OP_TX表面活性剂对煤泥...压脱水效果及滤饼结构的影响_张辰.pdf
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1、OP/TX 表面活性剂对煤泥加压脱水效果及滤饼结构的影响张辰1,马晓敏1,2,樊玉萍1,董宪姝1,陈茹霞1,李强3(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024;2.矿物加工科学与技术国家重点实验室,北京100163;3.晋能控股山西科学技术研究院有限公司,山西太原030032)摘要:煤泥脱水是煤炭洗选行业的焦点问题之一,采用自主设计的新型加压脱水效果智能监测试验装置,研究了辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)和壬基酚聚氧乙烯醚(TX-10)2 种表面活性剂对煤泥加压脱水效果,通过压滤脱水试验、平均质量比阻测量、毛细吸水时间(CST)测量、润湿热测量、压缩脱水指数测量和 CT 测试分析了表面活
2、性剂对煤泥脱水效果的影响机理。压滤脱水试验、平均质量比阻测量、CST 测量结果表明:OP-10 和 TX-10 均能提高煤泥加压脱水效果,OP-10 最佳药剂量为 200g/t,此时滤饼平均质量比阻为 5.21106m/kg,CST 降低率最大 14.25%,过滤速度相比原煤泥提高88.45%,水分为 16.7。TX-10 最佳药剂量为 400g/t,此时滤饼平均质量比阻为 9.31106m/kg,CST 降低率最大 13.36%,过滤速度相比原煤泥提高 76.57%,水分为 18.2。润湿热测量结果表明OP-10 的润湿热为 1.196J/g,TX-10 的润湿热为 4.11J/g,TX-1
3、0 的亲水性高于 OP-10,相对 OP-10难脱水,因此 OP-10 表面活性剂的压滤脱水效果好。通过滤饼压力形变关系分析得到了滤饼成型过程的 3 个阶段,发现压缩脱水阶段与脱水效果密切相关,进一步定义了压缩脱水指数 CDI,CDI 越低,滤饼可压缩性越高,相同压力下滤饼厚度降低幅度越大,水分越低,最佳浓度下的 OP-10 和 TX-10 作用下的压缩脱水指数分别为 147.18 和 155.35。通过 CT 扫描技术,对原样和加入 OP-10 压滤成型的滤饼进行微观结构分析,发现原样的有效孔隙率 11.96%,连通性差,孤立孔比例大,加入浓度200g/t 的 OP-10 时,滤饼有效孔隙率
4、为 20.43%,连通性好,迂曲度显著下降为 1.9,滤饼的渗透率逐渐增大,平均质量比阻就越小,因此可以提高脱水效果。关键词:煤泥脱水;表面活性剂;压缩脱水指数;CT 扫描;滤饼结构中图分类号:TD94文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06027511Effect of OP/TX emulsifiers on the effectiveness of pressurised dewatering of coalslurry and the structure of the filter cakeZHANGChen1,MAXiaomin1,2,FANYuping1,DONGX
5、ianshu1,CHENRuxia1,LIQiang3(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.State Key Laboratory of Mineral Processing Science andTechnology,Beijing 100163,China;3.Jinneng Holdings Shanxi Science and Technology Research Institute Co.,Taiyuan 030022,China)Abstr
6、act:Theeffectoftwosurfactants,octylphenolethoxylate(OP-10)andnonylphenolethoxylate(TX-10),onthepressuriseddewater-ingofcoalslurry,wasinvestigatedbyusinganewintelligentmonitoringtestdevicedesignedindependentlytomonitortheeffectofpres-suriseddewatering,Themechanismoftheeffectofsurfactantsonthedewateri
7、ngeffectofcoalslurrywasanalysedbymeansoffilterpressdewateringtests,averagemass-specificresistancemeasurements,Capillaryabsorptiontime(CST)measurements,wettingheatmeasure-收稿日期:20220308责任编辑:黄小雨DOI:10.13199/ki.cst.2022-0327基金项目:国家自然科学基金资助项目(52004178,51820105006);矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金资助项目(BGRIMM-KJSKL-20
8、22-10)作者简介:张辰(1996),男,陕西西安人,硕士研究生。E-mail:通讯作者:马晓敏(1991),男,山西太原人,副教授,博士。E-mail:ma_第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023张辰,马晓敏,樊玉萍,等.OP/TX 表面活性剂对煤泥加压脱水效果及滤饼结构的影响J.煤炭科学技术,2023,51(6):275285.ZHANGChen,MAXiaomin,FANYuping,et al.EffectofOP/TXemulsifiersontheeffectivenessofpressuris
9、eddewatering of coal slurry and the structure of the filter cakeJ.Coal Science and Technology,2023,51(6):275285.275ments,compressiondewateringindexmeasurementsandCTtests.Theresultsofthefilterpressdewateringtest,averagemass-specificres-istancemeasurementandCSTmeasurementshowedthatbothOP-10andTX-10can
10、improvethedewateringeffectofcoalslurryunderpressure,andthebestdosageofOP-10is200g/t,atwhichtimetheaveragemass-specificresistanceofthefiltercakeis5.21106m/kg,themaximumCSTreductionrateis14.25%,thefiltrationspeedis88.45%higherthanthatoftheoriginalcoalslurry,andthemoisturecon-tentis16.7%.Theoptimumdosa
11、geofTX-10was400g/t,whichresultedinanaveragemass-specificresistanceof9.31106m/kg,amax-imumCSTreductionof13.36%,anincreaseinfiltrationspeedof76.57%andamoisturecontentof18.2%comparedtotheoriginalcoalslurry.ThewettingheatmeasurementresultsshowedthatthewettingheatofOP-10was1.196J/gandthatofTX-10was4.11J/
12、g.Thehy-drophilicityofTX-10washigherthanthatofOP-10anditwasdifficulttodewatercomparedwithOP-10,sothefilterpressdewateringef-fectofOP-10surfactantwasbetterthanTX-10.Thethreestagesofthefiltercakeformingprocesswereobtainedthroughtheanalysisofthepressure-deformationrelationshipofthefiltercake,anditwasfo
13、undthatthecompressiondewateringstagewascloselyrelatedtothedewateringeffect,andthecompressiondewateringindexCDIwasfurtherdefined.ThelowertheCDI,thehigherthecompressibilityofthefiltercake,thegreaterthereductionofthethicknessofthefiltercakeunderthesamepressure,andthelowerthemoisture,andthecom-pressiond
14、ewateringindexundertheactionofOP-10andTX-10attheoptimalconcentrationwere147.18and155.35respectively.Theef-fectiveporosityoftheoriginalsamplewas11.96%withpoorconnectivityandalargeproportionofisolatedpores,whiletheeffectiveporosityofthefiltercakewas20.43%withgoodconnectivityandasignificantdecreaseinto
15、rtuosityto1.9whenOP-10wasaddedataconcentrationof200g/t.Thepermeabilityofthefiltercakegraduallyincreases,andtheaveragemassspecificresistanceissmaller,soitcanimprovethedewateringeffect.Key words:Coalslurrydewatering;surfactant;compressiondewateringindex;CTscan;filtercakestructure0引言近些年,我国聚焦“双碳”目标和绿色发展
16、之路的不断深入推进,选煤是煤炭清洁利用的必经之路,煤泥脱水作为选煤厂生产的核心环节之一,直接影响水资源的和尾煤资源的回收利用,对选煤厂的产品水分、生产效率和环境保护具有重要意义,随着采煤机械化、智能化的发展,细粒煤泥不断增加,原煤煤质变差,煤炭废水的固液分离已经成为行业焦点问题1-3。国内外学者针对煤泥压滤效果、滤饼结构等开展了较多研究,比如任晓汾等4研究发现,在加压脱水中添加 OP 系列的表面活性剂对煤泥有一定的助滤作用,药剂浓度为 400g/t 时,滤饼水分降至最低点;夏畅斌等5发现在细粒煤浆加入阴离子表面活性剂SDS 后,滤饼水分降低至 10%,加入阳离子表面活性剂 DAB 滤饼水分降低
17、至 3%4%;李玉霞等6选用不同的表面活性剂对山西选煤厂细粒煤泥水进行了一系列脱水试验研究,研究结果表明,非离子表面活性剂硅油在用量仅为 20g/t 脱水效果明显,可降低滤饼水分 4.1%。闫奋飞等7对比了 7 种不同表面活性剂的脱水试验,还研究了煤油作为溶剂和表面活性剂混合的新过滤介质对煤泥脱水的影响。结果表明:非离子表面活性剂在试验过程中助滤效率最好,Span-80 用量仅为 60g/t 时,滤饼水分较空白试验降低 3.1%。邓铃等8-9通过试验分析了煤泥压滤脱水阶段压力对污泥滤饼水分的影响,结果表明过高的压力会增加固液分离的消耗,加快滤板和滤布的磨损,煤泥水压滤的压力一般控制在 0.60
18、.8MPa 之间较为合适;石常省10等人采用扫描电镜法分析了细粒煤压滤滤饼的微观结构,分析不同粒度细粒煤压滤滤饼结构。赵扬等11采用分层切片和扫描电镜法测试了滤饼孔隙率。IRITANI 等12-14研究了压滤过程中过滤压力和滤饼结构的关系,随着过滤压力的增加,滤饼的平均质量比阻增大,滤饼结构的渗透性能降低。整体而言,针对加压过滤过程的加压脱水效果,尤其是滤饼结构特性仍需进一步研究15-16。利用自主设计的新型加压脱水效果智能监测试验装置,对比了加入 2 种表面活性剂(OP-10、TX-10)后煤泥水的压滤脱水效果,测量分析了过滤速度、滤饼水分、毛细吸水时间、滤饼平均质量比阻、润湿热和压缩脱水指
19、数等,最后采用 CT 扫描技术结合迂曲度、渗透率等一系列指标,来微观分析滤饼结构,为煤泥高效加压脱水提供理论和技术指导。1材料与方法1.1试验材料1.1.1煤泥样品试验所用煤泥采集自山西马兰矿选煤厂浓缩机底流,经烘干、密封保存后备用。此试验根据国家标准对干煤泥进行工业分析(GB/T2122008)、小筛分分析(GB/T4772008),并对其进行了元素分析,结果见表 1 和表 2,由表可知,煤泥灰分为 63.83%,矿物成分质量分数较高,煤泥挥发分为 18.25%,为中2023年第6期煤炭科学技术第51卷276高变质程度烟煤,且亲水性元素 S、O、N 质量分数较高,0.0450.074mm 产
20、率为 26.78%,而煤泥中0.074mm 的细粒级质量分数为 58.79%,说明马兰矿选煤厂的煤泥中细煤泥质量分数高,总体而言,该煤泥体现出典型的高灰细煤泥特性。表 1 煤泥工业和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis ofcoal slime%工业分析元素分析MadAadVdFCdSt,dNdOdHdCd2.6863.8318.2515.241.4120.610.021.80222.83表 2 煤泥粒度组成Table 2 Coal slurry size composition粒径/mn产率/%灰分/%正累计/%产率灰分0.250.54.77
21、25.564.7725.560.1250.2516.9548.3621.7243.350.0740.12519.4958.2841.2150.410.0450.07426.7868.6167.9957.580.04532.0177.12100.0063.83合计100.0063.831.1.2试验药剂试验所用药剂为 OP-10(辛基酚聚氧乙烯醚,C34H62O11,非离子表面活性剂)和 TX-10(壬基酚聚氧乙烯醚,C32H58O10,非离子表面活性剂)表面活性剂,无锡市亚泰联合化工有限公司生产,均为分析纯 AR级别。试验用水为马兰矿选煤厂循环水,经过滤除杂后备用。1.2加压脱水试验装置自制试
22、验室智能加压过滤脱水装置如图 1 所示,装置由压力传动装置、多种传感器及终端数据采集软件等构成,空气压缩机压力范围为 01MPa,该装置可实时记录脱水过程中的滤饼厚度、滤液量等指标。1.3试验方法1.3.1加压脱水试验1)采用烘干后的煤泥和选煤厂循环水配置100mL煤泥水(浓度 400g/L),利用电动搅拌器搅拌 30min,加入定量 OP-10 或 TX-10 表面活性剂,继续搅拌30min;2)打开加压脱水机的空气压缩泵,调节压力至0.6MPa,将搅拌后的煤泥水倒入样品池中,将样品池安装固定至脱水机内;3)打开数据采集软件和智能加压脱水机启动开关,开始加压过滤,实时记录滤液体积(Vi)、滤
23、饼厚度。1.3.2毛细吸水时间 CSTCST 测试17-18采用台式毛细吸水时间测试仪(厂家:天津恒祥科技有限公司,型号:TYPE304M)进行,取 2.5mL 待分析煤泥水,置于装置的特定漏斗内,记录煤泥内水分从内圈探头扩散到外圈探头所用时间,即为该煤泥的毛细吸水时间。测定出煤泥在调理前后的毛细吸水时间,计算毛细吸水时间降低率。R=TCS,0TCS,1TCS,0100%(1)式中,R 为煤泥毛细吸水时间降低率%;TCS,0为煤泥调理前毛细吸水时间,s;TCS,1为煤泥调理后毛细吸水时间,s。1.3.3滤饼平均质量比阻根据 Ruth 过滤理论,在恒定的压力作用下,公式如下:t0dt=cA2p=
24、V0VdV+RmAp0dV(2)积分并整理后可得到下列的线性化抛物线方程:tV=c2A2pV+RmAp(3)且有c=s1sm(4)式中:V 为滤液量,m3;t 为过滤时间,s;为滤液黏度,mPas;A 为过滤面积,m2;c 为单位体积滤液的干滤345121启动按钮;2压力表;3压力传感器及其显示屏;4位移传感器及其显示屏;5重量传感器及其显示屏图1智能加压脱水机Fig.1Intelligentpressuriseddewateringmachines张辰等:OP/TX 表面活性剂对煤泥加压脱水效果及滤饼结构的影响2023年第6期277饼质量,kg/m3;P 为过滤压力,Pa;Rm为过滤介质的阻
25、力,m1;m 为滤饼质量湿干比;s 为物料固体颗粒的质量分数,%;为滤液密度,kg/m3;为平均质量比阻,m/kg。上式 t/V 可以看作非独立变量,V 为独立变量。需要先做系列压滤试验测得对应公式的对应参数,对应压滤脱水时间 t 的滤液体积 V,进而在直角坐标系中绘制 t/V-V 线性拟合图,计算斜率和截距,从而得到平均质量比阻。过滤速度公式为=Vitir2(5)式中:v 为过滤速度,mL/(sm2);Vi为滤液体积保持不变,mL;ti为滤液体积保持不变的时间,s;r 为样品池半径,cm。1.3.4红外光谱分析采用 ThermoScientificNicoletiS20FTIR 仪器对煤泥样
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