徐志強(qiáng)，鄭劍平，李凡飛，王 磊，涂亞楠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.教育部煤基漿體燃料工程研究中心，北京 100083)

近年來，我國能源安全形勢(shì)變得日益嚴(yán)峻，煤炭資源作為當(dāng)前我國主要能源，其清潔高效利用至關(guān)重要。水煤漿技術(shù)作為煤炭清潔高效利用技術(shù)之一，在一定程度上得到了很大的發(fā)展。目前，水煤漿主要應(yīng)用于東南沿海區(qū)域的中小型工業(yè)鍋爐、陶瓷等建材領(lǐng)域中的噴霧干燥塔的燃料和現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域作為德士古氣化爐的原料[1]，應(yīng)用廣泛。但如何制備出高濃度水煤漿，高效率地利用煤炭資源顯得尤為重要。

水煤漿的制備過程中，有效地控制好顆粒的粒度分布，形成良好的粒度級(jí)配，可制得高濃度漿體。不同粒度分布一般堆積效率也會(huì)不同，其對(duì)水煤漿的可制漿濃度、流變性和穩(wěn)定性等產(chǎn)生重要影響[2]。一般而言，堆積效率越高，可制漿濃度越高，穩(wěn)定性越好[3]。但對(duì)于等堆積效率而不同粒度分布條件下，水煤漿制漿濃度和穩(wěn)定性的變化規(guī)律方面卻未見相似研究。

本文提出了一種顆粒外圍水層厚度的概念和相應(yīng)理論計(jì)算方法，并探討了相同堆積效率、不同粒度分布條件下，水煤漿的可制漿濃度與穩(wěn)定性隨著顆粒外圍水層厚度的變化規(guī)律。

1 模型建立

在張榮曾提出的隔層堆積理論模型[2]及Tu等提出的顆粒堆積效果評(píng)價(jià)指標(biāo)E的計(jì)算方法[3]等的研究基礎(chǔ)上，提出了水煤漿體系中煤顆粒外圍水層厚度的計(jì)算模型。

1.1 顆粒外圍水層厚度的定義

在水煤漿體系中，顆粒與顆粒間不直接接觸，兩個(gè)顆粒的表面之間存在一層水。單就某個(gè)顆粒而言，其外圍水層厚度被認(rèn)為是中間層的一半，記為L。顯然L值與水煤漿濃度直接相關(guān)，如圖1所示。

圖1 顆粒外圍水層厚度L的示意圖

1.2 假設(shè)

參照Tu提出的堆積效果評(píng)價(jià)指標(biāo)E的計(jì)算模型假設(shè)[3]，本模型的假設(shè)如下：

1)均勻性假設(shè)——在水煤漿體系中，煤顆粒是均勻分布的。

2)離散型假設(shè)——整個(gè)水煤漿體系可以劃分為有限數(shù)量的計(jì)算微元結(jié)構(gòu)，且每個(gè)結(jié)構(gòu)中的顆粒粒徑分布完全一致，且具有相同的堆積模式和堆積效率。

3)可變形假設(shè)——計(jì)算微元可以發(fā)生變形、重組，甚至可以分割為數(shù)量不限的更小結(jié)構(gòu)離散到整個(gè)體系，但在計(jì)算中仍被認(rèn)為是同一個(gè)微元的內(nèi)部元素。

4)平均性假設(shè)——在同一個(gè)水煤漿體系中，所有顆粒的L值均相等。

5)堆積模式一致性假設(shè)——忽略因粒度效應(yīng)對(duì)不同大小顆粒表面水層厚度的影響，且水層厚度無論多大或多小均不對(duì)顆粒堆積體系膨脹或壓縮有任何干擾。

1.3 建模計(jì)算

首先參照Tu提出的堆積效果評(píng)價(jià)指標(biāo)E的計(jì)算模型[3]，使用同樣的方法計(jì)算E值。

而對(duì)于任一顆粒，當(dāng)外圍形成水層后，其體積將發(fā)生膨脹。顯然，不同粒徑顆粒的膨脹率是不同的。如圖1所示，由于有水的存在，可認(rèn)為每個(gè)顆粒均增加了一層外圍水層，其粒徑將增大2L。

對(duì)于任一i級(jí)次級(jí)粒級(jí)，其平均粒徑di因外層有水層后的平均粒徑Di為：Di=di+2L。則相應(yīng)的體積膨脹率φi為：

此時(shí)，以膨脹后的窄粒級(jí)固體顆粒體積作為實(shí)際體積替換Tu的方法中的窄粒級(jí)固體顆粒體積進(jìn)行相似計(jì)算。據(jù)上述總表觀體積，并利用顆粒體積、顆粒視密度、顆粒真密度、水的密度等參數(shù)，就可以計(jì)算出顆粒體積增大2L后的體系的固體顆粒質(zhì)量濃度，或者就是水煤漿的計(jì)算濃度。顯然，這個(gè)計(jì)算過程無法給出確定的L值。因此具體的計(jì)算操作是，先給定L一個(gè)小值，并以更小的增量ΔL進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，直至水煤漿計(jì)算濃度值恰好超過實(shí)測濃度值時(shí)，將此值及前一個(gè)值做平均，即可得到相對(duì)準(zhǔn)確的L值。其準(zhǔn)確性可以由增量ΔL的大小來確定，本文中采用0.01μm。

2 煤樣性質(zhì)與研究方法

2.1 煤樣性質(zhì)

煤樣來自于神東集團(tuán)哈拉溝選煤廠神優(yōu)2號(hào)產(chǎn)品，其工業(yè)分析與元素分析見表1。

由1.3節(jié)計(jì)算過程解釋可知，為了較為準(zhǔn)確計(jì)算各煤樣制備的水煤漿的L值，需要測試煤樣的真密度、孔隙率，本文參照真密度測試國家標(biāo)準(zhǔn)檢測煤樣的真密度及采用壓汞法測試煤樣的孔隙率，并計(jì)算出內(nèi)在水分，測量結(jié)果見表2。

表1 煤樣煤質(zhì)分析結(jié)果 %

表2 煤樣的密度、孔隙率和內(nèi)水

2.2 研究方法

研究選取亞甲基二萘磺酸鈉(NNO)作為制漿用分散劑，其最佳用量經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定為干煤質(zhì)量的0.8%。樣品處理方法為：將收到的煤樣在空氣中進(jìn)行干燥2～3d，制成實(shí)驗(yàn)所需的空氣干燥基。將空氣干燥基煤樣(>100kg)，揀出大塊矸石后，然后按照GB/T 474—2008經(jīng)過小型顎式破碎機(jī)破碎至3mm以下過篩后，利用二分器進(jìn)行混合、縮分至10kg，用樣品袋真空封存，存放在陰涼處。其余煤樣送入球磨機(jī)中進(jìn)行磨制，控制不同的研磨時(shí)間后，用電動(dòng)振篩機(jī)過0.3mm篩子，篩上物料再投入球磨機(jī)研磨，最終制取0.3mm以下煤粒封存于樣品袋中并標(biāo)記好。研磨時(shí)間根據(jù)其物料粒度分布(采用OMIC LS-C(I)型激光粒度分析儀測試粒度分布)進(jìn)行控制，以得到煤樣的粗樣、細(xì)樣、超細(xì)樣三種樣品(CS、FS、CFS)，作為配置不同粒度分布的制漿樣品。由此得到的粒度分布如圖2所示。

圖2 煤樣粒度分布圖

制漿方法為：將粗、細(xì)、超細(xì)樣品按選定的配比準(zhǔn)確稱量，加入一定量的分散劑和水，使用高速攪拌器，在低轉(zhuǎn)速條件下將煤粉、分散劑和水進(jìn)行預(yù)先捏混4～5min，使煤樣充分潤濕，形成有一定流動(dòng)性的混合物，然后進(jìn)行高速攪拌混勻10min，攪拌速率為1000r/min，使煤顆粒與藥劑間得到進(jìn)一步熟化。粗、細(xì)及超細(xì)樣品的配比依據(jù)E值相近、L值不同的原則進(jìn)行遴選。最終CS∶FS∶CFS質(zhì)量比為0∶5∶8、0∶5∶2、3∶8∶1、9∶9∶1，其E值分布在84.61±0.01%，見表3。

表3 不同配比下顆粒間堆積效率E和水層厚度L

煤漿特性檢測方法：水煤漿濃度采用Sartorius MA35快速水分分析儀測試，表觀粘度、切應(yīng)力和剪切率等采用Brookfield DV2T型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試，并依據(jù)Herschel-Bulkley模型[1，4-8]進(jìn)行擬合。在此，定義可制漿濃度R值：在最優(yōu)用藥量、常溫及剪切速率為100s-1條件下，水煤漿的表觀粘度達(dá)到1000mPa·s時(shí)的漿體濃度。水煤漿穩(wěn)定性采用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀進(jìn)行測試分析，觀察15d靜置后，析水率h和穩(wěn)定性指標(biāo)TSI值的變化規(guī)律[9-11]。

3 水層厚度L對(duì)漿體特性變化的影響

3.1 L值對(duì)可制漿濃度R的影響

不同L值下的可制漿濃度R如圖3所示?？梢姡S著L值的增大(由最小值到最大值增大了約50%)，R值也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。也就是說，在堆積效率相近的條件下，適當(dāng)增大L值將會(huì)提高制漿濃度。這主要是因?yàn)榈榷逊e條件時(shí)，L值大的配比中粗顆粒含量占比大，相當(dāng)于整體外表面積下降。此時(shí)若仍以等濃度且等堆積效率制備水煤漿時(shí)，L值大的配比的水煤漿體系中的自由水量相對(duì)L值小的配比要多一些，從而使粘度下降。故在可制漿濃度角度進(jìn)行考察時(shí)，相應(yīng)的制漿濃度會(huì)高一些。但由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，所有配比的可制漿濃度均分布在59.95±0.3%之間，在很窄的范圍內(nèi)變化。也就是說，盡管L值相對(duì)增大了約50%，但所對(duì)應(yīng)研究的濃度值僅相對(duì)提高了約0.5%，濃度增大幅度很小?？梢?，在堆積效率相近的情況下，L值僅能在很有限的范圍內(nèi)對(duì)可制漿濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且滿足L值越大，可制漿濃度越大。因此，圖3也從側(cè)面驗(yàn)證了，采用E值進(jìn)行堆積效率和制漿過程的指導(dǎo)更為有效。

圖3 R與L的關(guān)系

3.2 L值對(duì)水煤漿析水率h的影響

不同L值條件下，水煤漿經(jīng)過靜置15d后的析水率如圖4所示?？梢?，顆粒外圍水層厚度L值越大，靜置15d后的析水率也越大。主要是因?yàn)樗膫€(gè)配比的E值是近似相等的，即制備水煤漿的可制漿濃度也都是很相近的，水層厚度L越大，也就意味著體系中形成的煤、水、分散劑的三維空間結(jié)構(gòu)中所包含的自由水含量就越多。隨著靜置時(shí)間的增加，原形成的三維穩(wěn)定體系被慢慢破壞掉，失去穩(wěn)定，將釋放出自由水，且L值越大，釋放出自由水量越多，即形成更厚頂部澄清層，析水率h也就更大。

圖4 L與h之間的關(guān)系

3.3 L值對(duì)水煤漿穩(wěn)定性指標(biāo)TSI的影響

不同L值條件下，經(jīng)Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀基于背散射光譜檢測結(jié)果得到的水煤漿穩(wěn)定性指標(biāo)TSI值如圖5所示?？梢?，在堆積效率相近的條件下，TSI值隨著L值的增大而增大，即水煤漿穩(wěn)定性變差。這主要是由于L值表征了復(fù)合顆粒(指含有外圍水層的煤顆粒)間的距離，其值越高，表明顆粒受微觀條件下的布朗運(yùn)動(dòng)引起的微剪切越強(qiáng)，可以自由移動(dòng)的距離也就越大，從而不僅提供了更多的動(dòng)能，也提供了更寬的可壓縮移動(dòng)范圍，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚并沉降的態(tài)勢(shì)更高，使得水煤漿整體的穩(wěn)定性變差。

圖5 TSI與L的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)等堆積效率下，顆粒整體較粗的煤所制備的水煤漿的水層更厚，其可制漿濃度更高，但提高的幅度很小，揭示了采用E值進(jìn)行堆積效率和制漿過程的指導(dǎo)更為有效。

2)水層厚度越大，外圍水層中的自由水含量也越多，顆粒的可移動(dòng)范圍也越大，顆粒受到微剪切的影響作用也就越顯著，使得體系的析水率越大，穩(wěn)定性指標(biāo)TSI值越高，水煤漿趨于更不穩(wěn)定。