超细粉碎颗粒性质对超净煤分选的影响

发布时间：2017-12-16 17:25

本文关键词：超细粉碎颗粒性质对超净煤分选的影响

【摘要】：基于中国的能源现状和消费结构以及煤炭所带来的环境问题,如何提高煤炭的高效清洁开发利用并同时降低对环境的污染,已成为国家煤炭能源相关政策的主导内容。而超净煤作为一种杂质少、附加值高的产品,其灰分低于2%,甚至小于1%,可以作为低污染洁净煤燃料—精细水煤浆以及多种碳素材料的原料,能有效的降低对环境的污染,增加煤炭的利用价值。目前超净煤的制备方法有化学法和物理法,化学法在制备过程中采用强酸强碱,成本高,对环境污染严重,使其应用受到限制。物理法制备的前提是将煤炭超细粉碎,使煤中的有机质和矿物充分解离,然后通过微细粒分选技术将超净煤分选出来。但是,由于超细粉碎后的颗粒粒度多在10μm以下,低于浮选的有效分选下限,因此,选取絮团浮选法来分选超净煤,使超细粉碎后的煤颗粒先形成一定尺度的絮团,然后再用常规浮选分选出超净煤。除此之外,煤炭在超细粉碎过程中,不仅仅是粒度减小和矿物质的解离过程,还会产生因超细粉碎作用导致的煤颗粒物理、化学性质的变化引起的机械化学效应。该效应会影响到絮团分选过程中超净煤颗粒对药剂的吸附、絮团的形成等环节,最终影响到超净煤的分选效果。本文中选取神木不粘煤、淮南气煤、太西无烟煤三种不同变质程度的煤样,探讨在湿法搅拌磨和干法气流磨超细粉碎过程中,能耗的变化以及煤颗粒表面性质(粒度、解离度、孔隙结构、官能团、电位、润湿性等)的变化,并且结合絮团分选机理,研究这些理化性质变化对絮团分选的影响。论文首先研究了超细粉碎过程中的能耗变化。结合分形理论,利用分形维数来表征各煤种经不同粉碎方式后的颗粒粒度分布,并且结合粒度分形研究,探讨超细粉碎过程中的粉碎机理以及能耗变化。相比于一段分形,三段分形更适于来描述超细粉碎后颗粒的粒度分布变化,每段粒度的分形维数分别在2.30~2.95、1.04~1.98、0.006~0.750之间。在此基础上,结合超细煤粉表面分形结果,提出了一种超细粉碎过程中的能耗计算思路,并且得出,粉碎后的物料粒度越细,所消耗的能量就越大。变质程度越高的煤颗粒粉碎所需能耗越大,淮南煤由于在搅拌磨粉碎过程中发生团聚,导致能耗较高。采用马尔文激光粒度仪研究了超细粉碎后煤颗粒的粒度的变化,并探讨了粒度变化对超净煤分选的影响。超细煤颗粒的粒度越小,在浮选槽中颗粒之间的碰撞效率越低,颗粒间的范德华吸引力越弱,生成较多的大尺度絮团所需搅拌强度就越大。粒度大于10μm的神木煤在搅拌转速2500r/min时就可生成较多絮团,当粒度小于10μm时,搅拌转速要达到4500r/min才会有较多大尺度絮团形成。大于10μm的太西煤在转速800r/min时就可生成较多的大尺度絮团,而粒度7.29μm时在转速1500r/min生成的絮团含量最高。当煤浆中大尺度絮团含量较多时,分选得到的超净煤产率较高。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜研究了超细粉碎后煤颗粒形状、表面粗糙度的变化。扫描电子显微镜结果显示:神木煤和淮南煤在粉碎过程中塑性断裂多于脆性断裂,太西无烟煤则表现为较典型的脆性断裂特征。淮南气煤在粒度8.47μm时有团聚现象产生。与气流磨粉碎后的颗粒相比,搅拌磨超细粉碎后的颗粒表面比较光滑,粘附小颗粒较少。结合分形理论得出,超细粉碎后的煤颗粒的形状和表面粗糙度具有分形特征。气流磨粉碎后的颗粒形状分形维数和表面粗糙度分形维数值明显高于搅拌磨。取神木煤和太西煤经气流磨和搅拌磨粉碎后的粒度相近的样品,来研究颗粒的表面形貌对絮团分选的影响。由结果可知,颗粒的分形维数越大,形成的大尺度絮团含量也较多,浮选过程中的泡沫致密且瓷实,分选出的超净煤产率高。采用物理吸附仪、紫外可见光分光光度计研究了超细粉碎后煤颗粒孔隙度、药剂吸附量的变化。基于低温液氮吸附结果分析可知:搅拌磨粉碎过程中,神木煤颗粒中较大的开放型透气孔逐渐减少,主要以一端封闭的不透气孔形式存在;淮南煤也主要以一端封闭的不透气孔形式存在;太西煤颗粒中存在一端封闭的不透气孔和开放型透气孔,随着超细粉碎时间的延长,煤中的孔形态都变为两端开放的开放型透气孔;气流粉碎过程中对孔形态的破坏较小。bet结果显示,随着粒度的减小,颗粒的比表面积增大。通过对药剂吸附量的测定可知:随着粒度的减小,超细粉碎后的煤颗粒对药剂的平衡吸附量增大,絮团分选时所需药剂量增大。气流磨粉碎后的煤颗粒对药剂的平衡吸附量要低于搅拌磨粉碎后的煤颗粒。通过图像分析及酸碱脱灰速率的测定对超细粉碎过程中的解离度进行研究,并对不同解离度的煤颗粒完成了相应的絮团浮选试验。结果表明:颗粒粒度越小,解离度越大,分选出的超净煤产率越高,灰分也会降低。气流磨超细粉碎后煤颗粒中无机矿物的解离度程度较大。神木煤在10.77μm左右、太西煤在粒度15μm左右时无机矿物已获得较充分的解离,而淮南煤在粉碎至5μm时粘土矿物仍没有得到充分的解离。采用傅里叶红外光谱分析仪分析了超细粉碎过程中煤颗粒的官能团的变化情况。结果显示:超细磨矿改变了煤中亲水基团和疏水基团的吸收峰面积比。随着粒度的减小,搅拌磨粉碎后颗粒的表面发生了一定的氧化现象;气流磨粉碎后颗粒表面含氧官能团含量减少。采用zeta电位分析仪研究了超细粉碎过程中煤颗粒的zeta电位变化情况。分析结果表明:随着变质程度的增加,煤样的等电点增大。搅拌磨超细粉碎后,随着粒度的减小,神木煤和太西煤的zeta电负性先减弱后增强,淮南煤由于在超细粉碎过程中解离出的黏土矿物覆盖在颗粒表面,导致电负性逐渐增强。气流磨粉碎后的样品zeta电位高于搅拌磨。电位绝对值越大的颗粒,在相同搅拌转速条件下,形成的大尺度絮团含量就越少,分选出的超净煤产率就越低。电负性的增强使得絮团与气泡间的静电作用势能增加,导致絮团与气泡间的粘附现象较难于发生,从而影响气泡的矿化过程。采用接触角测定仪分析了超细粉碎过程中煤颗粒润湿性变化情况。通过接触角测量可得出:经过气流磨粉碎后,煤颗粒表面疏水性增强。搅拌磨粉碎后,神木煤在粒度10.77μm时接触角最大,淮南煤和太西煤的接触角则随着粒度的减小呈现降低的趋势。疏水性的增强,有助于颗粒间大尺度絮团的形成。接触角的增大,使絮团与气泡间的疏水作用势能增强,絮团与气泡在接近过程中易于接触,促进气泡矿化过程的进行。从动力学角度讲,疏水性的增强可以显著提高絮团在矿浆中的上浮概率。由接触角值可计算得到煤颗粒表面张力、煤-水体系粘附功。煤粉表面张力越小,煤粉-水界面的表面张力越大,在与气泡接近过程中,更易于排开表面的水分子,与气泡接触;同时,煤水界面的粘附功越小,水化膜破裂的临界厚度越大,水化膜在颗粒间相距较远时即可破裂。采用微量热仪测定了超细粉碎后不同粒度、不同煤种的煤颗粒与柴油的润湿热。结果显示,经搅拌磨超细粉碎后神木煤的单位比表面积润湿热随着粒度的减小,呈现出先增大后减小的趋势;淮南煤经搅拌磨粉碎后,单位比表面积润湿热单调递减;太西煤在超细粉碎后的单位比表面积润湿热在粒度11.15μm处出现小的峰值;经气流磨超细粉碎后,三种煤样与柴油的润湿热都明显高于搅拌磨粉碎后的样品。超细粉碎后神木煤浮选时形成的絮团大小在20~70μm左右,淮南气煤形成的絮团大小为20~100μm,太西煤形成的絮团粒度可达100μm。通过Matlab的逐步回归分析方法,对影响超净煤产率、灰分的颗粒理化性质的七个指标进行了显著性分析和回归分析,结果表明,对分选出的超净煤产率影响显著的指标为含氧官能团和接触角,对分选出的超净煤灰分影响显著的指标有原煤的变质程度、解离度、表面电位。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD94

【参考文献】

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