粒度组成特性对煤泥脱水效果影响的研究

樊玉萍 董宪姝

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

粒度组成特性对煤泥脱水效果影响的研究

樊玉萍 董宪姝

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

基于细粒煤泥的粒度分布特性进行真空过滤脱水,以煤浆的脱水速度、滤饼水分和过滤比阻为判定指标,对均匀度煤浆的脱水性质和不同粒度组成进行分析。试验结果表明,均匀度相差不大,煤浆的脱水效果随着粒度的减小而急剧恶化;粒度组成相似,随着均匀度的减小,煤浆的脱水效果会逐渐变好。这是由于－0.045 mm微细颗粒容易堵塞滤纸,从而降低滤饼的透气性,影响煤炭脱水效果。

粒度组成 过滤脱水 均匀度 沉积规律

1 前言

煤泥的粒度特性是影响选煤脱水工艺与设备效果的关键,近年来随着煤泥粒度组成发生巨大的变化,使得煤泥的脱水效果受到了极大的影响,在当前煤炭形势紧张的情况下,提高产品质量,尤其是降低水分提质具有重要的现实意义。由于这些细颗粒比表面积大,颗粒表面带有一定的负电荷,加之风化氧化作用,颗粒表面存在着疏水性较差、水化膜加厚以及煤浆粘度增加等问题造成脱水极为困难,因此研究细粒煤高效脱水技术及其脱水机理已成为洁净煤技术发展的一个迫切需要。

过滤是利用多孔隙物质作为介质,使固液进一步有效分离的脱水方法,常用于细粒煤泥的脱水处理。在滤饼形成的过程中,固体颗粒的粒度分布、表面电性和矿物成分等对滤饼的孔隙度、拱状结构和毛细管通道等影响极大。国内外学者对此做了大量工作,如在真空过滤过程中研究真空度及药剂的添加对滤饼渗透率、滤饼比阻以及介质阻力的影响规律;也有专家提出了增加空气流速比增加真空度更有利于水分的脱除;还有专家研究了真空驱动力、煤浆浓度、过滤面积、颗粒尺寸以及絮凝剂和表面活性剂对窄粒级煤颗粒的脱水规律,其研究表明,颗粒的尺寸对煤浆的过滤速度、滤饼水分以及滤饼的微观结构具有较大影响;国内专家则指出影响滤饼比阻的因素包括压力、粒度组成、料浆浓度、物料表面荷电以及料浆的凝聚与絮凝。

本文通过分析细粒煤脱水的相关特性,针对真空过滤脱水过程中的操作参数和颗粒的粒度组成对过滤速度、滤饼水分以及滤饼比阻的影响规律进行研究分析,探索细颗粒煤泥在介质表面的沉积规律及其形成相对应的多孔介质,对煤炭脱水理论及其技术的发展具有重要意义。

2 试验部分

2.1 试验煤样

试验煤样取自西山煤电集团马兰矿2＃原煤,经开路破碎缩分制成－0.5 mm的样品,真空密闭保存后供试验使用。煤样的工业和元素分析见表1,煤泥XRD图谱见图1。

表1 马兰矿2＃煤泥工业分析及元素分析 %

图1 马兰矿2＃煤泥XRD图谱

由表1和图1可以看出,该煤样中含有一定量的蒙脱石和高岭石等粘土矿物,其灰分为25.33%,属于变质程度较高的中灰焦煤。

2.2 试验研究

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,测定过滤速度和滤饼全水分。

2.3 结果计算

2.3.1 滤饼水分的计算

滤饼水分Mt的计算见式(1):

式中:Mt——滤饼的全水分,%;

W0——湿滤饼质量,g;

Wt——105℃～110℃鼓风干燥2.5 h后干滤饼质量,g。

2.3.2 过滤速度的计算

过滤速度v的计算见式(2):

式中:v——过滤速度,m L/s·cm2;

Vi——滤饼表面可见水分消失时的滤液体积,m L;

ti——滤饼表面可见水分消失时的过滤时间,s;

A——过滤面积,cm2;

R——布氏漏斗半径,cm。

2.3.3 过滤比阻计算

过滤比阻r计算见式(3):

式中:r——滤饼体积比阻,m－2;

P——压力差及真空度,Pa;

M——斜率,s/m2;

μ——滤液动力粘度,Pa·s;

x——滤饼体积和滤液体积比值。

2.3.4 颗粒的均匀度的计算

颗粒的均匀度φ的计算见式(4):

式中:φ——颗粒的均匀度;

d75——负累计含量为75%时的最大颗粒直径,μm;

d25——负累计含量为25%时的最大颗粒直径,μm。

2.3.5 滤饼孔隙率的计算

滤饼孔隙率ε的计算见式(5):

式中:ε——滤饼孔隙率,%;

VP——滤饼中总孔隙体积,cm3;

VO——滤饼总体积,cm3。

3 煤样脱水条件探索

3.1 真空度对滤饼质量的影响

将煤泥样品配制成100 g/L的浓度,采用不同真空度对其进行脱水试验,结果如图2所示。

图2 真空度对煤浆脱水效果的影响

由图2可以看出,不同真空度下滤液的过滤速度基本呈直线下降趋势,随着真空度的提高,煤浆的过滤速度逐渐地增加。当真空度为0.06 MPa时过滤速度最大,滤饼全水分降到最低为20.75%,但是由于较大的真空度导致煤浆来不及沉降分层,大小颗粒全部快速沉积到滤纸上,造成滤饼阻力增加。所以较大的真空度导致滤饼底层(再生过滤介质)中含有较多的细颗粒,介质的透气性严重受阻,若继续增加入料,则会造成脱水困难及水分含量升高,因此后续试验中均采用0.04 MPa的真空度作为最适宜条件。

3.2 煤浆浓度对滤饼质量的影响

采用0.04 MPa的真空度,对固体含量分别为100 g/L、200 g/L、300 g/L、400 g/L和500 g/L的煤浆进行脱水测试,浓度对煤浆脱水效果的影响见图3。

图3 浓度对煤浆脱水效果的影响

由图3可以看出,固体物含量越高煤浆的过滤速度就越小,滤饼水分同过滤比阻均越来越高。因此采用200 g/L作为最佳煤浆浓度,既保证了煤浆的水分要求,又可以在一定程度上增大系统的处理量。

综上所述可以看出,增大真空度可以一定程度提高煤浆的过滤速度,但是容易造成介质渗透性下降;增加煤浆中固体颗粒的浓度并加大了滤饼的厚度,使得毛细通道变长,固液彻底分离时间延长,夹带在毛细通道的水分增加,增加了滤饼的含水量。另外,毛细通道过细,极易被微细粒堵塞压实,那么真空所形成压力差对水流的推动力减弱,影响水分的彻底流出。此外,毛细通道的增多增加了单位面积过滤阻力,颗粒间水分渗流效果下降。

4 颗粒均匀度对脱水效果的影响

4.1 不同粒度级煤浆脱水效果的研究

对不同粒度级的样品用去离子水配制成200 g/L浓度的煤浆,对其过滤特性进行测定,所得试验结果见图4。

图4 粒度对煤浆脱水效果的影响

由图4可以看出,随着粒度的降低过滤速度逐渐降低,滤饼水分和过滤比阻逐渐增大,尤其是－0.045 mm粒度级的变化较为明显。采用Microtrace S3500激光粒度仪、JS94 H型微电泳仪和SetranmC80微量热仪对不同粒级样品进行表面电位、零电点及润湿热进行测定,不同粒级煤样性质测试结果见表2,不同粒度煤样的表面电位见图5。

表2 不同粒级煤样性质测试结果

由表2可以看出,由于同一煤样不同粒度级样品的均匀度、表面电位、零电点及润湿热各不相同,因此不同粒度级样品的脱水特性各不相同。

由图5可以看出,－0.045 mm样品的均匀度比其它粒级偏高,接近原煤样的均匀度,其煤浆的过滤速度远低于其它粒度级且过滤比阻最大,所得滤饼水分也极高,为31.29%。结合滤饼的孔隙率、表面电位及表面润湿热的测定,可以看出－0.045 mm粒度级是影响总样品的关键组成部分,该粒级滤饼的孔隙率远低于其他粒度级,透气性极差,同时由于微细粒级物料的比表面积较大,所得的润湿热高于其它粒级,因此不难理解该粒度级煤浆脱水效果最差,滤饼水分最高。

4.2 粒度级配对脱水效果的影响

本试验将原煤样按照国标进行小筛分,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这5个粒度级,并将其按等质量配制成不同均匀度的样品,其粒度分布特征见表3。

表3 不同均匀度煤样的粒度分布特征

将各粒度级按表3中等质量配制成不同粒度组成的样品进行脱水试验,试验结果见表4和图6。

图5 不同粒度煤样的表面电位

表4 不同均匀度煤样性质测试结果

图6 粒度级配对煤浆脱水效果的影响

由表4可以看出,不同粒度级配得到的样品的均匀度各不相同,其中B3、B4和B5样品均由相邻的3个粒度级等比例配制,所得均匀度相差不大;B1、B2和B5样品中均含有－0.045 mm的微细颗粒,均匀度为B2＞B1＞B5。

由图6可以看出,均匀度最大的B2煤样过滤速度最小,滤饼水分最高,为42.07%;B3、B4和B5煤样均匀度相差不大,滤饼的过滤速度随着粒度的减小而减小,滤饼水分则相反,随着粒度的减小而逐渐增加,原因在于粒度粗颗粒直径大、单位体积内的表面积小、表面能低、毛细管水分和薄膜水分相对较少;粒度细颗粒由于直径小、表面积大及表面能高,造成毛细管水分和薄膜水分相对增多,在相同条件时单位质量的煤样,颗粒细的滤饼水分远高于颗粒粗的滤饼水分;含有－0.045 mm粒级的样品中,均匀度为B2＞B1＞B5。这是由于－0.045 mm的微细颗粒极容易堵塞滤饼孔隙,极大地恶化了煤浆的过滤性质,导致B1、B2和B5样品孔隙率较小,过滤速度减慢,滤饼水分增加。

5 结论

(1)煤浆真空脱水过程中,真空度、煤浆浓度及煤颗粒的粒度组成对其影响较大。随着真空度的增加,滤饼的水分有所增加,但是过滤比阻增加较大,因此并非真空度越大越好;煤浆浓度的增加在一定程度上可以增加单台设备的处理量,但由于过滤速度的降低,也极大地限制了其处理量,因此过滤速度不宜太高,本试验中采用200 g/L。

(2)粒度组成对滤饼再生过滤介质的滤饼结构及滤饼水分有较大影响。粗颗粒形成的滤饼松散多孔且渗透率较高,而细颗粒孔隙率则较小导致水分难以脱除。－0.045 mm粒度级物料是制约煤浆脱水效果的关键组成部分,经过对－0.045 mm含量相差不大的不同均匀度的煤浆进行脱水后发现,均匀度较高的物料脱水效果较好。

[1] 董宪姝,武乐鹏,姚素玲等.西曲煤电化学脱水效果研究[J],中国煤炭,2009(6)

[2] 张英杰,巩冠群,谢广元等.细粒煤脱水研究综述[J],中国煤炭,2010(6)

[3] J.YANG et.al.Improved techniques for hyperbaric filtration of fine coal slurry[J].International Journal of Coal Preparation and Utilization,2010(1)

[4] C.Selomulya et.al.Micro-properties of coal aggregates:Implications on hyperbaric filtration performance for coal dewatering[J].International Journal of Mineral Processing,2006(2)

[5] 李海波,肖明,胡筱敏.滤饼渗透率的耦合渗流模型及测试方法[J].矿冶工程,2000(9)

[6] Y.J.,Zhang et al.Physical properties and filter cake structure of fine clean coal from flotation[J].International Journal of Mining Science and Technology,2014(2)

[7] G.Q.,Gong et al.Study of the compacting process model of fine clean coal dewatering by filter pressing [J].Journal of China University of Mining&Technology,2013(6)

[8] K.B.,Thapa et.al.Interaction of polyelectrolyte with digested swage sludge and lignite in sludge dewatering [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009(1)

(责任编辑 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,山西临汾人,太原理工大学在读博士研究生,研究方向为细粒煤泥脱水机理的研究与分析。