 g/t、100 g/t、150 g/t、200 g/t、250 g/t、300 g/t和350 g/t,參照MT/T190－1988《選煤廠煤泥水沉降試驗(yàn)方法》進(jìn)行沉降試驗(yàn),沉降2 min后取其上清液,使用烏氏粘度計(jì)測試其粘度,并參照MT/T260－1991《選煤廠煤泥過濾性測定方法》進(jìn)行過濾脫水試驗(yàn).

1.4試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

沉降后上清液粘度η計(jì)算見式(1):

圖1　烏氏粘度計(jì)

式中:η——上清液動(dòng)力粘度,mPa·s;

g——常數(shù),m/s2;

ρ——上清液密度,g/cm3;

h——平均等效液柱高度,cm;

V——c球體積,m L;

l——毛細(xì)管長度,cm;

t——測定時(shí)間,s.

脫水速率v計(jì)算見式(2):

式中:v——脫水速率,m L/s;

Vi——濾餅表面可見水消失前階段的濾液體積,m L;

ti——濾餅表面可見水消失前階段的脫水時(shí)間,s.

濾餅水分Mt計(jì)算見式(3):

式中:Mt——濾餅全水分,％;

W0——濕濾餅質(zhì)量,g;

Wt——105℃～110℃鼓風(fēng)干燥2.5 h后干濾餅的質(zhì)量,g.

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1絮凝劑添加量對脫水性能的影響

將－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm和－0.075 mm粒級的煤泥水(其煤泥水濃度為40 g/L),添加不同用量的絮凝劑沉降2 min后,取其上清液測試其粘度,并測試其脫水速率及濾餅水分.隨著絮凝劑添加量的增加,不同粒級煤泥水上清液粘度、脫水速率及濾餅水分的變化規(guī)律相似,因此以粒級為－0.075 mm為例進(jìn)行闡述.

2.1.1絮凝劑添加量對上清液粘度的影響

不同藥劑用量對煤泥沉降后上清液粘度的影響如圖2所示.

圖2　不同藥劑用量對煤泥沉降后上清液粘度的影響

由圖2可以看出,隨著聚丙烯酰胺添加量的增加,上清液粘度值呈上升趨勢.絮凝劑用量由50 g/t增加到350 g/t時(shí),上清液粘度由0.895 mPa·s增至0.909 mPa·s.沉降過程中,當(dāng)絮凝劑用量為50 g/t時(shí),煤泥即可得到有效沉降,當(dāng)絮凝劑繼續(xù)增加到350 g/t時(shí),沉降效果反而變差,－0.075 mm煤泥水添加不同量絮凝劑沉降效果圖如圖3所示.

圖3　添加不同量絮凝劑沉降效果圖

由圖3可以看出,絮凝劑用量較少時(shí),絮凝劑長鏈親固基團(tuán)在煤顆粒表面可以得到有效吸附;絮凝劑用量過大時(shí),煤顆粒表面均被絮凝劑分子所飽和,不再有吸附空位,絮凝劑不能再實(shí)現(xiàn)架橋作用,反而會(huì)因空間位阻效應(yīng)使得分散體系穩(wěn)定,懸浮液流動(dòng)性降低,絮凝顆粒空位基本飽和,上清液中會(huì)有藥劑殘留而使得粘度增大.

2.1.2絮凝劑添加量對脫水速率的影響

將樣品在0.04 MPa真空度條件下進(jìn)行抽濾脫水,－0.075 mm煤泥濾餅水分不同藥劑量對煤泥水脫水速率的影響如圖4所示.

圖4　不同藥劑用量對煤泥脫水速率的影響

由圖4可以看出,隨著聚丙烯酰胺添加量的增多,脫水速率呈下降趨勢,當(dāng)絮凝劑用量由50 g/t增加到350 g/t時(shí),脫水速率由7.507 m L/s減小至0.851 m L/s.這是由于添加絮凝劑量少時(shí),絮凝劑分子在煤顆粒間形成架橋作用,形成較大的絮團(tuán),比較蓬松,水分通過濾餅的阻力較小;添加絮凝劑量大時(shí),由于藥劑量過大,顆粒因空間位阻效應(yīng)形成分散體系,經(jīng)震蕩后絮團(tuán)會(huì)被打散破裂,散碎的絮團(tuán)則會(huì)形成較密實(shí)的濾餅,水分通過濾餅阻力大.結(jié)合圖2可知,當(dāng)藥劑添加量少時(shí),上清液粘度小,則水分在通過濾餅毛細(xì)管時(shí),濾餅對水分的粘滯力相對較小,使水分較易通過濾餅.

2.1.3絮凝劑添加量對濾餅水分的影響

對抽濾后樣品濾餅水分進(jìn)行測量,不同藥劑用量對濾餅水分的影響如圖5所示.

由圖5可以看出,隨著藥劑添加量的增加,濾餅中的水分也在增加,當(dāng)絮凝劑用量由50 g/t增加到350 g/t時(shí),濾餅水分由24.06％增至31.45％.由圖4的脫水速率分析可知,當(dāng)藥劑用量少時(shí),濾餅蓬松,水分在通過濾餅時(shí)受到的粘滯阻力小,濾餅毛細(xì)管水分及絮團(tuán)結(jié)合水都比較少且抽濾后濾餅的水分也減少;當(dāng)藥劑添加量增大時(shí),絮團(tuán)呈分散狀態(tài),絮團(tuán)較小,比表面積大且上清液粘度大,水分在通過濾餅時(shí)水分受到的粘滯阻力力也加大,易致使顆粒與水結(jié)合,水分殘留在濾餅中導(dǎo)致水分也增加.

圖5　不同藥劑用量對濾餅水分的影響

2.2煤泥粒徑分布對脫水性能的影響

2.2.1煤泥粒徑分布對上清液粘度的影響

不同粒徑分布(－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm、－0.075 mm)對煤泥水沉降后上清液粘度的影響如圖6所示.

圖6　不同粒徑分布對煤泥水沉降后上清液粘度的影響

由圖6可以看出,隨著顆粒粒徑分布變窄,沉降后上清液粘度值大都變小.這是由于相較于分布窄的煤泥,顆粒粒徑分布寬則意味著顆粒含量較少,添加相同量的絮凝劑,粒徑分布寬,則絮凝劑易在煤顆粒表面吸附飽和.當(dāng)絮凝劑用量較少(50 ～150 g/t)時(shí),各粒級煤泥沉降后上清液粘度相差不大;當(dāng)絮凝劑用量繼續(xù)增大(200～350 g/t) 時(shí),－0.5 mm煤泥沉降后上清液粘度較其它粒級相差較大.

2.2.2煤泥粒徑分布對脫水速率的影響

不同粒徑分布的煤泥脫水速率如圖7所示.由圖7可以看出,隨著粒級分布變窄,脫水速率反而增大,這是因?yàn)榱＜壏植颊?即分布均勻度低時(shí),在過濾脫水形成濾餅過程中,小顆粒不會(huì)填補(bǔ)在大顆粒間隙,對水分粘滯阻力較小,水分較易通過.另一方面,由圖6可知,粒級分布窄的煤泥水沉降后上清液粘度較小,即分散介質(zhì)粘度較小,在抽濾脫水過程,分散介質(zhì)在通過濾餅時(shí)受到的粘滯阻力較小,較容易通過.

圖7　不同粒徑分布對脫水速率的影響

2.2.3煤泥粒徑分布對濾餅水分的影響

不同粒徑分布對濾餅水分的影響如圖8所示.

圖8　不同粒徑分布對濾餅水分的影響

由圖8可以看出,隨著粒徑分布變窄,濾餅水分也變大.這主要是因?yàn)榱椒植颊?則含有較多的微細(xì)顆粒(－0.045 mm顆粒),已經(jīng)研究證實(shí),－0.045 mm的微細(xì)顆粒是主要影響煤泥脫水的主要因素,易堵塞孔隙,造成毛細(xì)管水分增多.

3　結(jié)論

(1)絮凝劑用量對煤泥脫水性能有極大的影響,對于－0.075 mm煤泥,當(dāng)絮凝劑添加量由50 g/t增加到350 g/t時(shí),過濾速率由7.51 m L/s減小為0.85 m L/s,濾餅水分則由24.06％增至31.45％.當(dāng)絮凝劑添加量增加到過量時(shí),絮凝劑由在顆粒間的有效架橋變?yōu)榉€(wěn)定的分散體系,分散介質(zhì)粘度增大,水在通過濾餅時(shí)受到的粘滯阻力增大,致使脫水速率減小,濾餅水分增加.

(2)煤泥粒度組成不同即粒徑均勻度不同對煤泥脫水性能有極大的影響.窄粒徑煤泥由于其均勻度較低,因此在形成濾餅時(shí),細(xì)顆粒不易嵌入顆粒空隙.由于其分散介質(zhì)粘度較小,兩者共同作用使得水分在通過濾餅時(shí)粘滯阻力小,過濾脫水速率大.由于微細(xì)顆粒的增加,其比表面積大且表面能高,顆粒表面結(jié)合水增加.

(3)當(dāng)藥劑添加量適當(dāng)即絮凝劑用量為50 g/t 時(shí),煤泥分布均勻度較低,煤泥脫水速率可達(dá)到7.51 m L/s,濾餅水分可保持在較低水平,為24.06％.

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

作者簡介:侯金瑛(1991－),女,山西晉中人,太原理工大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榧?xì)粒煤泥脫水機(jī)理的研究與分析。

基金項(xiàng)目:?節(jié)能減排技術(shù)研究專項(xiàng)——煤泥處理成套工藝、技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研究與應(yīng)用(20130313001－2)

中圖分類號TD946.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A