發(fā)布時間：2017-12-16 17:25

  本文關(guān)鍵詞：超細粉碎顆粒性質(zhì)對超凈煤分選的影響

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【摘要】：基于中國的能源現(xiàn)狀和消費結(jié)構(gòu)以及煤炭所帶來的環(huán)境問題,如何提高煤炭的高效清潔開發(fā)利用并同時降低對環(huán)境的污染,已成為國家煤炭能源相關(guān)政策的主導(dǎo)內(nèi)容。而超凈煤作為一種雜質(zhì)少、附加值高的產(chǎn)品,其灰分低于2%,甚至小于1%,可以作為低污染潔凈煤燃料—精細水煤漿以及多種碳素材料的原料,能有效的降低對環(huán)境的污染,增加煤炭的利用價值。目前超凈煤的制備方法有化學(xué)法和物理法,化學(xué)法在制備過程中采用強酸強堿,成本高,對環(huán)境污染嚴重,使其應(yīng)用受到限制。物理法制備的前提是將煤炭超細粉碎,使煤中的有機質(zhì)和礦物充分解離,然后通過微細粒分選技術(shù)將超凈煤分選出來。但是,由于超細粉碎后的顆粒粒度多在10μm以下,低于浮選的有效分選下限,因此,選取絮團浮選法來分選超凈煤,使超細粉碎后的煤顆粒先形成一定尺度的絮團,然后再用常規(guī)浮選分選出超凈煤。除此之外,煤炭在超細粉碎過程中,不僅僅是粒度減小和礦物質(zhì)的解離過程,還會產(chǎn)生因超細粉碎作用導(dǎo)致的煤顆粒物理、化學(xué)性質(zhì)的變化引起的機械化學(xué)效應(yīng)。該效應(yīng)會影響到絮團分選過程中超凈煤顆粒對藥劑的吸附、絮團的形成等環(huán)節(jié),最終影響到超凈煤的分選效果。本文中選取神木不粘煤、淮南氣煤、太西無煙煤三種不同變質(zhì)程度的煤樣,探討在濕法攪拌磨和干法氣流磨超細粉碎過程中,能耗的變化以及煤顆粒表面性質(zhì)(粒度、解離度、孔隙結(jié)構(gòu)、官能團、電位、潤濕性等)的變化,并且結(jié)合絮團分選機理,研究這些理化性質(zhì)變化對絮團分選的影響。論文首先研究了超細粉碎過程中的能耗變化。結(jié)合分形理論,利用分形維數(shù)來表征各煤種經(jīng)不同粉碎方式后的顆粒粒度分布,并且結(jié)合粒度分形研究,探討超細粉碎過程中的粉碎機理以及能耗變化。相比于一段分形,三段分形更適于來描述超細粉碎后顆粒的粒度分布變化,每段粒度的分形維數(shù)分別在2.30~2.95、1.04~1.98、0.006~0.750之間。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合超細煤粉表面分形結(jié)果,提出了一種超細粉碎過程中的能耗計算思路,并且得出,粉碎后的物料粒度越細,所消耗的能量就越大。變質(zhì)程度越高的煤顆粒粉碎所需能耗越大,淮南煤由于在攪拌磨粉碎過程中發(fā)生團聚,導(dǎo)致能耗較高。采用馬爾文激光粒度儀研究了超細粉碎后煤顆粒的粒度的變化,并探討了粒度變化對超凈煤分選的影響。超細煤顆粒的粒度越小,在浮選槽中顆粒之間的碰撞效率越低,顆粒間的范德華吸引力越弱,生成較多的大尺度絮團所需攪拌強度就越大。粒度大于10μm的神木煤在攪拌轉(zhuǎn)速2500r/min時就可生成較多絮團,當(dāng)粒度小于10μm時,攪拌轉(zhuǎn)速要達到4500r/min才會有較多大尺度絮團形成。大于10μm的太西煤在轉(zhuǎn)速800r/min時就可生成較多的大尺度絮團,而粒度7.29μm時在轉(zhuǎn)速1500r/min生成的絮團含量最高。當(dāng)煤漿中大尺度絮團含量較多時,分選得到的超凈煤產(chǎn)率較高。利用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡研究了超細粉碎后煤顆粒形狀、表面粗糙度的變化。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示:神木煤和淮南煤在粉碎過程中塑性斷裂多于脆性斷裂,太西無煙煤則表現(xiàn)為較典型的脆性斷裂特征。淮南氣煤在粒度8.47μm時有團聚現(xiàn)象產(chǎn)生。與氣流磨粉碎后的顆粒相比,攪拌磨超細粉碎后的顆粒表面比較光滑,粘附小顆粒較少。結(jié)合分形理論得出,超細粉碎后的煤顆粒的形狀和表面粗糙度具有分形特征。氣流磨粉碎后的顆粒形狀分形維數(shù)和表面粗糙度分形維數(shù)值明顯高于攪拌磨。取神木煤和太西煤經(jīng)氣流磨和攪拌磨粉碎后的粒度相近的樣品,來研究顆粒的表面形貌對絮團分選的影響。由結(jié)果可知,顆粒的分形維數(shù)越大,形成的大尺度絮團含量也較多,浮選過程中的泡沫致密且瓷實,分選出的超凈煤產(chǎn)率高。采用物理吸附儀、紫外可見光分光光度計研究了超細粉碎后煤顆粒孔隙度、藥劑吸附量的變化�；诘蜏匾旱浇Y(jié)果分析可知:攪拌磨粉碎過程中,神木煤顆粒中較大的開放型透氣孔逐漸減少,主要以一端封閉的不透氣孔形式存在;淮南煤也主要以一端封閉的不透氣孔形式存在;太西煤顆粒中存在一端封閉的不透氣孔和開放型透氣孔,隨著超細粉碎時間的延長,煤中的孔形態(tài)都變?yōu)閮啥碎_放的開放型透氣孔;氣流粉碎過程中對孔形態(tài)的破壞較小。bet結(jié)果顯示,隨著粒度的減小,顆粒的比表面積增大。通過對藥劑吸附量的測定可知:隨著粒度的減小,超細粉碎后的煤顆粒對藥劑的平衡吸附量增大,絮團分選時所需藥劑量增大。氣流磨粉碎后的煤顆粒對藥劑的平衡吸附量要低于攪拌磨粉碎后的煤顆粒。通過圖像分析及酸堿脫灰速率的測定對超細粉碎過程中的解離度進行研究,并對不同解離度的煤顆粒完成了相應(yīng)的絮團浮選試驗。結(jié)果表明:顆粒粒度越小,解離度越大,分選出的超凈煤產(chǎn)率越高,灰分也會降低。氣流磨超細粉碎后煤顆粒中無機礦物的解離度程度較大。神木煤在10.77μm左右、太西煤在粒度15μm左右時無機礦物已獲得較充分的解離,而淮南煤在粉碎至5μm時粘土礦物仍沒有得到充分的解離。采用傅里葉紅外光譜分析儀分析了超細粉碎過程中煤顆粒的官能團的變化情況。結(jié)果顯示:超細磨礦改變了煤中親水基團和疏水基團的吸收峰面積比。隨著粒度的減小,攪拌磨粉碎后顆粒的表面發(fā)生了一定的氧化現(xiàn)象;氣流磨粉碎后顆粒表面含氧官能團含量減少。采用zeta電位分析儀研究了超細粉碎過程中煤顆粒的zeta電位變化情況。分析結(jié)果表明:隨著變質(zhì)程度的增加,煤樣的等電點增大。攪拌磨超細粉碎后,隨著粒度的減小,神木煤和太西煤的zeta電負性先減弱后增強,淮南煤由于在超細粉碎過程中解離出的黏土礦物覆蓋在顆粒表面,導(dǎo)致電負性逐漸增強。氣流磨粉碎后的樣品zeta電位高于攪拌磨。電位絕對值越大的顆粒,在相同攪拌轉(zhuǎn)速條件下,形成的大尺度絮團含量就越少,分選出的超凈煤產(chǎn)率就越低。電負性的增強使得絮團與氣泡間的靜電作用勢能增加,導(dǎo)致絮團與氣泡間的粘附現(xiàn)象較難于發(fā)生,從而影響氣泡的礦化過程。采用接觸角測定儀分析了超細粉碎過程中煤顆粒潤濕性變化情況。通過接觸角測量可得出:經(jīng)過氣流磨粉碎后,煤顆粒表面疏水性增強。攪拌磨粉碎后,神木煤在粒度10.77μm時接觸角最大,淮南煤和太西煤的接觸角則隨著粒度的減小呈現(xiàn)降低的趨勢。疏水性的增強,有助于顆粒間大尺度絮團的形成。接觸角的增大,使絮團與氣泡間的疏水作用勢能增強,絮團與氣泡在接近過程中易于接觸,促進氣泡礦化過程的進行。從動力學(xué)角度講,疏水性的增強可以顯著提高絮團在礦漿中的上浮概率。由接觸角值可計算得到煤顆粒表面張力、煤-水體系粘附功。煤粉表面張力越小,煤粉-水界面的表面張力越大,在與氣泡接近過程中,更易于排開表面的水分子,與氣泡接觸;同時,煤水界面的粘附功越小,水化膜破裂的臨界厚度越大,水化膜在顆粒間相距較遠時即可破裂。采用微量熱儀測定了超細粉碎后不同粒度、不同煤種的煤顆粒與柴油的潤濕熱。結(jié)果顯示,經(jīng)攪拌磨超細粉碎后神木煤的單位比表面積潤濕熱隨著粒度的減小,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;淮南煤經(jīng)攪拌磨粉碎后,單位比表面積潤濕熱單調(diào)遞減;太西煤在超細粉碎后的單位比表面積潤濕熱在粒度11.15μm處出現(xiàn)小的峰值;經(jīng)氣流磨超細粉碎后,三種煤樣與柴油的潤濕熱都明顯高于攪拌磨粉碎后的樣品。超細粉碎后神木煤浮選時形成的絮團大小在20~70μm左右,淮南氣煤形成的絮團大小為20~100μm,太西煤形成的絮團粒度可達100μm。通過Matlab的逐步回歸分析方法,對影響超凈煤產(chǎn)率、灰分的顆粒理化性質(zhì)的七個指標(biāo)進行了顯著性分析和回歸分析,結(jié)果表明,對分選出的超凈煤產(chǎn)率影響顯著的指標(biāo)為含氧官能團和接觸角,對分選出的超凈煤灰分影響顯著的指標(biāo)有原煤的變質(zhì)程度、解離度、表面電位。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD94

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本文編號：1296850