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(jìn)趙躍民駱振福王 可張文平朱再勝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.山東黃金集團(tuán)昌邑礦業(yè)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(jìn)1趙躍民1駱振福1王 可1張文平2朱再勝1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.山東黃金集團(tuán)昌邑礦業(yè)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(jìn)行二次包覆改性后的物理化學(xué)性質(zhì)。研究表明,改性前當(dāng)磁鐵礦粉水量為0.5%時(shí)流化床已經(jīng)不能流化,達(dá)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(yùn)輸過程中不可避免地會(huì)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(xì)、比表面積愈大,水分愈高。當(dāng)外在水分較高的煤進(jìn)入流化床后,一方面,由于磁鐵礦粉的親水性,細(xì)粒的磁鐵礦粉很容易與煤炭黏附在一起,對(duì)分選效果產(chǎn)生影響,出現(xiàn)產(chǎn)品污染,并導(dǎo)致介質(zhì)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(duì)流化質(zhì)量產(chǎn)生影響,使得分選環(huán)境惡化;再者,由于加重質(zhì)(如磁鐵礦粉)和氣固流化床對(duì)水分的敏感性,使得對(duì)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(shù)的適應(yīng)性。為有效解決以上問題,對(duì)磁鐵礦粉表面進(jìn)行改性,使磁鐵礦粉由親水性變?yōu)槭杷浴⒘椒秶兇蟆⒈砻鏉?rùn)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(jìn)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(duì)磁鐵礦粉表面進(jìn)行改性。研究了水分對(duì)改性前后磁鐵礦粉流化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

流化床主要分為氣室、布風(fēng)板、流化床體3部分。自制流化床的直徑為100mm,由有機(jī)玻璃管制作而成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣室中的進(jìn)氣管上設(shè)頂帽,有利于氣體均勻地通過布風(fēng)板,從而在流化床體中實(shí)現(xiàn)布風(fēng)均勻,形成均勻穩(wěn)定的流化床層。布風(fēng)板的開孔率為22.5%。從布風(fēng)板上方30mm處開始,在流化床體側(cè)壁每隔30mm設(shè)一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。本試驗(yàn)用U型管壓差計(jì)來測(cè)量流化床床層的密度,用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測(cè)量流化床的進(jìn)風(fēng)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始首先在溫度80℃、油酸鈉2%、礦漿濃度20%、改性時(shí)間為30min條件下進(jìn)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(shí)間30min的條件下進(jìn)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(jī)

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(zhì)分別加入流化床中,打開鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入風(fēng)包,打開風(fēng)閥,空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入氣室,經(jīng)過布風(fēng)板進(jìn)入流化床體。通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥控制進(jìn)入流化床的進(jìn)風(fēng)量。增大氣速,直到流化床層內(nèi)的加重質(zhì)劇烈運(yùn)動(dòng),有大泡出現(xiàn),記錄此時(shí)的床層高度、風(fēng)壓和壓差。然后逐漸減小進(jìn)風(fēng)量,測(cè)量不同風(fēng)速時(shí)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(shí)的床高。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制床層壓降與氣速的關(guān)系圖,從而判斷空氣重介質(zhì)流化床的流化性能,并計(jì)算出初始流化速度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改性前后磁鐵礦粉物理化學(xué)性質(zhì)

選用磁鐵礦粉作為空氣重介質(zhì)流化床的加重質(zhì)。磁鐵礦粉的主要化學(xué)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(qiáng)磁性。

2.1.1 磁鐵礦粉的產(chǎn)率分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)所選用的重介質(zhì)在改性前后其不同粒級(jí)組成的產(chǎn)率進(jìn)行了分析,結(jié)果見表1。

表1 改性前后磁鐵礦粉各粒級(jí)的產(chǎn)率

由表1看出,改性后磁鐵礦粉各粒級(jí)的產(chǎn)率與改性前磁鐵礦粉各粒級(jí)產(chǎn)率相比并未產(chǎn)生明顯改變。這是因?yàn)楦男詣┰诖盆F礦粉表面的吸附為化學(xué)吸附,而化學(xué)吸附通常為單分子層吸附,宏觀上不會(huì)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(qiáng)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(zhì)。又由于表面吸附成鍵引起表面Fe離子環(huán)境晶體電場(chǎng)變化,形貌發(fā)生改變,增強(qiáng)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(duì)改性前后磁鐵礦粉進(jìn)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(duì)流化床流化性能的影響

2.2.1 改性前磁鐵礦粉含水量對(duì)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(dòng)愈趨于劇烈,導(dǎo)致床面越不穩(wěn)定,床層密度越不均勻,流化效果越差。同時(shí),床層中的氣泡變大,出現(xiàn)不同程度的“死區(qū)”或騰涌噴射現(xiàn)象。磁鐵礦粉中含水量為0.1%和0.2%時(shí),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(wú)顯著的波動(dòng),床層密度呈現(xiàn)較好的穩(wěn)定性;當(dāng)磁鐵礦粉中含水量增大為0.3%和0.4%時(shí),流化效果明顯變差,起始流化氣速有增大趨勢(shì),床層中同時(shí)出現(xiàn)一定程度的壓力波動(dòng),床層穩(wěn)定性變差;而當(dāng)磁鐵礦粉中含水量為0.5%時(shí),床層起始流化氣速進(jìn)一步增大,床層由固定床向流化床轉(zhuǎn)換變得困難,床層幾乎不能流化,磁鐵礦粉含水量達(dá)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(duì)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(yīng)地增大。當(dāng)加重質(zhì)(不含煤粉)含水量小于0.6%時(shí),流化床的流化效果基本不受影響,床層壓力無(wú)顯著波動(dòng),床層密度均勻穩(wěn)定;當(dāng)含水量為0.6%時(shí),流化床的起始流化氣速開始增大,床層壓降稍有波動(dòng),床層密度略顯不穩(wěn)定;當(dāng)含水量為0.7%時(shí),起始流化氣速有明顯增大,床層壓力波動(dòng)劇烈,床層密度變化增大,流化質(zhì)量明顯變差;當(dāng)含水量為0.8%時(shí),流化床幾乎不能流化,磁鐵礦粉含水量達(dá)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(guān)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(guān)系

對(duì)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(shí),對(duì)流化質(zhì)量有很大的影響,流化效果較差,而對(duì)改性后磁鐵礦粉幾乎無(wú)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(rùn)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(duì)于改性前的磁鐵礦粉,θ=0,此時(shí),Wi=σLG。

改性后,水分在磁鐵礦粉表面的潤(rùn)濕為沾濕,黏附功為:

式中:Wa——黏附功,對(duì)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(dāng)水分含量較低(小于6%)時(shí),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(tài),因此流化質(zhì)量不受影響。而當(dāng)水分含量較高(大于等于0.6%)時(shí),一方面加重質(zhì)(不含煤粉)顆粒發(fā)生團(tuán)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(qiáng),短時(shí)間內(nèi)氣流不能帶走全部水分,從而影響流化質(zhì)量,直至不能流化。

3 結(jié)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(zhì)磁鐵礦粉的流化特性,拓寬了原煤入選的范圍。

[1]熊建軍.空氣重介流化床干法選煤技術(shù)[J],江蘇煤炭,1994(2)

[2]梁春成,陳清如.空氣重介流化床干法選煤設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].礦山機(jī)械,2001(7)

[3]吳立新.空氣重介流化床干法選煤深床層的研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,1992

[4]章新喜,楊毅.空氣重介干法選煤系統(tǒng)非磁性介質(zhì)的回收凈化[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1998(1)

[5]陶秀祥,陳清如,駱振福.煤炭外水分布規(guī)律及其對(duì)流化床分選的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(4)

[6]吳良士,白鴿,袁忠信.礦物與巖石[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005

[7]曾凡,胡永平,楊毅.礦物加工顆粒學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2001

(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(50921002);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(No.2010ZDP01A06)。

于曉東(1982-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦物加工專業(yè)在讀碩士,主要從事干法選煤方面研究。