氣固流化床中磁鐵礦粉二次包覆改性后流化特性的研究＊

于曉東郭 進趙躍民駱振福王 可張文平朱再勝

(1.中國礦業大學化工學院,江蘇省徐州市,221008;2.山東黃金集團昌邑礦業有限公司,山東省濰坊市,261308)

氣固流化床中磁鐵礦粉二次包覆改性后流化特性的研究＊

于曉東1郭 進1趙躍民1駱振福1王 可1張文平2朱再勝1

(1.中國礦業大學化工學院,江蘇省徐州市,221008;2.山東黃金集團昌邑礦業有限公司,山東省濰坊市,261308)

介紹了磁鐵礦粉表面利用離子型藥劑(油酸鈉)改性后再利用非離子性改性藥劑(PEG-4000)進行二次包覆改性后的物理化學性質。研究表明,改性前當磁鐵礦粉水量為0.5%時流化床已經不能流化,達到了臨界水分;改性后磁鐵礦粉臨界水分可增至0.8%,改善了磁鐵礦粉的流化特性,有效地拓寬了入選原煤水分含量。

干法選煤 磁鐵礦粉 二次包覆 表面改性 流化床 水分

煤炭在開采、運輸過程中不可避免地會附著一定的外在水分,煤炭外在水分一般按表面分布,煤炭粒度愈細、比表面積愈大,水分愈高。當外在水分較高的煤進入流化床后,一方面,由于磁鐵礦粉的親水性,細粒的磁鐵礦粉很容易與煤炭黏附在一起,對分選效果產生影響,出現產品污染,并導致介質損耗增加;另一方面,磁鐵礦粉和煤炭相接觸后,煤表面的外在水分亦容易傳遞給磁鐵礦粉,使磁鐵礦粉的水分增加,對流化質量產生影響,使得分選環境惡化;再者,由于加重質(如磁鐵礦粉)和氣固流化床對水分的敏感性,使得對入選原煤的外在水分有一定要求,一定程度上制約了干法氣固流化床分選技術的適應性。為有效解決以上問題,對磁鐵礦粉表面進行改性,使磁鐵礦粉由親水性變為疏水性、粒徑范圍變大、表面潤滑性能增加。由于單層離子性藥劑改性磁鐵礦粉容易分解,因此本文在離子性藥劑改性后磁鐵礦粉的表面用非離子性改性藥劑進行二次包覆,提高其疏水性和分解性。以油酸鈉、硬脂酸和聚乙二醇 -4000(PEG-4000)為改性劑,對磁鐵礦粉表面進行改性。研究了水分對改性前后磁鐵礦粉流化性能的影響。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗裝置

流化床主要分為氣室、布風板、流化床體3部分。自制流化床的直徑為100mm,由有機玻璃管制作而成,結構如圖1所示。氣室中的進氣管上設頂帽,有利于氣體均勻地通過布風板,從而在流化床體中實現布風均勻,形成均勻穩定的流化床層。布風板的開孔率為22.5%。從布風板上方30mm處開始,在流化床體側壁每隔30mm設一個測壓點。本試驗用U型管壓差計來測量流化床床層的密度,用玻璃轉子流量計來測量流化床的進風量。

1.2 實驗方法

實驗開始首先在溫度80℃、油酸鈉2%、礦漿濃度20%、改性時間為30min條件下進行一次改性后,然后再在溫度40℃、2%聚乙二醇-4000、礦漿濃度20%、改性時間30min的條件下進行二次表面改性,得到二次改性后的磁鐵礦粉。

圖1 流化床模型分選機

將改性前含水量為0.1%～0.5%的和改性后含水量為0.1%～0.8%的加重質分別加入流化床中,打開鼓風機將空氣壓入風包,打開風閥,空氣經過轉子流量計進入氣室,經過布風板進入流化床體。通過調節風閥控制進入流化床的進風量。增大氣速,直到流化床層內的加重質劇烈運動,有大泡出現,記錄此時的床層高度、風壓和壓差。然后逐漸減小進風量,測量不同風速時的床層高度、床層壓差,直至氣速減小為零,流化床層完全變成固定床,記錄此時的床高。對實驗數據進行處理并繪制床層壓降與氣速的關系圖,從而判斷空氣重介質流化床的流化性能,并計算出初始流化速度。

2 實驗結果分析

2.1 改性前后磁鐵礦粉物理化學性質

選用磁鐵礦粉作為空氣重介質流化床的加重質。磁鐵礦粉的主要化學成分為 Fe3O4。Fe3O4晶體呈八面體和菱形十二面體、集合體,呈粒狀或塊狀。顏色為黑鐵色,有黑色條痕,有金屬光澤或半金屬光澤,摩氏硬度為5.5～6度,比重為4.8～5.3 g/cm3,具有強磁性。

2.1.1 磁鐵礦粉的產率分析

實驗對所選用的重介質在改性前后其不同粒級組成的產率進行了分析,結果見表1。

表1 改性前后磁鐵礦粉各粒級的產率

由表1看出,改性后磁鐵礦粉各粒級的產率與改性前磁鐵礦粉各粒級產率相比并未產生明顯改變。這是因為改性劑在磁鐵礦粉表面的吸附為化學吸附,而化學吸附通常為單分子層吸附,宏觀上不會改變磁鐵礦粉的粒徑。

2.1.2 磁鐵礦粉的磁性能分析

表2 改性前后磁鐵礦粉的磁性能

改性前后磁鐵礦粉的磁性能見表2,由表2可以看出,改性前后磁鐵礦粉的磁性能變化不大。改性前的磁飽和強度為80.518 emu/g,改性后稍有降低,主要是由于改性劑是非磁性物質。又由于表面吸附成鍵引起表面Fe離子環境晶體電場變化,形貌發生改變,增強了表面 Fe離子的各向異性,所以使矯頑力和剩磁略增加。

2.1.3 改性前后磁鐵礦粉形貌分析

利用電子顯微鏡對改性前后磁鐵礦粉進行掃描可以得出,改性前磁鐵礦粉表面凹凸不平;改性后磁鐵礦粉表面有明顯的白色包覆層。包覆層平滑了磁鐵礦粉表面,使得在流化過程中,改性后的磁鐵礦粉間摩擦力小于改性前,床層黏度變小,活性增大,提高了流化床的分選性能。

2.2 磁鐵礦粉含水量對流化床流化性能的影響

2.2.1 改性前磁鐵礦粉含水量對流化床流化性能的影響

改性前不同含水量條件下的流化特性曲線和起始流化氣速值見圖2和表3。由圖2和表3分析可知改性前磁鐵礦粉起始流化速度隨著含水量的增加而變大。隨著磁鐵礦粉中含水量的增加,氣流透過床層的阻力增加,床層壓降波動愈趨于劇烈,導致床面越不穩定,床層密度越不均勻,流化效果越差。同時,床層中的氣泡變大,出現不同程度的“死區”或騰涌噴射現象。磁鐵礦粉中含水量為0.1%和0.2%時,流化效果基本不受影響,起始流化氣速僅為3.05 cm/s左右,床層壓差無顯著的波動,床層密度呈現較好的穩定性;當磁鐵礦粉中含水量增大為0.3%和0.4%時,流化效果明顯變差,起始流化氣速有增大趨勢,床層中同時出現一定程度的壓力波動,床層穩定性變差;而當磁鐵礦粉中含水量為0.5%時,床層起始流化氣速進一步增大,床層由固定床向流化床轉換變得困難,床層幾乎不能流化,磁鐵礦粉含水量達到了臨界水分。

圖2 改性前不同含水量流化特性曲線

2.2.2 改性后磁鐵礦粉含水量對流化床流化性能的影響

改性后不同含水量條件下的流化特性曲線和起始流化氣速值見圖3和表4。由圖3和表4分析可知,磁鐵礦粉改性后隨著含水量的增大,起始流化氣速和氣體通過床層的阻力也相應地增大。當加重質(不含煤粉)含水量小于0.6%時,流化床的流化效果基本不受影響,床層壓力無顯著波動,床層密度均勻穩定;當含水量為0.6%時,流化床的起始流化氣速開始增大,床層壓降稍有波動,床層密度略顯不穩定;當含水量為0.7%時,起始流化氣速有明顯增大,床層壓力波動劇烈,床層密度變化增大,流化質量明顯變差;當含水量為0.8%時,流化床幾乎不能流化,磁鐵礦粉含水量達到臨界水分。

表3 改性前磁鐵礦粉含水量與起始流化氣速關系

圖3 二次改性后不同含水量下流化特性曲線

表4 改性后磁鐵礦粉含水量與起始流化氣速關系

對改性前后磁鐵礦粉的流化特性曲線比較分析得出,改性前水分含量為0.3%和0.4%時,對流化質量有很大的影響,流化效果較差,而對改性后磁鐵礦粉幾乎無影響;改性前臨界水分為0.5%,改性后臨界水分為0.8%。下面就此分析原因。

改性前,水分在磁鐵礦粉表面的潤濕為浸濕,浸濕功為:

式中:Wi——浸濕功;

σLG——液氣的界面張力;

θ——三相平衡接觸角。對于改性前的磁鐵礦粉,θ=0,此時,Wi=σLG。

改性后,水分在磁鐵礦粉表面的潤濕為沾濕,黏附功為:

式中:Wa——黏附功,對于改性后磁鐵礦粉,θ＞900,因此,Wa＜σLG。

所以,破壞水分與改性后磁鐵礦粉之間的作用力所需的力要小于改性前的。當水分含量較低(小于6%)時,改性后的磁鐵礦粉表面的水分容易被氣流帶走,表面很快又處于干燥狀態,因此流化質量不受影響。而當水分含量較高(大于等于0.6%)時,一方面加重質(不含煤粉)顆粒發生團聚作用,致部分水分不能被氣流帶走;另一方面水分含量較高,使得水分與磁鐵礦粉表面作用力增強,短時間內氣流不能帶走全部水分,從而影響流化質量,直至不能流化。

3 結論

(1)改性后的磁鐵礦粉間摩擦力要小于改性前,使得在流化過程中床層黏度變小,活性增大,提高了流化床的分選性能。

(2)改性前磁鐵礦粉的臨界水分為0.5%,而改性后磁鐵礦粉的臨界水分為0.8%,改善了加重質磁鐵礦粉的流化特性,拓寬了原煤入選的范圍。

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(責任編輯 張毅玲)

G as-solid fluidized bed magnetite powder in the second coating modification after fluidization characteristics of research

Yu Xiaodong1,Guo Jin1,Zhao Yuemin1,Luo Zhenfu1Wang Ke1,Zhang Wenping2,Zhu Zaisheng1
(1.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.Shandong Gold Group Changyi Mining Co.,Ltd,Weifang,Shandong 261308,China)

This paper introduces the Physical-Chemical Properties of magnetite powder modified by the non-ionic agent(PEG-4000)after the modification of the magnetite powder using sodium-oleate.The research shows that the air-dense medium fluidized beds can’t be fluidized when the moisture content of the magnetite powder reaches to 0.5%before the modification.So the critical water content is 0.5%.However,after the modification the critical moisture increases to 0.8%and the fluidization Characteristics is improved.Also the requirement to the moisture content of separated raw coal is relaxed.

dry coal cleaning,magnetite powder,second coated,surface modification,fluidized bed gasification,moisture

TD942.4

A

國家自然科學基金委員會創新研究群體科學基金(50921002);中國礦業大學中央高校基本科研業務費專項資金項目(No.2010ZDP01A06)。

于曉東(1982-),男,內蒙古赤峰人,中國礦業大學礦物加工專業在讀碩士,主要從事干法選煤方面研究。