分散介质流变性对煤泥脱水性能的影响研究∗

2016-04-25侯金瑛董宪姝

中国煤炭 2016年3期

关键词：絮凝剂

侯金瑛董宪姝

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

分散介质流变性对煤泥脱水性能的影响研究∗

侯金瑛董宪姝

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

摘要研究了絮凝剂添加量和煤泥粒径分布分别对晋城无烟煤脱水性能的影响规律,并结合分散介质流变性分析其作用机理。试验结果表明,随着絮凝剂添加量的增加,分散介质的粘度增大,过滤时受到的粘滞阻力也增大,导致脱水速率减小并使得滤饼水分增加;当煤泥粒度均匀度低时,细颗粒不易嵌入空隙,同时分散介质粘度小,过滤时粘滞阻力小,过滤速率大,但也造成了微细颗粒增多,使得水分增加;当絮凝剂添加量为50 g/t且煤泥粒度均匀度低时,脱水速率可达到7.51 m L/s,滤饼水分可保持在较低水平,为24.06％。

关键词脱水速率粘度粒度分布絮凝剂

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

目前选煤厂中湿法选煤方法较多,随着国内外用户对煤炭产品水分要求的提高,对煤炭产品的脱水也提出了更高的要求.煤泥水沉降与压滤过程是在流体运动过程中实现的,其效果与悬浮液的流变特性有关,因此煤炭产品脱水过程中流变特性的研究是十分必要的.

国内外在浆体流变性方面的研究日益受到关注,对浆体的处理具有重要的意义.煤颗粒的大小、分布以及浓度对煤浆流变性有很大的影响,并可通过改变煤浆体系中煤的颗粒分布,在保持较高浓度时制备出具有较低黏度的油煤浆.絮凝污泥悬浮液体系的表观粘度与污泥浓度有关,其流变曲线符合Herschel－Bulk模型.相关专家研究了温度、固含、碱浓度以及粒度等因素对三水——一水软铝石型铝土矿原矿浆流变性的影响,在不同条件下原矿浆表现为不同的流体类型;还有专家在对浮选泡沫流变性的研究综述中指出,泡沫的流变性与泡沫上水的停留时间、残留量及精矿有关,可应用于浮选模型的建立与放大.

煤泥粒度组成、矿物组成、表面官能团性质及药剂对煤泥脱水都有很大的影响,本文以晋城无烟煤为研究对象,研究了药剂添加量和煤泥粒径分布对煤泥水沉降脱水以及滤饼水分的影响,并从分散介质流变性方面分析其影响过程作用机理,为煤泥脱水理论完善提供思路.

1　试验部分

1.1试验煤样

试验所用煤样为晋城无烟煤,参照GB/T 477 －2008《煤炭筛分试验方法》对原煤进行筛分试验,试验结果见表1.

表1　原煤进行筛分试验

由表1可以看出,煤泥水中小于0.075 mm粒级占46.02％,灰分为25.20％.

将煤样过筛,制得满足试验要求粒度的煤样,即－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm和－0.075 mm密封保存备用.

1.2试验药剂及设备

试验所用药剂为聚丙烯酰胺,沉降后上清液粘度测量使用乌氏粘度计,乌氏粘度计如图1所示,脱水装置为自制的真空抽滤装置.

1.3试验方法

将煤样配制成40 g/L的悬浮液,搅拌均匀后静置2 h,加入不同用量的聚丙烯酰胺絮凝剂,用量分别为50 g/t、100 g/t、150 g/t、200 g/t、250 g/t、300 g/t和350 g/t,参照MT/T190－1988《选煤厂煤泥水沉降试验方法》进行沉降试验,沉降2 min后取其上清液,使用乌氏粘度计测试其粘度,并参照MT/T260－1991《选煤厂煤泥过滤性测定方法》进行过滤脱水试验.

1.4试验参数计算

沉降后上清液粘度η计算见式(1):

图1　乌氏粘度计

式中:η——上清液动力粘度,mPa·s;

g——常数,m/s2;

ρ——上清液密度,g/cm3;

h——平均等效液柱高度,cm;

V——c球体积,m L;

l——毛细管长度,cm;

t——测定时间,s.

脱水速率v计算见式(2):

式中:v——脱水速率,m L/s;

Vi——滤饼表面可见水消失前阶段的滤液体积,m L;

ti——滤饼表面可见水消失前阶段的脱水时间,s.

滤饼水分Mt计算见式(3):

式中:Mt——滤饼全水分,％;

W0——湿滤饼质量,g;

Wt——105℃～110℃鼓风干燥2.5 h后干滤饼的质量,g.

2　试验结果与讨论

2.1絮凝剂添加量对脱水性能的影响

将－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm和－0.075 mm粒级的煤泥水(其煤泥水浓度为40 g/L),添加不同用量的絮凝剂沉降2 min后,取其上清液测试其粘度,并测试其脱水速率及滤饼水分.随着絮凝剂添加量的增加,不同粒级煤泥水上清液粘度、脱水速率及滤饼水分的变化规律相似,因此以粒级为－0.075 mm为例进行阐述.

2.1.1絮凝剂添加量对上清液粘度的影响

不同药剂用量对煤泥沉降后上清液粘度的影响如图2所示.

图2　不同药剂用量对煤泥沉降后上清液粘度的影响

由图2可以看出,随着聚丙烯酰胺添加量的增加,上清液粘度值呈上升趋势.絮凝剂用量由50 g/t增加到350 g/t时,上清液粘度由0.895 mPa·s增至0.909 mPa·s.沉降过程中,当絮凝剂用量为50 g/t时,煤泥即可得到有效沉降,当絮凝剂继续增加到350 g/t时,沉降效果反而变差,－0.075 mm煤泥水添加不同量絮凝剂沉降效果图如图3所示.

图3　添加不同量絮凝剂沉降效果图

由图3可以看出,絮凝剂用量较少时,絮凝剂长链亲固基团在煤颗粒表面可以得到有效吸附;絮凝剂用量过大时,煤颗粒表面均被絮凝剂分子所饱和,不再有吸附空位,絮凝剂不能再实现架桥作用,反而会因空间位阻效应使得分散体系稳定,悬浮液流动性降低,絮凝颗粒空位基本饱和,上清液中会有药剂残留而使得粘度增大.

2.1.2絮凝剂添加量对脱水速率的影响

将样品在0.04 MPa真空度条件下进行抽滤脱水,－0.075 mm煤泥滤饼水分不同药剂量对煤泥水脱水速率的影响如图4所示.

图4　不同药剂用量对煤泥脱水速率的影响

由图4可以看出,随着聚丙烯酰胺添加量的增多,脱水速率呈下降趋势,当絮凝剂用量由50 g/t增加到350 g/t时,脱水速率由7.507 m L/s减小至0.851 m L/s.这是由于添加絮凝剂量少时,絮凝剂分子在煤颗粒间形成架桥作用,形成较大的絮团,比较蓬松,水分通过滤饼的阻力较小;添加絮凝剂量大时,由于药剂量过大,颗粒因空间位阻效应形成分散体系,经震荡后絮团会被打散破裂,散碎的絮团则会形成较密实的滤饼,水分通过滤饼阻力大.结合图2可知,当药剂添加量少时,上清液粘度小,则水分在通过滤饼毛细管时,滤饼对水分的粘滞力相对较小,使水分较易通过滤饼.

2.1.3絮凝剂添加量对滤饼水分的影响

对抽滤后样品滤饼水分进行测量,不同药剂用量对滤饼水分的影响如图5所示.

由图5可以看出,随着药剂添加量的增加,滤饼中的水分也在增加,当絮凝剂用量由50 g/t增加到350 g/t时,滤饼水分由24.06％增至31.45％.由图4的脱水速率分析可知,当药剂用量少时,滤饼蓬松,水分在通过滤饼时受到的粘滞阻力小,滤饼毛细管水分及絮团结合水都比较少且抽滤后滤饼的水分也减少;当药剂添加量增大时,絮团呈分散状态,絮团较小,比表面积大且上清液粘度大,水分在通过滤饼时水分受到的粘滞阻力力也加大,易致使颗粒与水结合,水分残留在滤饼中导致水分也增加.

图5　不同药剂用量对滤饼水分的影响

2.2煤泥粒径分布对脱水性能的影响

2.2.1煤泥粒径分布对上清液粘度的影响

不同粒径分布(－0.5 mm、－0.25 mm、－0.125 mm、－0.075 mm)对煤泥水沉降后上清液粘度的影响如图6所示.

图6　不同粒径分布对煤泥水沉降后上清液粘度的影响

由图6可以看出,随着颗粒粒径分布变窄,沉降后上清液粘度值大都变小.这是由于相较于分布窄的煤泥,颗粒粒径分布宽则意味着颗粒含量较少,添加相同量的絮凝剂,粒径分布宽,则絮凝剂易在煤颗粒表面吸附饱和.当絮凝剂用量较少(50 ～150 g/t)时,各粒级煤泥沉降后上清液粘度相差不大;当絮凝剂用量继续增大(200～350 g/t) 时,－0.5 mm煤泥沉降后上清液粘度较其它粒级相差较大.

2.2.2煤泥粒径分布对脱水速率的影响

不同粒径分布的煤泥脱水速率如图7所示.由图7可以看出,随着粒级分布变窄,脱水速率反而增大,这是因为粒级分布窄,即分布均匀度低时,在过滤脱水形成滤饼过程中,小颗粒不会填补在大颗粒间隙,对水分粘滞阻力较小,水分较易通过.另一方面,由图6可知,粒级分布窄的煤泥水沉降后上清液粘度较小,即分散介质粘度较小,在抽滤脱水过程,分散介质在通过滤饼时受到的粘滞阻力较小,较容易通过.

图7　不同粒径分布对脱水速率的影响

2.2.3煤泥粒径分布对滤饼水分的影响

不同粒径分布对滤饼水分的影响如图8所示.

图8　不同粒径分布对滤饼水分的影响

由图8可以看出,随着粒径分布变窄,滤饼水分也变大.这主要是因为粒径分布窄,则含有较多的微细颗粒(－0.045 mm颗粒),已经研究证实,－0.045 mm的微细颗粒是主要影响煤泥脱水的主要因素,易堵塞孔隙,造成毛细管水分增多.

3　结论

(1)絮凝剂用量对煤泥脱水性能有极大的影响,对于－0.075 mm煤泥,当絮凝剂添加量由50 g/t增加到350 g/t时,过滤速率由7.51 m L/s减小为0.85 m L/s,滤饼水分则由24.06％增至31.45％.当絮凝剂添加量增加到过量时,絮凝剂由在颗粒间的有效架桥变为稳定的分散体系,分散介质粘度增大,水在通过滤饼时受到的粘滞阻力增大,致使脱水速率减小,滤饼水分增加.

(2)煤泥粒度组成不同即粒径均匀度不同对煤泥脱水性能有极大的影响.窄粒径煤泥由于其均匀度较低,因此在形成滤饼时,细颗粒不易嵌入颗粒空隙.由于其分散介质粘度较小,两者共同作用使得水分在通过滤饼时粘滞阻力小,过滤脱水速率大.由于微细颗粒的增加,其比表面积大且表面能高,颗粒表面结合水增加.

(3)当药剂添加量适当即絮凝剂用量为50 g/t 时,煤泥分布均匀度较低,煤泥脱水速率可达到7.51 m L/s,滤饼水分可保持在较低水平,为24.06％.

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