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    微粉煤表面改性強(qiáng)化旋轉(zhuǎn)摩擦電選脫硫降灰試驗(yàn)研究*

    2015-10-28 06:29:38陶有俊羨宇帥張學(xué)彬丁晴晴
    中國煤炭 2015年12期
    關(guān)鍵詞:粉煤精煤改性劑

    宋 傲 陶有俊 羨宇帥 張學(xué)彬 丁晴晴

    (中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

    ★ 煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化——同煤集團(tuán)化工廠協(xié)辦 ★

    微粉煤表面改性強(qiáng)化旋轉(zhuǎn)摩擦電選脫硫降灰試驗(yàn)研究*

    宋 傲 陶有俊 羨宇帥 張學(xué)彬 丁晴晴

    (中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

    為了提高微粉煤摩擦電選脫硫降灰的效果,采用表面改性的方法對微粉煤進(jìn)行預(yù)處理,并使用旋轉(zhuǎn)摩擦電選機(jī)對其分選。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時(shí)間為5 s時(shí),微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選效果最佳,可燃體回收率、脫灰率以及脫硫率分別為44.16%、80.96%和73.36%,表面改性后精煤產(chǎn)率提高了約5%、精煤灰分降低了約3%、精煤硫分降低了約0.4%。分析對比改性前后電選效果認(rèn)為,表面改性能顯著強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選的脫硫降灰效果。

    微粉煤 表面改性 強(qiáng)化荷電 旋轉(zhuǎn)摩擦電選 脫硫降灰

    目前我國粉煤灰排量已經(jīng)突破1億t/a,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家,可以作為一種能源,目前其清潔利用受到重視。煤炭資源利用時(shí),對于含硫量高的資源要進(jìn)行分選,以此來降低其硫份,煤炭的脫硫方式主要有燃前脫硫和燃后脫硫2種。燃前脫硫與燃后脫硫相比較而言具有能耗小和效果顯著等優(yōu)勢,被認(rèn)為是一種比較經(jīng)濟(jì)的脫硫方式,主要包括重力分選法、浮選法、干法摩擦電選和微波脫硫等技術(shù)。其中摩擦電選技術(shù)因可與火電廠制粉系統(tǒng)相結(jié)合,省略了磨礦和煤泥水處理及干燥環(huán)節(jié),并且就脫碳效果而言,摩擦電選技術(shù)與粒度分級、流態(tài)化分選脫碳方案相比,其分選效率高,可以獲得高純度的碳顆粒,與浮選法和流化床燃燒法相比,不存在浮選尾煤再烘干和燃燒脫除粉煤灰碳成分對原灰的含碳量以及建廠地址有嚴(yán)格限制的問題,節(jié)約了能耗,降低了成本,減少了環(huán)境污染,為爐前實(shí)現(xiàn)深度脫硫降灰提供了一條理想的途徑,在眾多分選工藝中脫穎而出。

    通過研究發(fā)現(xiàn),利用化學(xué)藥劑對粉體顆粒進(jìn)行表面改性可以有針對性的改變粉體顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì),并能夠改善摩擦電選的效果。粉體表面改性的方法主要包括化學(xué)包覆、沉淀反應(yīng)、機(jī)械力化學(xué)改性、物理涂覆、粉體顆粒表面改性以及高能表面改性,通過表面改性可以對電廠制粉系統(tǒng)中的微粉煤進(jìn)行分選以實(shí)現(xiàn)粉煤的燃前降灰脫硫。

    通過表面改性的方法可以使煤與其伴生礦物的表面能發(fā)生改變進(jìn)而影響其表面電荷,以此來使煤與其伴生礦物的表面電性差異擴(kuò)大,導(dǎo)致其在摩擦電選機(jī)中的運(yùn)動(dòng)差異增大,進(jìn)而改善分選效果達(dá)到降灰脫硫的目的。

    1 試驗(yàn)情況

    本試驗(yàn)煤樣采自山東新汶礦業(yè)集團(tuán)公司汶南煤礦高硫煤,煤樣經(jīng)粉碎細(xì)磨至-0.074 mm后混勻。試驗(yàn)選用的電選機(jī)為旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機(jī)(RTS),主要由給料系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)摩擦充電系統(tǒng)、分選系統(tǒng)和物料收集系統(tǒng)這4部分組成。微粉煤改性方法采用相對簡單且易于操作的表面化學(xué)改性和機(jī)械力改性相結(jié)合的干法改性,具體方法是將被改性物料與改性劑置于高速萬能粉碎機(jī)中在一定時(shí)間內(nèi)混勻。

    試驗(yàn)首先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦電選機(jī)操作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),最終得出當(dāng)分選電壓為40 k V、旋轉(zhuǎn)速度為5000 r/min、氣流速度為1.5 m/s時(shí),可燃體回收率為38.09%、脫灰率為83.28%、脫硫率為73.43%,可信度最高。

    2 試驗(yàn)原理

    微粉煤的摩擦帶電方式通常有兩種,一種是不同顆粒之間相互的碰撞摩擦使之帶異種電荷,另一種方式是顆粒與某種材料碰撞摩擦使其帶電,這種碰撞摩擦帶電的根本原因是由于電子的轉(zhuǎn)移,介電常數(shù)大的顆粒因其具有較高位能,容易極化失去電子,從而帶正電;反之介電常數(shù)小位能低的顆粒,難于極化而得電子帶負(fù)電。利用不同的化學(xué)藥劑對微粉煤進(jìn)行表面改性以此來影響微粉煤中礦物成分及各密度級微粉煤的介電常數(shù)和荷質(zhì)比,進(jìn)而影響不同成分及各密度級微粉煤在電場中的運(yùn)動(dòng)特性。通過表面改性處理后的微粉煤進(jìn)入旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機(jī)(RTS)中,因其帶電性及電量的不同從而得到分選。

    2.1單因素試驗(yàn)研究

    表面改性效果的影響因素有很多,在此選擇表面改性劑種類、改性劑用量和改性時(shí)間這3個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn),表面改性劑選用煤油、柴油、乙酸、硬質(zhì)酸鈉和硅酸鈉,藥劑用量選取1000 g/t、3000 g/t、5000 g/t、7000 g/t和9000 g/t,改性時(shí)間選取10 s、20 s、30 s、40 s和50 s。

    2.1.1改性劑種類的影響

    試驗(yàn)前選取試驗(yàn)條件為改性劑用量為5000 g/t,改性時(shí)間為30 s,測試不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后介電常數(shù)的影響如圖1所示。

    圖1 不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后介電常數(shù)的影響

    由圖1可以看出,改性后黃鐵礦的介電常數(shù)明顯降低,5種改性劑中只有煤油和柴油在降低黃鐵礦介電常數(shù)的同時(shí)也降低了高嶺土和石英的介電常數(shù)。

    通過研究發(fā)現(xiàn),顆粒在電場中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅受其自身介電常數(shù)的影響,顆粒本身的荷質(zhì)比也影響著其在電場中的受力狀況,進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此在試驗(yàn)過程中不僅測試表面改性劑對其介電常數(shù)的影響,同時(shí)也測試在相同條件下,不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后荷質(zhì)比的影響如圖2所示。

    由圖2可以看出,在利用煤油和柴油改性之后的凈煤與黃鐵礦、高嶺土以及石英的荷質(zhì)比的差異是增大的,尤其以煤油突出,這種變化有利于分選的進(jìn)行。

    圖2 不同改性劑對微粉煤中主要礦物成分改性前后荷質(zhì)比的影響

    為了評價(jià)改性前后試驗(yàn)效果的差異優(yōu)劣,試驗(yàn)得出了相同條件下不同改性劑對可燃體回收率、脫灰率和脫硫率的影響如圖3所示。

    圖3 不同改性劑對可燃體回收率、脫灰率、脫硫率的影響

    由圖3可以看出,未改性時(shí)可燃體回收率為39.75%,柴油和煤油做改性劑時(shí)可燃體回收率有一定升高,主要是因?yàn)椴裼秃兔河驮谑垢鞒煞种g介電常數(shù)差異增大的同時(shí)也增大了它們之間荷質(zhì)比的差異,乙酸、硬質(zhì)酸鈉和硅酸鈉做改性劑時(shí)的可燃體回收率明顯降低,主要是因?yàn)槠浔砻娓男灾蠼殡姵?shù)的差異較未改性和煤油及柴油改性劑而言有所減小;經(jīng)過表面改性處理后,脫灰率均比未改性時(shí)低,在5種改性劑中使用煤油作為改性劑時(shí),脫灰率最高為80.50%;除硅酸鈉外,其余4種表面改性劑作用后都使脫硫率升高。

    通過分析不同表面改性劑對微粉煤摩擦電選脫硫降灰效果的影響可知,表面改性劑的應(yīng)用對微粉煤摩擦電選脫硫降灰效果有顯著的影響,總體而言,使用煤油和柴油作為改性劑時(shí),在提高可燃體回收率的前提下,對脫硫效果也有一定的提高,其中煤油的作用效果又略好于柴油。通過煤油改性可以看出,精煤的硫分已經(jīng)顯著低于中煤和尾煤的硫分,這在未改性時(shí)是很難出現(xiàn)的。

    2.1.2改性劑用量的影響

    從前面的試驗(yàn)結(jié)果可以得出,煤油作為改性劑效果要優(yōu)于其它改性劑,為此以煤油作為改性劑,改性時(shí)間為30 s,來研究改性劑用量對微粉煤主要成分介電常數(shù)的影響,改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分介電常數(shù)的影響如圖4所示。

    圖4 改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分介電常數(shù)的影響

    由圖4可以看出,隨著改性劑用量的增加黃鐵礦的介電常數(shù)先減少后增加,在用量為5000 g/t時(shí)達(dá)到最小值。隨著改性劑用量的增加凈煤介電常數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢,高嶺土在用量低時(shí)介電常數(shù)降低迅速,隨后呈穩(wěn)定降低趨勢,石英隨著改性劑用量的增加介電常數(shù)變化不明顯。在和圖4相同的試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)得到了改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分荷質(zhì)比的影響如圖5所示。

    由圖5可以看出,隨著改性劑用量的增加凈煤與黃鐵礦、高嶺土和石英的荷質(zhì)比的差異呈增大趨勢,這是有利于分選進(jìn)行的。

    通過研究發(fā)現(xiàn),煤中低密度級的物質(zhì)與高密度級的物質(zhì)在灰分和硫分上存在差距,粘土類礦物在高密度級中存在較多,因此如果能加大低密度級與高密度級之間的電性和電量的差異,這將加大兩種密度級在電場中的運(yùn)動(dòng)差異,從而提高分選效果,為此對各密度級的介電常數(shù)和荷質(zhì)比進(jìn)行了測試。改性劑用量對微粉煤中各密度級介電常數(shù)和荷質(zhì)比的影響分別如圖6和圖7所示。

    圖5 改性劑用量對微粉煤中主要礦物成分荷質(zhì)比影響

    圖6 改性劑用量對各密度級微粉煤改性后介電常數(shù)影響

    圖7 改性劑用量對各密度級微粉煤荷質(zhì)比影響

    由圖6和圖7可以看出,隨著改性劑用量的增加,各個(gè)密度級之間的介電常數(shù)和荷質(zhì)比差異是逐漸增大的,尤其是高密度級與低密度級之間的差異增大的尤為明顯,并且在9000 g/t時(shí)達(dá)到最大,這種差異有助于高密度級與低密度級之間在摩擦電選中的運(yùn)動(dòng)差異增大,并且由于粘土礦物和黃鐵礦一般在高密度級中存在較多,有助于脫硫降灰。當(dāng)使用煤油作為改性劑以及改性時(shí)間為30 s時(shí),不同改性劑用量下微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電分選效果數(shù)據(jù)表見表1。

    由表1可以看出,隨著改性劑用量的增大,精煤產(chǎn)率基本上呈升高趨勢,中煤產(chǎn)率呈先升高后降低趨勢,尾煤產(chǎn)率呈先降低后升高趨勢,當(dāng)改性劑用量為5000 g/t時(shí),中煤的產(chǎn)率最高為21.49%,尾煤的產(chǎn)率最低為47.94%;隨著改性劑用量的進(jìn)一步增大,精煤灰分和硫分呈降低趨勢主要是因?yàn)殡S著改性劑用量的增加低密度級與高密度的介電常數(shù)和荷質(zhì)比的差異是逐漸增大的。中煤灰分呈先降低后升高的趨勢,當(dāng)改性劑用量為5000 g/t時(shí),中煤的灰分最低為47.98%,尾煤的灰分呈先降低后升高的趨勢;隨著改性劑用量的增加,精煤硫分呈降低趨勢,中煤和尾煤的硫分總體上變化不大。

    由表1還可以看出,改性劑用量對微粉煤摩擦電選指標(biāo)的影響,隨著改性劑用量的增大,可燃體回收率逐漸升高,當(dāng)藥劑用量為9000 g/t時(shí),可燃體回收率達(dá)到最高為41.43%;當(dāng)藥劑用量從1000 g/t增長到7000 g/t時(shí),脫灰率先降低后升高,脫硫率逐漸升高;當(dāng)藥劑用量為9000 g/t時(shí),脫灰率和脫硫率均出現(xiàn)小幅下降。綜合分析后可知當(dāng)改性劑用量為9000 g/t時(shí),精煤的產(chǎn)率最大,灰分和硫分最低,此時(shí)的微粉煤電選效果最好。

    通過試驗(yàn)可知,改性劑用量在一定范圍內(nèi)的增大有利于微粉煤摩擦電選脫硫降灰。分析其原因,是由于隨著改性劑用量的增大,低密度級微粉煤與高密度級微粉煤的荷質(zhì)比差異越來越大,這更有利于摩擦電選過程中脫除含高嶺土和黃鐵礦較多的高密度微粉煤,從而增強(qiáng)了微粉煤摩擦電選的脫硫降灰效果。

    2.1.3改性時(shí)間的影響

    在改性時(shí)間一定的情況下,對改性劑用量的試驗(yàn)得出9000 g/t時(shí)效果較好,為此將改性劑用量設(shè)定為9000 g/t,針對不同改性時(shí)間對微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選機(jī)分選效果的影響進(jìn)行研究。不同改性時(shí)間下微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電分選效果數(shù)據(jù)見表2。

    表1 不同改性劑用量下微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電分選效果數(shù)據(jù)表

    表2 不同改性時(shí)間下微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電分選效果數(shù)據(jù)表

    由表2可以看出,隨著改性時(shí)間的增大,精煤產(chǎn)率呈明顯的降低趨勢,中煤產(chǎn)率先降低后升高,尾煤產(chǎn)率先升高后降低;隨著改性時(shí)間的增大,精煤灰分逐漸升高,改性時(shí)間由10 s增大到50 s時(shí),精煤的灰分升高了6.88%,中煤和尾煤的灰分基本上呈降低趨勢;隨著改性時(shí)間的增大,精煤硫分先降低后升高,中煤硫分逐漸降低,尾煤硫分逐漸升高,相對于改性劑用量對硫分的影響,改性時(shí)間對硫分的影響較小。

    總體分析,在改性時(shí)間較小時(shí),精煤的產(chǎn)率很高而灰分較低,這說明已經(jīng)達(dá)到了非常理想的降灰效果,在保證了可燃體回收率的同時(shí)降低了精煤的灰分,所以改性時(shí)間對脫灰效果的影響很明顯;而精煤的硫分隨著改性時(shí)間的變化并無太大變化,這是因?yàn)橛绊懨摿蚵实闹饕蚴蔷旱漠a(chǎn)率,精煤的產(chǎn)率越高,脫硫率越低,而在精煤硫分滿足生產(chǎn)要求的情況下,實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)選用精煤產(chǎn)率最大的生產(chǎn)條件,這時(shí)以脫硫率來評價(jià)分選效果是不合理的,在精煤硫分變化不大并能使精煤產(chǎn)率提高的試驗(yàn)條件下是有利于微粉煤分選的試驗(yàn)條件。所以綜合分析精煤的可燃體回收率、脫灰率、精煤產(chǎn)率、灰分和硫分,在改性時(shí)間為10 s左右時(shí),微粉煤摩擦電選效果是最佳的。

    由微粉煤表面改性單因素試驗(yàn)可知,當(dāng)煤油做改性劑、改性劑用量為9000 t/g以及改性時(shí)間為10 s時(shí),可燃體回收率、脫灰率和脫硫率分別為46.80%、69.27%和79.62%,精煤產(chǎn)率、灰分和硫分分別為34.74%、26.10%和3.09%。對比分析微粉煤改性前后單因素試驗(yàn)效果可知,微粉煤表面改性后可燃體回收率、脫灰率和脫硫率均有所升高,這主要是因?yàn)楸砻娓男蕴幚硖岣吡宋⒎勖耗Σ岭娺x的精煤產(chǎn)率,降低了精煤的灰分和硫分。分析其原因,主要是由于表面改性不僅能擴(kuò)大凈煤和煤中主要礦物成分的介電常數(shù)與荷質(zhì)比差異,也能顯著擴(kuò)大各密度級微粉煤介電常數(shù)與荷質(zhì)比的差異,這種差異的擴(kuò)大使煤和礦物成分在摩擦電選分選室中的運(yùn)動(dòng)軌跡差別更明顯,因此更有利于煤和礦物成分的分離,從而強(qiáng)化了微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選的脫硫降灰效果。

    2.2表面改性條件Box-Behnken試驗(yàn)

    通過單因素試驗(yàn)結(jié)果可以看出,表面改性能夠強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選的脫硫降灰效果,但考慮到因素之間可能存在交互作用,運(yùn)用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)的Box-Behnken試驗(yàn)對改性條件進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

    試驗(yàn)中表面改性劑選用柴油、煤油和乙酸,改性劑用量選取7000 g/t、9000 g/t和11000 g/t,改性時(shí)間選取5 s、10 s和15 s。表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選Box-Behnken試驗(yàn)條件見表3,根據(jù)表3設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),得出表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表4。

    表3 表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選Box-Behnken試驗(yàn)條件

    表4 表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表 %

    根據(jù)表4中的17組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用Design-Expert 6.0,對試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化,即在獲得最佳脫硫降灰指標(biāo)的情況下,各參數(shù)取值最優(yōu),表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選脫硫降灰試驗(yàn)方案優(yōu)化表見表5。

    表5 表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選脫硫降灰試驗(yàn)方案優(yōu)化表

    由表5可以看出,Design-Expert試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件對Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化后,得到8種優(yōu)化方案。方案1中當(dāng)改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時(shí)間為5 s時(shí),可信度最高,因此方案1為最優(yōu)化方案。

    3 結(jié)論

    在旋轉(zhuǎn)摩擦電選機(jī)最佳操作參數(shù)條件下,進(jìn)行表面改性強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選效果研究。當(dāng)改性劑選用煤油、改性劑用量為10169 g/t以及改性時(shí)間為5 s時(shí),微粉煤摩擦電選的可燃體回收率、脫灰率和脫硫率分別為44.16%、80.96%和73.36%。表面改性后微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選的精煤產(chǎn)率提高了約5%,精煤灰分降低了約3%,精煤硫分降低了約0.4%。

    通過對比未進(jìn)行表面改性處理和表面改性處理后微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦電選的脫硫降灰效果可知,微粉煤經(jīng)表面改性處理后,精煤產(chǎn)率提高,精煤灰分和硫分降低,表面改性可以有效強(qiáng)化微粉煤旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選的脫硫降灰效果。

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    Experimental research on surface modification of fine coal strengthening desulfurization and ash reduction through rotation friction electric separation

    Song Ao,Tao Youjun,Xian Yushuai,Zhang Xuebin,Ding Qingqing
    (School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Jiangsu,Xuzhou 221116,China)

    The authors preprocessed fine coal by using surface modification method and used rotation friction electricity separation in order to improve effects of fine coal friction electrostatic separation desulfurization and ash reduction.The test results showed that when the modifier was kerosene with 10169g/t dosage and 5s modification time,the effects of fine coal rotary friction electric separation were best;combustible recovery,deashing and desulphurization values were 44.16%、80.96%、70.36%;after surface modification,the clean coal productivity increased 5%,clean ash decreased 3%and the sulphur content of clean coal decreased 0.4%.According to comparative analyzing electrostatic separation before and after surface modification,surface modification performance can significantly enhance the desulfurization and deashing effects of fine coal with rotary friction electric separation.

    fine coal,surface modification,strengthening charging,rotary friction electric separation,desulfurization and ash reduction

    TD94

    A

    宋傲(1991-),男,安徽宿州人,在讀研究生,主要從事礦物加工理論、工藝和設(shè)備方面的研究。

    (責(zé)任編輯 王雅琴)

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274200),高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20130095110010),國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(51221462)

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