机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究.pdf
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1、159Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308029机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究王婕,李珠琼?,赵静3,张广山4(1.太原理工大学土木工程学院,山西太原030024;2.山西省地质矿产研究院有限公司,山西太原030001;3.淮南师范学院化学与材料工程学院,安徽淮南232038;4.北京约顿气膜建筑技术股份有限公司,北京100125)摘要:机械搅拌是絮团分选超净煤过程中至关重要的环节。通过理论计算和分析,论证了絮团形成过程中搅拌能量场输入的必要性,试验分析了搅拌转速、搅拌时间对絮团粒度及超净煤分选的影响,对比了经
2、两种不同超细粉碎方式粉碎后的煤颗粒形成的絮团大小和超净煤分选结果的差异。结果表明:颗粒间的相互作用势能存在能垒峰,机械搅拌能量场的输入,赋予了煤粒克服能垒的动能,使其能在疏水势能作用下发生聚团。粒度越小,需要输入的搅拌能量就越高。粒度较小的煤颗粒,随着搅拌转速、时间的增加,絮团粒度及超净煤产率出现小幅度的升高后逐渐降低。较强的搅拌能量场输入有利于分选出灰分更低的超净煤。与搅拌磨粉碎后的煤样相比,经气流磨粉碎后的超细煤形成的絮团粒度较大,分选出的超净煤产率和灰分较高。关键词:超净煤;絮团浮选;机械搅拌;扩展DLVO中图分类号:TD94文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2
3、3)0 8-0 159-0 6Influence of mechanical stirring on flocculation separation of ultra-clean coalWANG Jie,LI Qiong,ZHAO Jing,ZHANG Guangshan*(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 03024,China;2.Shanxi Institute of Geology and Mineral Resources Co.,Ltd.,Taiyuan 030001,C
4、hina;3.School of Chemistry and Materials Engineering,Huainan Normal University,Huainan 232038,China;4.Metaspace(Be i j i n g)A i r D o m e Co r p.,Be i j i n g 10 0 12 5,Ch i n a)Abstract:Mechanical stirring is a very important step in the process of ultra-fine coal separation.Through theoreticalcal
5、culation and analysis,the necessity of stirring energy input in floc flotation process are demonstrated,and the effects ofstirring speed and stirring time on floccules size and ultra clean coal separation are experimentally analyzed.The floc sizeformed by coal particles grinded by two different ultr
6、a-fine grinding methods and the separation results of ultra clean coal werecompared.The results show that there is an energy barrier peak in the interaction potential energy between particles,and theenergy input of mechanical stirring endows the coal particles with the kinetic energy to overcome the
7、 energy barrier,whichenables them to agglomerate under the action of hydrophobic potential energy.The smaller the particle size,the higher theinput of stirring energy.With the increase of stirring speed or stirring time,the floccules size and ultra-clean coal yieldincreases slightly and then decreas
8、es gradually for coal particles with smaller particle size.Stronger stirring energy input isbeneficial to the separation of ultra-clean coal with lower ash content.Compared with the coal samples grinded by strring mill,the ultrafine coal pulverized by jet mill has larger-sized flocs and higher yield
9、 and ash content of ultrafine coal.Keywords:ultra-clean coal;floc flotation;mechanical stirring;EDLVO超净煤是指灰分1%2%,甚至小于1%的超低灰精煤。作为一种新型高附加值的产品,可用于制备替代柴油、天然气的精细水煤浆及多种碳素材料的原料1-6 ,以及用于制备高分子工程材料7.8 。在超净煤的制备方法中,絮团浮选法所用的分选药剂安全性较高,且对国内煤种呈现良好的适用性,是更为行之有效的分选方法。絮团浮选的前提是将煤超细粉碎,尽可能地实现无机矿物与有机质的解离,收稿日期:2 0 2 2-0 7-2
10、 6基金项目:山西省青年科技研究基金(2 0 190 1D211040)作者简介:王婕(198 9),女,山西长治人,讲师,研究方向为洁净煤技术,E-mail:1513519917 8 16 3.c o m。引用格式:王婕,李琼,赵静,等机械搅拌对絮团分选超净煤的影响研究J1煤炭工程,2 0 2 3,55(8):159-16 41602023年第8 期研究探讨程炭煤在选择性药剂作用下,通过高速搅拌,使超细煤颗粒碰撞粘附,形成一定尺度的絮团,再通过常规浮选分选出超净煤。可以看出,絮团分选超净煤的核心环节在于絮团的形成,而絮团的形成是建立在超细粉碎后颗粒表面性质、非极性油的强化以及高强度搅拌能量输
11、入三个因素的共同作用下。颗粒表面的疏水性以及非极性油的诱导疏水作用强化了颗粒的聚团程度和抗碎裂能力,搅拌能量场的输人则确保了颗粒间的碰撞粘附直至絮团的形成。Chenl9等人研究得出,随着搅拌强度的增加,聚团粒度分布由单峰向双峰转变,聚团形态由支链状逐渐变为球形。Koh10也发现了相似规律,并且认为粗粒级絮团所呈现出的自相似性对数分布仅仅与搅拌速度有关。赵静11 等人应用分形维数分析了剪切力场中絮团形态和粒径的非线性变化,确立了分形维数与搅拌速度的关系,认为当分形维数最大时,絮团具有密实的结构和合适的大小,分选效果也最好。由此可见,机械搅拌对絮团的形成影响十分显著。前人较多的研究集中于搅拌速度、
12、时间对絮团粒度、形态的影响,并未将絮团人料颗粒的差异纳人研究范围。由于絮团分选超净煤的前提是煤的超细粉碎,不同的超细粉碎方式、超细粉碎后不同的煤颗粒粒度,也会影响到机械搅拌条件的最优化选择,从而影响到絮团的形成12,13。因此本文选取经两种不同超细粉碎设备处理后的不同粒度的超细煤为样品,在论证了絮团浮选过程中搅拌能量场输入的必要性的基础上,综合考虑超细粉碎方式和超细煤粒度,研究搅拌参数对絮团粒度及分选出的超净煤产率和灰分的影响,以期对絮团分选超净煤提供理论依据和实践指导1试验材料及方法1.1实验煤样选取神木不黏煤(SM)进行研究,采用德国varioMACROCHNS型元素分析仪和美国TGA-7
13、01型工业分析仪分别进行煤样的工业分析和元素分析,结果见表1。采用日本Rigaku公司D/MAX2500型X射线衍射仪对煤样进行XRD分析,结果如图1所示。神木不黏煤的变质程度较低,内水含量高,煤中的无机质主要为高岭石、石英和方解石。表1神木煤的工业分析与元素分析%MadAadVafFC dafCdarHdarOdarNdarSdar4.884.2336.6563.3582.165.8410.411.310.281.3絮团形成及超净煤分选絮团制备在体积为1L的圆柱形搅拌槽中进行,如图2所示,搅拌器形状为涡轮型叶轮,叶轮直径5cm。将超细粉碎后的煤样用水浸湿后倒人搅拌槽中,加入一定量的乳化柴油后
14、进行高速搅拌(不同粒度Q20007K:高岭石KQ:石英KKC1500C:方解石Non:非晶质(煤)Non1000500CCQCQNon01020304050607020/()图1神木煤的X-射线衍射图谱1.2超细粉碎实验煤样采用QHPE-5080型颚式破碎机破碎至1mm以下,经XMB-70型棒磨机磨矿后作为超细粉碎的原料。超细粉碎选取湿法和干法两种粉碎方式,湿法超细粉碎在QHJM-1型搅拌磨上进行,磨矿浓度为30%(质量分数),干法超细粉碎在MQW03型气流磨上进行。粒度组成由MalvernMastersizerX型激光粒度仪测得。超细粉碎后神木煤的体积平均粒径D4,3见表2。表2超细粉碎后的
15、煤颗粒的平均粒径um搅拌磨原样气流磨15 min30 min 45 min60 min141.3515.0810.778.576.13 7.806.20 5.56图2搅拌装置的超细煤样,单位比表面的药剂用量相同)。乳化柴油是由乳化剂(曲拉通)、柴油和水配制而成,油水比1:4。高速搅拌后的煤浆倒人浮选机中进行超净煤分选,浮选浓度为50 g/L,起泡剂为仲辛醇,经一次粗选、一次精选后得到超净煤。2絮团形成过程中机械搅拌的作用机制絮团分选超净煤的核心环节是絮团的形成。由扩展DLVO理论可知,微细粒超净煤颗粒要获得有效的絮团,其颗粒之间的总作用势能应该为负值。微细煤颗粒在水中总作用势能由范德华作用势能
16、VA、静电作用势能VR、疏水作用势能Vm组成12 :1612023年第8 期程炭研究探讨煤V=VA+VR+VHI(1)范德华作用势能计算式如下:A132RV=-(2)12H式中,R为超细煤颗粒半径,m;H 为超细煤颗粒间界面力作用距离,m;A 132 为哈马克常数,物质1和2 在第3种介质中相互作用的哈马克常数。A132(/A.-/A,)(/A2-/Ag)(3)式中,A11、A 2、A 33分别代表三种物质在真空中互相作用的哈马克常数1V8Rln1+exp(-kH)(4)2式中,8。为分散介质的绝对介电常数,8=8o8;。为矿物表面电位,V;k 1为德拜长度的倒数,代表双电层厚度,m。HVr=
17、-2.51 10-Rk,hoexp(5)式中,H为颗粒间界面力作用距离,m;k i 为exp(100不完全疏水化系数,0 ki1,k j=e-1为煤在水中的接触角,();h。为衰减长度,ho=(12.21.0)ki,nm。以样品SM-15min_15.08为例,相关数据见表3,将数据分别代入至上述公式中,得到超细粉碎后颗粒间作用势能曲线,如图3所示。表3相关数据参数数据煤粒在真空中的哈马克常数Al6.07 10-20 14 水在真空中的哈马克常数A334.841020 15真空中绝对介电常数8 08.85410-12 c/(J:m)水介质的介电常数&78.5/(J m)16煤颗粒表面电位女。-
18、33.810-3vDebye常数 k3x107m1煤在水中的接触角62.13煤颗粒粒度15.08 m由图3可知,在靠近的初始阶段,总作用势能为正值,煤颗粒间表现为相互排斥,随着距离的减小,排斥势能增大逐渐到达“能垒”峰处,越过“能垒”后,排斥势能逐渐减小,当距离小至某一值时,疏水势能逐渐克服静电排斥势能而占优势,总作用势能由正转负,曲线急剧下降,煤粒形成絮团。“能垒”峰的存在,使得超细粉碎后的煤粒不可能自发地形成絮团,只有通过机械搅拌,提供给150100500-50-100-150-20002004006008001000HIA图3煤颗粒相互作用总势能与颗粒间距的关系煤粒一定大小的动能,使其克
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