生物质水煤浆流变特性研究

煤质技术一全国中文核心期刊矿业类核心期刊《cAcD规范》执行优秀期刊生物质水煤浆流变特性研究邓晖,罗祖云,林荣英,林诚(福州大学化学工程与技术研究所,福建福州350108)摘要:以福建无烟煤、水葫芦、添加剂等制备生物质水煤浆,研究了其流变特性。结果表明:添加3%~3.5%的水葫芦及1%的分散剂制得的生物质水煤浆粘度在0.8~1.2Pa·s之稳定性较好。生物质含量提高,生物质水煤浆的粘度逐渐上升;分散剂含量为1%时,能够制得流变性较佳的生物质水煤浆;搅拌强度的增加能够使生物质水煤浆的粘度降低;当温度低于60℃时生物质水煤浆的粘度随温度升高而下降;当温度高于60℃时,生物质水煤浆的粘度随温度升高而上升。关键词:生物质水煤浆;流变特性;无烟煤;水葫芦;分散剂中图分类号:TQ536文献标识码:A文章编号:1006172(2010)03008705随着石油、天然气资源的急剧减少,开发以煤目前文献上查到刘世义提出的生物质水煤浆是利代油的新型洁净燃料已成为大势所趋。目前世界用工业上的污泥制煤浆,还没有利用水葫芦、秸秆各国开发研制煤浆燃料,主要种类有:油煤浆、水煤等生物质制备生物质煤浆的研究报道。浆,油水煤浆,甲醇煤浆,生物质水煤浆。已开发的考察了不同的煤种、分散剂种类及添加量搅拌强各种煤浆一般都选用挥发分含量高、活性好的煤,度和温度等因素对生物质水煤浆流变特性的影响,以文献上查到的生物质水煤浆是刘世义口提出的利期制得粘度适中稳定性良好的生物质水煤浆。用工业上的污泥制煤浆。福建煤炭储量98%均为挥发分低、灰熔点低、1实验部分着火点高、燃烧性差、粉碎性强的低活性无烟煤,限1.1样品制备制了其在福建省氮肥、水泥、陶瓷、玻璃、建材等工试验煤样采用福建3种不同产地的无烟煤:大业中的直接应用。如何合理并有效地利用这些劣田无烟煤(DT)、永安无烟煤(YA)、龙岩无烟煤质煤,对发展福建地方经济乃至中国经济和环境保(LY),煤样的工业分析和元素分析见表1。试验选护都具有十分重要的意义。另外以生物质作为新用3种阴离子分散剂:聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、亚甲能源的研究工作当前已成为国内外研究热点,也是基萘磺酸盐甲醛缩合物(NSF)、木质素磺酸钠国家的发展战略之一,生物质能开发利用技术则被(LS)。水葫芦在120℃下干燥24h通过德国IKA认作是最有效的减碳手段,被列为“世界十大害草”A11分析研磨机研磨,所得水葫芦粉状物作为生物之一的水生植物——水葫芦还亟待能源开发化利质。将无烟煤用球磨机研磨至粒度小于0.075mm用。因此。提出利用水葫芦、福建无烟煤以及其它占75%,称取无烟粉煤55%(质量分数),分散剂用助剂制备新型生物质水煤浆,作为重油的替代品用量为整个试样的1%,将生物质按整个试样的于燃烧,以降低燃料成本,既提高无烟煤的燃烧活2.5%、3%3.5%掺人,其余为水,恒温25℃,搅拌性又降低煤的用量,并且充分利用了生物质资源。速率TH擋拌时间为10min,制得生物质中国煤化工收稿日期:2010-03-30CNMHG基金项目:福建省科技厅青年人才项目资助(20063070)作者简介:邓晖(1983-),男,福建三明人硕士研究生,主要从事可再生资稳开发技术的研究。Emol:Menghu330@hotmail.com;通讯作者林荣英,Emol: linry@ fzu物夯搪变特性研究煤质技术水煤浆。表1煤样的工业分析和元素分析工业分析/%元素分析/%煤种3.4473.320.7113.722.4880.982.470.085.880.80采用美国麦克ASAP2020MP物理吸附分析仪,2.1煤种对生物质水煤浆粘度的影响利用不同相对压力条件下对应的吸附气体的体积在3种福建无烟煤中,分别以占整个样品数据,可以计算出煤样的比表面积以及孔径分布2.5%3%、3.5%、4%4.5%的比例添加生物质,添等。比表面积用BET方法计算孔体积用BJH法计加1%分散剂和55%煤粉,其余为水制备生物质水算,孔体积-孔径分布用DFT密度函数方法。结煤浆可得不同煤种与生物质水煤浆粘度的关系,果见表2如图1所示。图(a)中DT煤与YA煤所得生物质水煤浆粘度相差不大,而LY煤较另外2种无烟煤表2比表面与孔径分析结果所得粘度小;图(b)中DT煤与YA煤所得生物质水煤浆粘度仍然相近,且3种无烟煤在生物质含量为单点比表面积/(m2·g1)282.982393.5%时所得生物质水煤浆粘度相近,但是当生物吸附平均孔径宽度/2.28374.8057质含量继续上升时,LY煤明显小于另外2种无1.2性能测试烟煤。试验采用NXS-11A旋转粘度计测试生物质水总之,在生物质含量为2.5%时,不同的福建无煤浆的表观粘度值来表征生物质水煤浆的流变特烟煤制得的生物质水煤浆的粘度相近;当生物质含性。测试条件为恒温25℃,稳定10min后,每隔量为3%-35%时制得的生物质水煤浆粘度在min记录1个数据,最后取平均值作为生物质水煤8~1.2Pa·s之间,且稳定性较好;生物质水煤浆浆粘度值。粘度随生物质含量的增加而上升。在不同分散剂作用下,LY煤制备的生物质水煤浆表观粘度均2结果分析与讨论较低。一DTHYAHYA-LY02.53.03.54.04.55.0生物质含量伟%生物质含量/%(a)分散剂:NSF(b)分散剂:LS图1不同煤种类与生物质水煤浆粘度的关系图文献[3]指出:若煤具有较大的比表面积、孔径相差不大,其中的OC的差值在3%~5%。但是根和丰富的微孔、较大的微孔体积,会导致水煤浆分散据表中国煤化工于另外2种无烟体系中的水向煤微孔进行深层次的渗透和毛细管凝煤因CNMH备的生物质水煤聚作用,使分散体系中的流动水减少,对水煤浆的成浆粘度均小于DT煤及YA煤浆难易产生重要影响。由表1可知,3种无烟煤煤质《洁净煤技术》2010年第16卷第3期煤质技术全国中文核心期刊矿业类核心期刊《cAcD规范)执行优秀期刊22分散剂种类对生物质水煤浆粘度的影响小为LS>NSF>FS。对于YA煤,如图(b)所示,生在3种福建无烟煤中,分别以占整个实样25%、物质含量在2.5%~35%之间时,采用不同分散剂制3%3.5%4%45%的比例添加生物质,添加1%分得的生物质水煤浆粘度相近,当生物质含量继续上升散剂和5%煤粉,其余为水制备生物质水煤浆,可得时,采用PS作分散剂制得的生物质水煤浆粘度大于不同分散剂种类与生物质水煤浆粘度关系,如图2所采用其他2种分散剂时的粘度。由于煤浆的合适粘示。以DT煤与LY煤为例,如图(a)(c)所示,可以看度为0.8~1.2Pa·s,因此PS作为分散剂对福建无出使用不同分散剂制备的生物质水煤浆粘度由大到烟煤制备生物质水煤浆的分散效果是最佳的。HPSS2.50→PSs14◆PsNSF1.20→NsFe1 -+LS0.604.05.03.0b生物质含量伟%生物质含量/图2不同分散剂种类与生物质水煤浆粘度关系图分散剂对水煤浆的分散降黏机理主要是由于好,所制成的生物质水煤浆表观粘度的差异主要是分散剂分子在煤粒表面吸附,吸附的分散剂分子使来源于分散剂种类的影响。煤表面静电斥力升高,并在煤表面形成一定的空间23分散剂含量对生物质水煤浆粘度的影响位阻此双重作用导致了煤颗粒的分散。文献[5以DT煤为实验煤样,生物质含量3%,分散剂6]认为,水煤浆分散剂分子量的大小对其分散降含量为0.5%、0.75%、1%、1.25%、15%制备生物黏能力影响很大。较高的分子量,在煤颗粒表面吸质水煤浆为例,可得出分散剂含量对生物质水煤浆附时产生的空间位阻较大,因此分散降黏能力高;的影响如图3所示分子量较低时,如果磺酸基和羧基含量相对较高,在煤表面吸附产生的静电斥力较大,因此掺量较高时也具有较优的分散降黏能力;如果分子量较低且磺酸基含量也较低时,其在煤粒表面难以吸附,在0.80煤表面产生空间位阻和静电斥力的作用都较弱,因此分散降黏能力较差。0.2煤种:DT:生物质量:3木质素磺酸钠是一种具有多芳环结构、酚基和0.300.600.901.201.50羟基的阴离子型表面活性剂,普通的木质素磺酸盐分散剂含量伟分子质量约为4000分散效果不及芳环甲醛缩合图3分散剂含量对生物质水煤浆的影响物类表面活性剂,并且不稳定,但价廉。萘系磺由图3可知生物质水煤浆的粘度随分散剂用量酸类分散剂与非离子型分散剂相比,价廉易得,分的增加而降低。当分散剂NSF及LS含量低于散降粘效果尚佳,其目前分子量比早期产品有很大提高,有的可达10000左右。聚苯乙烯磺酸钠0.5%时,所制备的生物质水煤浆粘度大,且成浆困难。PSS为分散剂时,所制备的生物质水煤浆粘度(PSS)是一种阴离子型高分子分散剂,它的分子量相差不大,且粘度均较低。但PSS价格远大于NSF一般为15000~2000,加入量少,无论是分散性、煤及LS。因此,在保证浆体流变特性符合实际应用的浆稳定性都比NSF等传统分散剂优越由上述可知3种分散剂分子量大小为1R>数提少。结合文献[8中国煤化工NSF>LS,所以PS作为分散剂对福建无烟煤制备生物质水煤浆的分散效果是最佳的。总体上说实加剂CNMHG某浆最合理的添验采用的3种不同产地的福建无烟煤成浆性能都较24搅拌强度对生物质水煤浆粘度的影响以LY煤、生物质含量3%制得的生物质水煤浆生物质水煤浆流变特性研究方数据质技术为例,可得搅拌强度对生物质水煤浆粘度的影响如2.5温度对生物质水煤浆粘度的影响图4所示。由图4可看出,随着搅拌强度的增大,生以DT煤为实验煤样,分散剂添加量为1%、生物质水煤浆的粘度逐渐降低。搅拌强度变化会改变物质含量为3%、3.5%制备生物质水煤浆为例,可添加剂在煤颗粒表面的吸附量但是不会明显改变添得温度对生物质水煤浆粘度的影响,如图5所示。加剂的吸附特性。当搅拌强度较低时煤粉颗粒在水由图5可看出,在20~60℃之间随着温度的升高中分散不均匀,与添加剂的接触不充分,添加剂会有生物质水煤浆的粘度迅速降低,但是当温度由60℃很大部分存在于水中,未起到分散降粘的作用,而经继续上升时,生物质水煤浆的粘度呈现出上升的过高速剪切后,提高了添加剂在煤颗粒表面的吸附趋势。性,从而使浆体的粘度显著降低。随着温度升高,浆体的体积膨大,浆体中固体1.10颗粒间距以及各粒子的自由运动幅度增大,减少了相互吸引力;另一方面温度升高,会增大分散剂的活性更加有利于其在煤表面吸附,分散剂的效能提高,降粘性能增强;而且温度升高时煤粒在浆体中的布朗运动加快,这样更容易打开煤粒之间的团0.70煤种:LY;生物质量:3%聚结构,使煤粒的分散更均匀,使得粘度有所降低。12001700因此将煤浆进行适当预热可有效降低其粘度,有搅拌强度(r·min利于喷烧时雾化和管道输送。图4攬拌强度对生物质水煤浆粘度的影响901-PSS--PSS一NSF·四e0.0.700.40020a6副温度/℃温度/℃(a)煤种:DT:生物质量:3%(b)煤种:DT:生物质量:3.5%图5温度对生物质水煤浆粘度的影响但是,当制浆温度过高时,吸附在煤表面的分降。分散剂含量为1%左右时,能够制得流变性较散剂容易脱附,煤粒互相团聚,并且随着温度的升佳的生物质水煤浆。高,生物质水煤浆中的水蒸发的量也随之增大,因(3)在20~60℃之间随着温度的升高,生物此容易导致浆体的表观粘度升高。质水煤浆的粘度迅速降低但是当温度由60℃继续3结论上升时,生物质水煤浆的粘度呈现出上升的趋势。可以利用这点改善生物质水煤浆在输送、雾化燃烧1)当生物质含量上升时,其粘度随生物质含时的性能。量的增加而上升。水葫芦干燥后,纤维含量高,吸水性强,故随着生物质含量的提高,生物质水煤浆参考文献的粘度逐渐上升。当生物质含量为3%~3.5%时,[1]刘世义生物质水煤浆及其相关技术[J节能与环制得的生物质水煤浆粘度在0.8~1.2Pa·8之间保,2006(1):12-14且稳定性较好。搅拌强度的增加能够使生物质水2]中国煤化工10表征活性炭样品煤浆的粘度降低。30(2):4.(2)分散剂含量在0.5%-1.5%范围内随着3CNMHG斯煤成浆及燃烧特分散剂含量的上升,生物质水煤浆的粘度逐渐下性研究[能源工程,2007(4):24-26.[4]周明松杨东杰邱学青不同来源木质素磺酸钠对水《洁净煤技术》2010年第16卷第3期煤质技术全国中文核心期刊矿业类核心期刊《 CALCD规范)行优秀期刊煤浆流变特性的影响[门]高校化学工程学报,2007,[8]邹立壮朱书全,支献华,等.不同水煤浆添加剂与煤21(3):386-391.之间的相互作用规律研究—分散剂用量对水煤浆[5]邱学青,周明松,王卫星,等不同分子质量木质素磺流变特性的影响(Ⅳ)[J].中国矿业大学学报,2004酸钠对煤粉的分散作用研究[J].燃料化学学报33(4):370-3742005,33(2):179-18[9]宋彬彬.褐煤低温热改质及成浆性能研究[D].大连[6]潘相卿曾凡傅晓燕腐植酸类水煤浆添加剂性能与大连理工大学,2008其级分的关系研究(I)分散性能与级分的关系[J.[10]但盼邱学青周明松温度及剪切时间对水煤浆表煤炭转化,1999,22(1):38-42.观粘度及流变性影响[J].煤炭科学技术,20]孙慈忠表面活生剂在水煤浆制浆中的应用[J].技术36(6):103-1进展,2002(8):17-18.Study of biomass coal water slurry rheological behaviorDENG Hui, LUO Zu-yun, LIN Rong-ying, LIN ChengInstitute of Chemical Engineering and Technolog, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)Abstract: Rheological behavior of biomass coal water slurry containing Fujian anthracite, water hyacinth and dis-persant were described. The results illustrat that the biomass coal-water slurry made by 3%-3.5% water hyacinthand 1% dispersant could be produced at acceptable viscosity within 0. 8Pa. s to 1. 2Pa. s with excellent stabilityThe viscosity of biomass coal water slurry increase while biomass content increasing. When 1% dispersant is addedthe rheological behavior of biomass coal water slurry tum better; The viscosity of biomass coal water slurry becomelower as the mixing time extended. As the temperature is under 60C, the viscosity of biomass coal water slurry de-cline. Above60℃Key words: biomass coal water slurry; rheological behavior; anthracite; water hyacinth; dispersant(上接99页)减少用电量测定结果准确。长的时间,以保证碳酸盐完全分解及二氧化碳完全3注意事项驱出参考文献:(1)煤样在灰皿中要铺平,以避免局部过厚,否则燃烧不完全,造成结果偏高。[1]GBT212-2008,煤的工业分析方法[S].(2)灰化过程中始终保持良好的通风状态使[2]李英华煤质分析应用技术指南[M].北京:中国标准硫氧化物一经生成就及时排出,因此要求马弗炉装出版社,1999有烟囱。[3]白俊仁,刘风岐姚星一,等煤质分析(第2版)[M]3)在足够高(大于800℃)的温度下灼烧足够北京:煤炭工业出版社,1990Study of rapid determination of coal ashYU Yang-boGuizhou Agency of Quality Supervision and Inspect of Co中国煤化工Abstract: Compare the method of GB/T 212 -2008 and rapid detCN Ghe results show thatthe latter method shorten the analysis time, save electric energy and labour power, acquire accurate analytic result.Key words: rapid determination method; standard technique; ash生物质水煤浆流变特性研究