配煤对水煤浆性质的影响

第32卷第2期中国电机工程学报Vol.32No.2Jan.15,20122012年1月15日Proceedings of the CSEEC2012 Chin. Soc. for Elec Eng. 31文章编号:0258-8013(20102003108中图分类号:TQ530文献标志码:A学科分类号:47020配煤对水煤浆性质的影响胡亚轩,刘建忠,王睿坤,虞育杰,周俊虎,岑可法能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学),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,煤分别相配,以及配比的不同,对水煤浆的流变性及稳定性and Huangling coals, were blended with each other in different影响不同;配煤制浆对浆体的成浆性影响具有明显的非线性proportions, and the effect of blending coals on the slurry特点,实验中配煤制浆的实际成浆浓度和线性加权平均得到ability, rheology and stability of coal water slurry(cWS)的最大成浆浓度间最大相差1.82个百分点。稳定性试验表were studied. The slurry ability, rheology and stability of明,在正常的水煤浆浓度下,无论是单煤还是配煤制取的水Cws prepared by the single coal were also researche煤浆,20天后析水率都比较合理,在15%以下。不同的煤Results show that coals with lower o/c ratio have better种配煤制浆后对稳定性有不同的影响slurry ability. The coal water slurries behave as the properties关键词:水煤浆;最大成浆浓度:流变性:稳定性;非线性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水煤浆是一种新型的煤基代油清洁燃料,在and stability of CwS. However, blended with the same coaldifferent coal type and blending ratio have different effects or煤的气化等洁净煤技术上具有重要应用2。它是约the rheology and stability. In addition, the effects of coal60%70%的煤粉和30%40%的水及少量添加剂组成的悬浮分散体系,具有低污染、易泵送、燃烧效concentration of blending coal water slurry is not equal to率高等优点。研究表明煤质因素对水煤浆的性质weighted average value of indiⅳ vidual coal, with the maximum有很大影响,主要包括煤的碳质量分数、空气平衡deviation reaching1.82 percentage points. Stability水分、可磨性指数、灰分质量分数、可溶矿物离子experiment shows that, water separation ratio after 20 days煤的比表面积、空隙结构、煤表面的电位性质、丝below 15% for either the single coal or the blending coal质组分的质量分数及煤灰成分分析中SiO2的质量water slurry. and blending different coals has different effectson the stability.分数等47。因此水煤浆的制备对煤种的选择有一定的要求,这也成为水煤浆技术应用与推广过程中的KEY WORDS: coal water slurry (CWS); maximum solid瓶颈,如何扩大制浆用的煤种范围,特别是采用难concentration; rheological characteristics; stability; non-linear制浆的煤种制得高浓度、低黏度、流动性好的水煤摘要:通过对石港、小屯、兖州、黄陵4种煤进行单煤制浆浆一直是人们关注的问题。配煤则是一种能改善及不同比例2种煤的配煤制浆实验,研究配煤制浆对水煤浆难成浆煤的成浆性能、扩大制浆煤种的简易而又经的成浆性、流变性及稳定性的影响。单煤的成浆性研究表明不同煤种成浆浓度有差异,氧碳比低的煤种成浆性较好,最济的方法門。本文选取变质程度不同的4种煤,按大成浆浓度较高:水煤浆在一定浓度范围内具有剪切变稀的照不同比例配比制浆,研究2种煤相配制得的水煤非牛顿流体特性,且浓度越高剪切变稀特性越明显。配煤制浆的成浆性、流变性和稳定性,从中获得配煤制浆浆中,由于煤种间的相互作用效果不同,同一种煤与不同的对水煤浆性中国煤化工落金项日国家重点基础研究发展计划项日2项目X1实验CNMHG227001)。The National Basic Research Program of China (973 Program)1.1试验样品及制备(2010CB227001)从表1中看到,各种煤的挥发分含量及氧碳比中国电机工程学报第32卷表14种试验用煤的煤质分析2结果与讨论Tab 1 Ultimate and proximate analysis offour coals for experiment2.1单煤成浆特性图1为4种不同变质程度的煤制取水煤浆的黏工业分析%发热量元素分析%煤种度一浓度关系曲线。由图1可见,4种煤的成浆规律一致,制取的水煤浆随着浓度的增加,黏度增大。石港1.2731.4290358292250757612921.002.263.53其中,在相同的浓度下,变质程度相对较低的两种小屯1.4428.3911.1459032390661433021.260.344.11煤,黄陵煤和兖州煤的水煤浆黏度较髙。一般要求究州1.661423312852832827169584461.000.758.32黄陵34829.5723.0243.932247154883.530.850.47722水煤浆的黏度小于1200mPa:s2,而工业应用的水不同。石港煤和小屯煤属于煤阶较高的无烟煤和贫煤浆黏度通常为1000mPas。将表观黏度为煤,兖州和黄陵煤则是煤阶较低的烟煤。氧碳比的1000mPas时的浆体浓度定为水煤浆的最大成浆浓度,可以得到这4种单煤的最大成浆浓度,如表2。不同表征了煤的变质程度不同,煤的变质程度不从表2可以看出,氧碳比低的煤种,最大成浆浓度同也使煤在水含量、氧含量、灰分方面都发生了质的差异,由此影响到煤的成浆特性。较高,成浆性较好。一般来说,氧碳比低的煤种变质程度高。煤种的变质程度越高,其中的亲水官本文采用干法制浆:将表1中的4种煤磨制成煤粉,并过200目筛。根据所需的配比称取煤粉,能团含量就越低,内在水较低,孔隙结构不发达成浆性会越好。加入质量为干煤粉量0.8%的亚甲基萘磺酸钠-苯乙烯磺酸钠马来酸钠,倒入去离子水中,搅拌均匀。石港小电电动搅拌器的转速为800~1000r/min,搅拌时间为一黄陵15min。配煤制浆中,2种煤的比例选为2:8、4:6、5:5、6:4、8:2。1.2水煤浆表观黏度测量水煤浆的表观黏度由美国 thermo公司生产的HAAKE VT550型黏度计进行测量。根据GB/T188564-2002规定的方法测量水煤浆的黏度浓度%和流变特性:设定试验温度为(200.1)℃,按仪器图1实验单煤黏浓特性要求取适量待测浆样,加入测量容器中,连接好装Fig 1 Influence of solid concentration on the置。启动黏度计,剪切速率从0均匀上升至100s-viscosity of CwS prepared by single coal当剪切速率为100s时,每隔1min记录一次仪器表24种煤的最大成浆浓度读数,共记10次,10次读数的平均值即为水煤浆Tab 2 Maximum solid concentration of four coals在100s1下的表观黏度煤种氧碳化最大成浆浓度%1.3水煤浆浓度测量水煤浆的浓度采用GBT188562-2002中小屯7108的干燥箱干燥法:称取(3.0±0.2)g的水煤浆样,在兖州0.120鼓风干燥箱中于105~10℃下,干燥至恒重,干燥黄陵6l91后试样的重量占原试样的质量百分数即为该水煤22单煤流变特性浆的浓度。水煤浆是复杂的多相悬浮体系,施加剪切应力14水煤浆稳定性测量产生的速率梯度受到内部物理结构变化的影响,反本文通过析水法测定水煤浆的稳定性:将待测过来内部的物理结构又会因剪切作用而引起变化水煤浆放入密闭容器,静置20天后如浆样上层析因此水煤浆的流变特性呈现复杂多样性,从目前的出清液。吸出上层清液,称量出清液的质量。定义研究看,中国煤化工乎各种类型的浆样的析水率为20天后水煤浆吸出的上层清液占非牛顿济HCNMHG单煤的成浆流变特水煤浆原有水分的质量百分数。析水率越低,表明性曲线。从流变行性出线甲可以看出,石港煤和小稳定性越好。屯煤在浓度较低时,水煤浆的黏度随剪切速率的增第2期胡亚轩等:配煤对水煤浆性质的影响1900浓度为68.37%浓度为69.12加基本不变,体现了较明显的牛顿流体的特性。般而论,当浓度增加,浆体黏度增大,随剪切速率1500的增加,水煤浆的黏度会下降。浓度越高,黏度越目1300大,剪切变稀的非牛顿流体特性也越显著。水煤浆的黏度和非牛顿流体特性主要取决于浆体内的自由水分份额和固相颗粒间的平均相互作用距离14水煤浆的浓度增加,浆体中的自由水份额减少,黏剪切速率/1/s)度就会增加。同时,固相颗粒间的平均作用距离减图2石港煤流变特性少,浆体的非牛顿流体的特性越显著。相比于前两Fig 2 Rheological characteristics of种煤,黄陵煤和兖州煤水煤浆剪切变稀的特性非Cws prepared by Shi gang coal常明显。可见煤种不同,制得的水煤浆的流变特性1900浓度为6747%1700▲浓度为6985%也不同。浓度为71.15%15002.3配煤成浆特性1300不同比例下的配煤成浆浓度实验结果见图6从图中发现与成浆性能好的煤进行配煤所得到的水煤浆不一定具有好的成浆性能,有些配煤组合的最大成浆浓度大于单煤的最大成浆浓度,而有的0204060801却比两种单煤的最大成浆浓度都低,这与其他研究剪切速率(1/s)者的结论是一致的91。另外,同样的两种煤进行图3小屯煤流变特性配煤,在不同的配比下制取的水煤浆的最大成浆浓Fig 3 Rheological characteristics of浓度为60.71%7000浓度为61.88%浓度为6404%60005000≤4000一●石港:兖州石港比例%剪切速率(1/s)图6不同比例下石港配煤的成浆浓度Fig 6 Maximum solid concentration of图4黄陵煤流变特性CWS prepared by Shi gang coal blendedFig 4 Rheological characteristics ofwith various coals in different ratios5000一浓度为6786%浓度为68.70%30000.00.20.60.81.0剪切速率(1/s)中国煤化工图5兖州煤流变特性CNMHG浆浓度MaXlmum song concentration ofFig 5 Rheological characteristics ofCwS prepared by Xiao tun coal blendedCwS prepared by Yan zhou coalwith various coals in different ratios中国·电机工程学报第32卷度也是非线性的。成浆性能好的煤比例越高,其配与实际的成浆浓度相比差距较大,最大相差1.82个煤水煤浆的最大成浆浓度并不一定越好。例如,石百分点。因此,简单的通过线性加权拟合来预测配港和黄陵相配后,成浆浓度随着成浆性能较好的石煤成浆浓度是不合适的;以非线性理论甚至神经网港煤的比例増加而增大;而石港和兖州相配后,不络系统预测配煤成浆浓度,更好地指导配煤制浆工同配煤比例下的最大成浆浓度均大于两种单煤,且作非常必要。两种煤的比例越接近,最大成浆浓度越高,单煤成2.4水煤浆流变模型浆性能较好的小屯煤比例达到80%时,其与兖州煤水煤浆是一种复杂的、高黏度固液分散悬浮液配煤的最大成浆浓度反而降低;石港煤和小屯煤相其流变性可以采用通用的屈服-幂率模型1描述配后,不同配比下的最大成浆浓度均小于或接近两[=To +ky种单煤,且两种煤的比例越接近,最大成浆浓度越式式中:z为剪切应力,Pa;t为屈服应力,Pa;k为低。配煤对水煤浆的影响与煤种表面性质、孔隙结稠度系数,Pas3;n为流动性系数;为剪切速率,构分布及煤表面的疏水性等因素相互作用有复杂的关系。只有通过合适的煤种、合适的比例相配悬浮体内部颗粒间的相互作用力使得颗粒和才能有效提高难成浆煤的成浆性。液体组成不同大小的结构单元,当颗粒体积分数超按照配煤比例,依据线性拟合得到理论上预测过某一临界值时,悬浮体内的结构单元就会充满整的配煤成浆浓度,与实际的配煤成浆浓度相比较,个体系而形成空间网状结构,体系就会有剪切力的如表3所示。从表3不难发现,线性拟合的预测值届服值(简称为屈服应力),即当水煤浆所承受的剪表3配煤成浆浓度与线性加权平均浓度比较切应力大于此值时,水煤浆内部才会有相对移动或Tab 3 Comparison between maximum solid变形18。稠度系数一般随浆体黏度增加而增大间明。concentration of blending coals and the weighted当流动系数n<1时,浆体剪切变稀,为假塑average value of individual coal配煤配煤实际线性拟合成形流体;当n1时,浆体剪切变黏,为胀塑形流体。差值成浆浓度%浆浓度/%且当n值与1相差越大,浆体剪切时的非牛顿流体1.82特性越显著。68.79根据最小二乘法按上述屈服-幂率曲线拟合,石港和1.36小屯得到各单煤制浆的流变特性参数,见表4。从表4中看出,对于同一种浆体,随浆体黏度的增加,稠度系数增加,稠度系数k很好地表征了浆体黏度的69.0468.2768.56变化;并且同种浆体的屈服应力一般随浓度的增大石港和而增加,因为随着浆体的浓度增加,浆体中的固相兖州颗粒占的体积变大,体系中的空间网状结构更加密69.7269.139集,要使浆体单煤内部发生移动或形变克服的阻碍6341.91表4单煤制浆的流变特性参数石港和65.47Tab 4 Rheological characteristics parameter of黄陵68286792煤种黏度/mPas)695768.606580.78230.82780981669.3869.220.16小屯和石港138700.91581.0110兖州694969531.0280149000.9718693069840.74100.27531.083070.4663.740.10小屯01331089310.957863.6465.3765.58中国煤化工1152009694小屯和HCNMHG1.56300.7883黄陵669967.410.42黄陵2.38300.75518269346925208638020011860005720第2期胡亚轩等:配煤对水煤浆性质的影响越大,表现为浆体的屈服应力就会越大。同时,还150石港:黄陵=28一石港:黄陵=46能从表4发现,相同黏度下黄陵煤的屈服应力最大,一石港:黄陵=6:4而石港煤和小屯煤的屈服应力都很小。另外,表中90石港:黄陵2了石港煤和小屯煤的非牛顿流体特性并不显著;而石港煤和小屯煤的流动特性指数n值接近1,说明50黄陵煤则体现出了明显的非牛顿流体的特性,且随着浓度增加,n值和1的差值越大,说明非牛顿流体的特性越显著。x(1/s)表5是配煤的浆体在黏度为1000mPas左右的图9石港和黄陵配煤流变特性拟合曲线流变特性参数,拟合后曲线如图8-10。由表5可Fig 9 Fitting curves of CwS prepared by见,屈服应力小的煤种加入黄陵煤相配制浆后,浆Shi gang coal blended with Huang ling coal体的屈服应力有明显提升,且随着黄陵煤的比重增小屯:黄陵-2一小电:黄陵=46加,屈服应力有上升的趋势。这是因为黄陵煤的加110如小电:黄陵=5590}v小电:黄陵=64表5配煤制浆的流变特性参数←小电:黄陵=8:Tab. 5 Rheological characteristics parameter ofblending coals配煤煤种配比3.3120y(1/s)635201.29700.9286石港和小屯3.14801.275009274图10小屯和黄陵配煤流变特性拟合曲线662009095Fig 10 Fitting curves of CwS prepared by0.9496Xiaotun coal blended with Huang ling coal1062003.01200.7135入,增强了石港煤和小屯煤浆体体系中的网状结4120构,使得浆体变形所要克服的阻力增加,导致浆体石港和黄陵5:5805401.86100.8632屈服应力上升。7.40408510当石港煤加入黄陵煤相配后,n值与1的差值变大,表明了黄陵煤増强了石港煤剪切变稀的特4.18801.82200.8990性,说明在这2种煤的浆体中,非牛顿流体特征在2:82920001.83300.796混煤制浆后仍有较强表现,占主导地位。但小屯煤小屯和黄陵5:527200010020和黄陵煤相配时,n值仍和1比较接近,只有当黄18.71000.838109991陵煤比重很大时(80%),浆体才体现出明显的剪切变稀的特性。石港煤和小屯煤相配制浆后,屈服应力0.6028和浓度系数值均有所增加,说明这2种煤相配制浆140后在相同浓度下黏度有所增加,与前面配煤成浆特一石港平石港性研究结论相一致。可见,配煤的煤种和比例不同,石港:小电=8:2对浆体流变性的影响也会不同,说明与煤质特性有较大的关系2.5配煤制浆的稳定性20析水率在一定程度上表征了水煤浆的稳定性。般来说,越大,奖休的稳定性越差0。4y(1/s)种单煤制得中国煤化工如表6所示。CNMH图8石港和小屯配煤流变特性拟合曲线由表6可知着浆体浓度的Fig8 Fitting curves of CwS prepared增加而降低,表明水煤浆的浓度越大,浆体的稳定y Shi gang coal blended with Xiao tun coal性越好。这是因为水煤浆中固体颗粒和液体相互作中因电机工程学报第32卷表6单煤制浆的析水率水率又会小于石港单煤,从规律上看黄陵煤的加入Tab.6 Water separation ratio of single coal提高了石港煤和小屯煤的稳定性煤种浓度/%黏度析水率%3结论68.37石港69.12通过实验对石港、小屯、兖州、黄陵4种煤进70.161235.206.68行单煤和配煤成浆特性研究,在同样的添加剂加入6747的情况下,获得如下结论。小屯69.851)因为煤质的差异,4种煤的成浆浓度明显不71.151016.17同:石港煤最大成浆浓度为6942%,小屯煤最大成浆浓度为71.08%,兖州煤最大成浆浓度为6798%,734黄陵煤最大成浆浓度为6191%。水煤浆的表观黏度随浆体浓度的增加而增加,氧碳比低的煤一般成浆60.71731408.57性较好。61.8862)配煤的成浆性体现出明显的非线性特征黄陵两种不同的煤相配,对浆体最大成浆浓度的影响不用形成结构单元,大量的结构单元会组成空间网状同:配煤成浆的实际成浆浓度和按单煤线性加权平结构,浆体浓度越大,固相颗粒越多,这种空间网均拟合计算获得的成浆浓度差距较大,实验中最大状结构越密集,水煤浆中固体颗粒沉降受到的阻力相差.82个百分点越大,水煤浆就越稳定。3)在一定的浓度范围内,水煤浆体现了剪切表7为不同比例下配煤制浆在黏度为100稀的非牛顿流体的特性,且水煤浆的浓度越高左右时的析水率。可以发现配煤制浆对水煤浆稳定切变稀越明显。利用屈服幂率模型的拟合,发性的影响有些复杂:配煤制浆的稳定性可以和原来现不同煤的浆体流变特性不同,实验中黄陵煤的非的单煤相差不大,比如石港和小屯配煤制浆后的析牛顿流体特性比其他煤明显。配煤制浆在一定条件水率与石港单煤相差不大:配煤制浆也可能会大大下可以改变水煤浆的流变特性,但由于不同煤种间改善浆体的稳定性,例如石港和兖州配煤制浆后,的作用效果不同,不同的煤种以及不同的配比对水浆体的析水率比原来石港单煤和兖州单煤的析水煤浆流变性的改变效果也不同。率略小,兖州煤的加入提高了石港煤的稳定性;配4)水煤浆的稳定性研究表明,水煤浆浓度越煤制浆还可能使浆体的稳定性变差,例如小屯和兖高,析水率就会越低,稳定性越好。配煤制浆对浆州配煤制浆的浆体析水率比小屯单煤的析水率要体的稳定性有多种影响,兖州煤能提高石港煤的稳大,从规律上看是兖州煤的加入降低了小屯煤的稳定性,同时也会降低小屯煤的稳定性。配煤的比例定性;此外,配煤的比例不同,对浆体的稳定性影不同,对浆体的稳定性影响也会不同,石港和黄陵响也会不同,例如石港和黄陵煤虽然单煤稳定性比煤相配制浆,在黄陵煤比例较高的时候,稳定性不较接近,但相配制浆在黄陵煤比例较高时,析水率如石港单煤,当黄陵煤比例较低的时候,稳定性又比石港单煤高时,当黄陵煤比例较低时,浆体的析好于石港单煤表7配煤制浆的析水率参考文献Tab. 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