超声辐照前后煤浆粒度分布变化研究

2005/9/12 17:50:51

　摘　要　选用红会、大同及兖州煤制备水煤浆，考察了超声辐照前后煤浆粒度分布变化，并研究了超声辐照前后粒度分布变化对煤浆表观粘度、流变特性及静态稳定性影响.在超声辐照强度为80 W/cm² ，频率为20 kHz的条件下，超声辐照导致煤浆中100 μm以下的细级煤粒的比例明显增加.实验结果表明，超声辐照对煤浆具有很强的分散作用，在一定的粒度范围，细级煤粒的增加有利于煤浆流变性能的改善，同时细级煤粒的增加是煤浆静态稳定性大幅度提高的主要原因.
　　关键词　水煤浆，超声辐照，粒度分布
　　中图分类号　TQ530，TQ54

STUDY ON THE CHANGE OF PARTICLE SIZE DISTRIBUTION
BEFORE AND AFTER IRRADIATION

Li Yongxin Zhao Tiansheng and Wang Yuanyang
（Key Lab of Energy Source and Chemical Engineering,Ningxia University,750021 Yinchuan）
Li Baoqing
（State Key Lab of Coal Conversiion,Institute of Coal Chemistry,
Chinese Academy of Sciences,030001 Taiyuan）
Chen Songying
（Institute of Catalysis,Zhejiang University,310027 Hangzhou）

　　ABSTRACT　The change of particle size distribution(PSD) in coal water slurry (CWS) before and after irradiation was investigated in the present paper.The experiments indicated that ultrasonic irradiation resulted in a higher proportion of fine coal in CWS as compared with that in absence of ultrasonic irradiation.The specific surface area of coal particles was therefore increased as the increase in the fine coal by ultrasonic irradiation.The use of 1% additive did not meet the saturated Langmuir adsorption of additive on the surface of coal particles,resulting in an increase in the apparent viscosity of CWS.Improvement on rheological behavior of CWS by irradiation was related to the change of PSD before and after irradiation.According to Stokes equation,the particle size played a key role to the static stability of CWS.As effect of the gravity on the coal particles in CWS decreased with the increase in the proportion of fine coal,the static stability of CWS was distinctly improved.
　　KEY WORDS　coal water slurry,ultrasonic irradiation,particle size distribution

0　引　言

　　具有高浓度、低表观粘度、良好的流变性能及长时间稳定性的水煤浆有利于煤浆的储存、运输、管道输送、雾化及燃烧，然而由于添加剂的成本普遍较高，仅仅通过添加剂来调控和改善煤浆诸性质的方法受到了限制.超声辐照可显著改善煤浆的流变性能并大幅度提高煤浆的静态稳定性，有关超声辐照对煤浆各性质的影响规律及作用机理国内外尚无报道.本文系统地考察了超声辐照前后煤浆粒度分布变化及其对水煤浆各性质的影响及作用机理.

1　实验部分

1.1　煤样选择及煤浆制备
　　选用大同、红会及兖州三种煤制浆，煤质分析见表1.添加剂选择阴离子型β-萘磺酸甲醛缩合物钠盐(NSF)，添加剂用量为1%(按干基煤计).水煤浆制备及表征见文献［1］.

表1　煤质分析
Table 1 Analyses of coal properties

Sample	Proximate analyses/%*,ad				Utimate analyses/%*,adf
Sample	MHC	M	A	V_adf	C	H	O	N	S
Datong	4.7	2.85	3.44	29.34	82.10	4.74	11.96	0.92	0.28
Honghui	4.6	3.61	6.17	33.96	82.96	4.64	11.52	0.75	0.13
Yanzhou	4.1	1.63	3.95	43.73	81.80	5.50	7.95	1.32	3.43

　　　　*Percent of weight.

1.2　煤浆的超声处理及粒度分布测定
　　实验采用变幅杆式超声发生器，超声频率为20 kHz，超声强度为40 W/cm²～80 W/cm²可调，将变幅杆插入煤浆浆体进行辐照处理，煤浆处理量100 ml左右.
　　采用日本株式会社产KCS—2000透光式超声粒度仪测定煤浆粒度分布，其测定原理根据Lambert-Beer定律：

　　(1)

式中：I₀，I_n——分别为入射光及透过光强度；A——光束中每克颗粒的投影面积，cm² ；C——悬浮液的颗粒浓度，g/cm³ ；K——颗粒遮光效率或吸光系数；L——通过悬浮液的光程长度，cm.
　　以均匀直径D_p的球状颗粒悬浮液为例，设每克试样中的颗粒数为n个，则：

代入(1)式得：

延伸上述概念，若粒径呈不连续分布，且D₁＜D₂＜…＜D_i＜D_n,每克试样中D_i的颗粒数有n_i个，其吸光系数为k_i，以形状系数φ_i代替π/4，并设当时的透光强度为I_n，则

　(2)

若在一定的位置上测定光量随着时间的推移，从大颗粒开始，依序从该处消失颗粒的踪迹，在D_n-1，D_n-2…，D_i…D₁分别消失的时刻所测得的透光强度为I_n-1，I_n-2…I_i…I₁，则

　　(3)

(2)式与(3)式相减，得

同样可得

┆
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因而，经测定而求得各式左侧的值，并设k_i和φ_i为恒定值，按下式可求得粒度分布

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2　结果与讨论

2.1　超声辐照前后煤浆粒度分布变化
　　在超声辐照强度为80 W/cm²，频率为20 kHz及辐照时间为8 min的条件下，大同及红会煤水煤浆在超声辐照前后煤浆浆体粒度分布变化见图1.实验结果表明，煤浆经超声辐照后，150 μm以下的细级煤粒比例显著增加，即超声辐照使得煤浆在1 μm～150 μm范围粒度分布变宽.

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图1　超声辐照前后煤浆粒度分布变化
Fig.1　Change of particle size distribution of CWS
　　　　before and after irradiation
○——No irradiation;●——20 kHz,80 W/cm²,8 min

　　当超声强度达到空化阈值时，超声辐照在水煤浆固液体系发生空化作用，并由此在固液界面产生强冲击波和微射流，导致固液界面产生瞬间高温、高压及煤粒间的高速碰撞，其结果使得煤粒间克服色散力作用，从而形成较小的团聚颗粒，提高煤浆中煤粒的分散程度，表现在粒度分布上细级煤粒的比例增加.另外大同和红会煤浆经超声辐照后，74 μm以下的煤粒分别为77%和81%，均高于“Alfred”中74 μm占70%的值，说明超声空化对煤浆中煤粒具有粉碎作用.因此超声辐照前后煤浆粒度分布变化是团聚颗粒变小和煤粒被粉碎所致.
2.2　粒度变化对煤浆表观粘度的影响
　　粒度分布与煤浆浆体的表观粘度间有着密切的相关性.Funk提出的颗粒最紧密堆积“Alfred”粒度分布公式并没有考虑颗粒间的相互作用，因此将“Alfred”粒度分布应用到水煤浆级配中，煤粒间的实际堆积效率和理论值存在着差异，这主要是由于煤颗粒间的范德华力(以色散力为主)作用使得煤粒间发生团聚现象，形成团聚颗粒.因此，煤粒间实际空隙率比理论空隙率大.如果能改变煤粒间的团聚状态，则可以减小空隙率，提高煤粒的堆积效率.超声辐照可使煤粒间的团聚颗粒变小，提高煤浆的分散度，从而有利于进一步减少煤粒间的空隙率.因此，如果添加剂在煤表面达到饱和吸附时，从理论上分析，超声辐照可以提高煤浆的最高定粘浓度，降低煤浆的表观粘度.
　　当添加剂的添加量为1%(按干基煤计)时，超声辐照导致煤浆的表观粘度增加(见图2)，这主要与添加剂在煤粒表面的Langmuir饱和吸附量有密切关系.添加剂对煤浆的降粘起着重要作用，因煤表面以疏水性为主，添加剂的疏水基吸附在煤表面，而亲水基朝水定向排列，通过水化膜将煤粒相隔，减少粒子间的阻力，达到降粘的作用.当添加剂在煤粒表面达到饱和吸附时，可得到最佳的降粘效果.饱和吸附量有与煤的变质程度、煤粒级配及添加剂类型等诸多因素有关.对于多数煤种，按照“Alfred”粒度分布级配时，达到最佳降粘所需的添加剂量为1%左右.超声辐照对浆体中煤粒具有粉碎作用，由此引起煤粒的比表面积增加，相应煤粒对添加剂的饱和吸附量增加.当添加剂量为1%时，未达到饱和吸附所需的添加量，因此超声辐照导致煤浆的表观粘度增加.

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图2　超声辐照对水煤浆表观粘度的影响
Fig.2　Effect of irradiation on the apparent viscosity
　　　　of CWS
○——No irradiation;●——20 kHz，80 W/cm²，8 min

　　图3的实验结果表明，未经超声辐照处理的煤浆，添加剂量在1.5%时，兖州煤成浆性最高；而经超声辐照的兖州煤浆添加剂量在2.2%左右时，其成浆性最高，且其成浆性高于未经超声辐照的煤浆.由于超声辐照后煤粒对添加剂的饱和吸附量增加，这从另一侧面证实了超声辐照对煤浆中煤粒的粉碎作用.因此当添加剂在煤粒表面达到饱和吸附时，超声辐照能够降低煤粒间堆积的空隙率，并减小浆体的表观粘度.

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图3　添加剂与煤浆最高定粘浓度间的相关性
Fig.3　Correlation between additive amount and
　　　　maximum coal loading
○——No irradiation;●——20 kHz,80 W/cm²,8 min

2.3　粒度分布与煤浆流变性能间的相关性
　　对于浓悬浮体的流变性能而言，粒子的尺寸以及尺寸分布对体系的流变性能有显著的影响，粒子的尺寸分布变宽有利于体系流变性能的改善.对双峰级配的球形颗粒浓悬浮液的研究结果表明^［2］，在一定的粒度分布范围，如果小颗粒与大颗粒的粒径比小于0.1，则大颗粒之间的作用很小，大颗粒之间由于隔着小颗粒而不能相互紧密地接触，从而减少了大颗粒间的相互作用.
　　两种粒度级配对大同煤水煤浆流变性的影响第32页见图4.所选用的添加剂为NSF，添加剂加入量均为1%，匀浆速率、匀浆时间及制浆温度等条件与前述相同.实验表明，在一定的粒度范围，细级煤粒的增加对煤浆流变性能(表观粘度)改善有利.　　

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图4　煤粒级配对煤浆流变性能的影响
Fig.4　Effect of particle size distribution on the
　　　　rhelogical behavior of CWS
○——Alfred;△——250 μm～135 μm(6%)，
135 μm～74 μm(90%)，＜74 μm(85%)

在一定的超声条件下(80 W/cm²，20 kHz，8 min)，经辐照处理的煤浆细级煤粒粒度分布变宽，减少了大颗粒在剪切力作用下的相互作用，因此煤浆的流变性能得到显著改善.
2.4　粒度分布与煤浆静态稳定性间的相关性
　　水煤浆煤粒粒度分布在1 μm～300 μm范围，属粗分散体系，由于粒子大于10 μm时，布朗运动已不明显，而重力对煤浆的静态稳定性则起重要作用.^［3］以单颗粒煤粒在煤浆(静态)中沉降的简单过程为例，并排除煤粒间的静电排斥力及范德华引力等因素，煤粒受到的重力为

式中：d——煤粒直径；ρ——煤粒密度；ρ₀——水的密度；g——重力加速度.
　　煤粒在沉降过程中受到的阻力为

F_f=3πηvd

式中：η——水的粘度；v——沉降速率.
　　煤粒由初始作加速沉降，随着阻力增加，并达到与重力平衡，沉降变成匀速运动，此匀速运动为最终速率或沉降速率：

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　　假设煤粒的密度为1.5 g/cm³，水的密度为1 g/cm³(25℃)，水的粘度为1×10^-3 Pa^.s，按照Stokes公司计算不同粒径的煤粒沉降速率，结果表明，随着粒径的增大，沉降速率迅速增加(见表2).
　　煤粒的实际沉降比上述过程复杂得多，煤粒在沉降时，受到粘性阻力和惯性力产生压差的阻力作用，这两种阻力的大小又与雷诺数(Re)相关.当煤浆处于静态且煤粒粒径小于200　μm时，煤颗粒属于层流区，这种情况下，惯性力小于粘性阻力，雷诺数远小于1，煤粒沉降速率符合Stokes定律.此外由于煤粒间的团聚作用，煤粒以颗粒群形式沉降，沉降过程同时受到煤粒间范氏引力及静电排斥力等因素的影响，但无论何种因素的作用，煤粒粒径无疑是影响沉降的最基本参数.
　　不同煤粒级配对大同煤静态稳定性影响的实验结果见表3.随着细级煤粒的比例增加，煤浆的静态稳定性显著提高，由此可推断，超声辐照具有两方面的作用，一是超声波的强分散作用；二是超声对煤粒的粉碎作用，两种作用的结果是150　μm以下的细级煤粒分布变宽，这是超声辐照导致煤浆静态稳定性大幅度提高的主要原因.

表2　不同粒径煤粒沉降速率
Table 2 Sedimentation rate of different coal particles size

Coal particle size/μm	Sedim.rate single particle/cm/s
1	2.72×10^-4
5	56.81×10^-3
50	0.68
100	2.72
200	10.90

表3　煤粒级配对煤浆静态稳定性的影响
Table 3 Effect of particle size distribution on the
　　　　　static stability of CWS

Sample	Coal particle size distribution/Mesh	Static stability
Datong	Alfred	4 h
	60～100(6%)，100～200(9%)，＜200(85%)	8 h
	100～200(10%)，200～280(10%)，＜280(80%)	6 d

3　结　论

　　(1) 超声辐照导致细级煤粒比例明显增加，一方面是超声对煤浆具有强分散作用；另一方面超声的空化作用能够粉碎煤浆中的煤粒.
　　(2) 当添加剂加入量为1%时，经超声辐照后，煤浆的表观粘度增加，这是由于超声对煤粒的粉碎作用，使得煤粒的比表面积增加，相应对添加剂的饱和吸附量增加.当添加剂的加入量达到饱和吸附值时，超声辐照可降低煤浆的表观粘度.
　　(3) 在一定的粒度分布范围，细级煤粒的增加有利于煤浆流变性能的改善.
　　(4) 对于水煤浆粗分散体系，重力场是影响煤浆静态稳定性的重要因素.按照Stokes定律，由超声引起的细级煤粒的增加是煤浆静态稳定性得到大幅度提高的主要原因.

国家自然科学基金资助项目(59966001)、宁夏自然科学基金资助项目(QT99001).
李永昕（博士，宁夏大学能源化工重点实验室，750021 银川）　
赵天生（博士，宁夏大学能源化工重点实验室，750021 银川）　
王远洋（博士，宁夏大学能源化工重点实验室，750021 银川）　
李保庆（研究员，中国科学院煤转化国重点实验室，030001 太原）　
陈诵英（研究员、博士生导师，浙江大学催化研究所，310027 杭州）

参　考　文　献

1，吴家珊，宋永玮，张春爱.煤的性质对水煤浆特性的影响.燃料化学学报，1987，15(4)：298～299
2，岑可法.煤浆燃烧、流动和气化应用技术.杭州：浙江大学出版社，1997.129
3，程传煊.表面物理化学.北京：科学文献出版社，1995.285

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