粒度組成特性對煤泥脫水效果影響的研究

樊玉萍 董憲姝

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

粒度組成特性對煤泥脫水效果影響的研究

樊玉萍 董憲姝

(太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024)

基于細粒煤泥的粒度分布特性進行真空過濾脫水,以煤漿的脫水速度、濾餅水分和過濾比阻為判定指標,對均勻度煤漿的脫水性質和不同粒度組成進行分析。試驗結果表明,均勻度相差不大,煤漿的脫水效果隨著粒度的減小而急劇惡化;粒度組成相似,隨著均勻度的減小,煤漿的脫水效果會逐漸變好。這是由于－0.045 mm微細顆粒容易堵塞濾紙,從而降低濾餅的透氣性,影響煤炭脫水效果。

粒度組成 過濾脫水 均勻度 沉積規律

1 前言

煤泥的粒度特性是影響選煤脫水工藝與設備效果的關鍵,近年來隨著煤泥粒度組成發生巨大的變化,使得煤泥的脫水效果受到了極大的影響,在當前煤炭形勢緊張的情況下,提高產品質量,尤其是降低水分提質具有重要的現實意義。由于這些細顆粒比表面積大,顆粒表面帶有一定的負電荷,加之風化氧化作用,顆粒表面存在著疏水性較差、水化膜加厚以及煤漿粘度增加等問題造成脫水極為困難,因此研究細粒煤高效脫水技術及其脫水機理已成為潔凈煤技術發展的一個迫切需要。

過濾是利用多孔隙物質作為介質,使固液進一步有效分離的脫水方法,常用于細粒煤泥的脫水處理。在濾餅形成的過程中,固體顆粒的粒度分布、表面電性和礦物成分等對濾餅的孔隙度、拱狀結構和毛細管通道等影響極大。國內外學者對此做了大量工作,如在真空過濾過程中研究真空度及藥劑的添加對濾餅滲透率、濾餅比阻以及介質阻力的影響規律;也有專家提出了增加空氣流速比增加真空度更有利于水分的脫除;還有專家研究了真空驅動力、煤漿濃度、過濾面積、顆粒尺寸以及絮凝劑和表面活性劑對窄粒級煤顆粒的脫水規律,其研究表明,顆粒的尺寸對煤漿的過濾速度、濾餅水分以及濾餅的微觀結構具有較大影響;國內專家則指出影響濾餅比阻的因素包括壓力、粒度組成、料漿濃度、物料表面荷電以及料漿的凝聚與絮凝。

本文通過分析細粒煤脫水的相關特性,針對真空過濾脫水過程中的操作參數和顆粒的粒度組成對過濾速度、濾餅水分以及濾餅比阻的影響規律進行研究分析,探索細顆粒煤泥在介質表面的沉積規律及其形成相對應的多孔介質,對煤炭脫水理論及其技術的發展具有重要意義。

2 試驗部分

2.1 試驗煤樣

試驗煤樣取自西山煤電集團馬蘭礦2＃原煤,經開路破碎縮分制成－0.5 mm的樣品,真空密閉保存后供試驗使用。煤樣的工業和元素分析見表1,煤泥XRD圖譜見圖1。

表1 馬蘭礦2＃煤泥工業分析及元素分析 %

圖1 馬蘭礦2＃煤泥XRD圖譜

由表1和圖1可以看出,該煤樣中含有一定量的蒙脫石和高嶺石等粘土礦物,其灰分為25.33%,屬于變質程度較高的中灰焦煤。

2.2 試驗研究

參照MT/T260－1991《選煤廠煤泥過濾性測定方法》進行過濾脫水試驗,測定過濾速度和濾餅全水分。

2.3 結果計算

2.3.1 濾餅水分的計算

濾餅水分Mt的計算見式(1):

式中:Mt——濾餅的全水分,%;

W0——濕濾餅質量,g;

Wt——105℃～110℃鼓風干燥2.5 h后干濾餅質量,g。

2.3.2 過濾速度的計算

過濾速度v的計算見式(2):

式中:v——過濾速度,m L/s·cm2;

Vi——濾餅表面可見水分消失時的濾液體積,m L;

ti——濾餅表面可見水分消失時的過濾時間,s;

A——過濾面積,cm2;

R——布氏漏斗半徑,cm。

2.3.3 過濾比阻計算

過濾比阻r計算見式(3):

式中:r——濾餅體積比阻,m－2;

P——壓力差及真空度,Pa;

M——斜率,s/m2;

μ——濾液動力粘度,Pa·s;

x——濾餅體積和濾液體積比值。

2.3.4 顆粒的均勻度的計算

顆粒的均勻度φ的計算見式(4):

式中:φ——顆粒的均勻度;

d75——負累計含量為75%時的最大顆粒直徑,μm;

d25——負累計含量為25%時的最大顆粒直徑,μm。

2.3.5 濾餅孔隙率的計算

濾餅孔隙率ε的計算見式(5):

式中:ε——濾餅孔隙率,%;

VP——濾餅中總孔隙體積,cm3;

VO——濾餅總體積,cm3。

3 煤樣脫水條件探索

3.1 真空度對濾餅質量的影響

將煤泥樣品配制成100 g/L的濃度,采用不同真空度對其進行脫水試驗,結果如圖2所示。

圖2 真空度對煤漿脫水效果的影響

由圖2可以看出,不同真空度下濾液的過濾速度基本呈直線下降趨勢,隨著真空度的提高,煤漿的過濾速度逐漸地增加。當真空度為0.06 MPa時過濾速度最大,濾餅全水分降到最低為20.75%,但是由于較大的真空度導致煤漿來不及沉降分層,大小顆粒全部快速沉積到濾紙上,造成濾餅阻力增加。所以較大的真空度導致濾餅底層(再生過濾介質)中含有較多的細顆粒,介質的透氣性嚴重受阻,若繼續增加入料,則會造成脫水困難及水分含量升高,因此后續試驗中均采用0.04 MPa的真空度作為最適宜條件。

3.2 煤漿濃度對濾餅質量的影響

采用0.04 MPa的真空度,對固體含量分別為100 g/L、200 g/L、300 g/L、400 g/L和500 g/L的煤漿進行脫水測試,濃度對煤漿脫水效果的影響見圖3。

圖3 濃度對煤漿脫水效果的影響

由圖3可以看出,固體物含量越高煤漿的過濾速度就越小,濾餅水分同過濾比阻均越來越高。因此采用200 g/L作為最佳煤漿濃度,既保證了煤漿的水分要求,又可以在一定程度上增大系統的處理量。

綜上所述可以看出,增大真空度可以一定程度提高煤漿的過濾速度,但是容易造成介質滲透性下降;增加煤漿中固體顆粒的濃度并加大了濾餅的厚度,使得毛細通道變長,固液徹底分離時間延長,夾帶在毛細通道的水分增加,增加了濾餅的含水量。另外,毛細通道過細,極易被微細粒堵塞壓實,那么真空所形成壓力差對水流的推動力減弱,影響水分的徹底流出。此外,毛細通道的增多增加了單位面積過濾阻力,顆粒間水分滲流效果下降。

4 顆粒均勻度對脫水效果的影響

4.1 不同粒度級煤漿脫水效果的研究

對不同粒度級的樣品用去離子水配制成200 g/L濃度的煤漿,對其過濾特性進行測定,所得試驗結果見圖4。

圖4 粒度對煤漿脫水效果的影響

由圖4可以看出,隨著粒度的降低過濾速度逐漸降低,濾餅水分和過濾比阻逐漸增大,尤其是－0.045 mm粒度級的變化較為明顯。采用Microtrace S3500激光粒度儀、JS94 H型微電泳儀和SetranmC80微量熱儀對不同粒級樣品進行表面電位、零電點及潤濕熱進行測定,不同粒級煤樣性質測試結果見表2,不同粒度煤樣的表面電位見圖5。

表2 不同粒級煤樣性質測試結果

由表2可以看出,由于同一煤樣不同粒度級樣品的均勻度、表面電位、零電點及潤濕熱各不相同,因此不同粒度級樣品的脫水特性各不相同。

由圖5可以看出,－0.045 mm樣品的均勻度比其它粒級偏高,接近原煤樣的均勻度,其煤漿的過濾速度遠低于其它粒度級且過濾比阻最大,所得濾餅水分也極高,為31.29%。結合濾餅的孔隙率、表面電位及表面潤濕熱的測定,可以看出－0.045 mm粒度級是影響總樣品的關鍵組成部分,該粒級濾餅的孔隙率遠低于其他粒度級,透氣性極差,同時由于微細粒級物料的比表面積較大,所得的潤濕熱高于其它粒級,因此不難理解該粒度級煤漿脫水效果最差,濾餅水分最高。

4.2 粒度級配對脫水效果的影響

本試驗將原煤樣按照國標進行小篩分,形成0.5～0.25 mm、0.25～0.125 mm、0.125～0.075 mm、0.075～0.045 mm以及－0.045 mm這5個粒度級,并將其按等質量配制成不同均勻度的樣品,其粒度分布特征見表3。

表3 不同均勻度煤樣的粒度分布特征

將各粒度級按表3中等質量配制成不同粒度組成的樣品進行脫水試驗,試驗結果見表4和圖6。

圖5 不同粒度煤樣的表面電位

表4 不同均勻度煤樣性質測試結果

圖6 粒度級配對煤漿脫水效果的影響

由表4可以看出,不同粒度級配得到的樣品的均勻度各不相同,其中B3、B4和B5樣品均由相鄰的3個粒度級等比例配制,所得均勻度相差不大;B1、B2和B5樣品中均含有－0.045 mm的微細顆粒,均勻度為B2＞B1＞B5。

由圖6可以看出,均勻度最大的B2煤樣過濾速度最小,濾餅水分最高,為42.07%;B3、B4和B5煤樣均勻度相差不大,濾餅的過濾速度隨著粒度的減小而減小,濾餅水分則相反,隨著粒度的減小而逐漸增加,原因在于粒度粗顆粒直徑大、單位體積內的表面積小、表面能低、毛細管水分和薄膜水分相對較少;粒度細顆粒由于直徑小、表面積大及表面能高,造成毛細管水分和薄膜水分相對增多,在相同條件時單位質量的煤樣,顆粒細的濾餅水分遠高于顆粒粗的濾餅水分;含有－0.045 mm粒級的樣品中,均勻度為B2＞B1＞B5。這是由于－0.045 mm的微細顆粒極容易堵塞濾餅孔隙,極大地惡化了煤漿的過濾性質,導致B1、B2和B5樣品孔隙率較小,過濾速度減慢,濾餅水分增加。

5 結論

(1)煤漿真空脫水過程中,真空度、煤漿濃度及煤顆粒的粒度組成對其影響較大。隨著真空度的增加,濾餅的水分有所增加,但是過濾比阻增加較大,因此并非真空度越大越好;煤漿濃度的增加在一定程度上可以增加單臺設備的處理量,但由于過濾速度的降低,也極大地限制了其處理量,因此過濾速度不宜太高,本試驗中采用200 g/L。

(2)粒度組成對濾餅再生過濾介質的濾餅結構及濾餅水分有較大影響。粗顆粒形成的濾餅松散多孔且滲透率較高,而細顆粒孔隙率則較小導致水分難以脫除。－0.045 mm粒度級物料是制約煤漿脫水效果的關鍵組成部分,經過對－0.045 mm含量相差不大的不同均勻度的煤漿進行脫水后發現,均勻度較高的物料脫水效果較好。

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(責任編輯 王雅琴)

Study on dehydration effect of fine coal slurry based on particle characteristics

Fan Yuping,Dong Xianshu
(College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

An experimental study of the filter dehydration of fine coal focusing on particle characteristics has been conducted.The filtration velocity,moisture content and filter resistance as an index.The dehydrate characters of coal slurry with uniformity and different particle size have been analyzed.The test results showed that the uniformity were similar.The dehydration effect has been declined when the particle size decreasing.When the size composition were same, the dehydration effect of coal slurry has been improved when the uniformity decreasing,which because the drill gap effect of－0.045 mm fine particles tend to plug the filter paper and reduce the permeability of filter cake.Therefore,this is the key part of effecting coal dehydration.

size composition,filter dehydration,particle uniformity,deposition regulation

TD946.2

A

樊玉萍(1988－),女,山西臨汾人,太原理工大學在讀博士研究生,研究方向為細粒煤泥脫水機理的研究與分析。