本文關(guān)鍵詞：基于界面特性調(diào)控的褐煤水熱脫水提質(zhì)制漿的試驗(yàn)研究

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【摘要】：我國(guó)褐煤資源儲(chǔ)量豐富,但由于成煤時(shí)間短、變質(zhì)程度低,具有水分高、孔隙發(fā)達(dá)、含氧官能團(tuán)豐富等特點(diǎn),使得褐煤的廣泛應(yīng)用受到限制。將褐煤制備成水煤漿進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化是褐煤的重要發(fā)展方向之一,為降低褐煤的內(nèi)水含量、改善褐煤界面性質(zhì)、提高成漿濃度,在制漿之前需要對(duì)褐煤進(jìn)行脫水提質(zhì)。水熱脫水提質(zhì)是一種高效的“非蒸發(fā)”脫水技術(shù),能夠有效的降低褐煤的內(nèi)在水分,脫除羧基等表面含氧官能團(tuán),使褐煤復(fù)吸水分的能力降低,熱值增加,有利于制備高濃度的褐煤水煤漿,但能耗相對(duì)較高。目前對(duì)褐煤水熱脫水提質(zhì)的研究主要集中在300℃左右的高溫高壓水熱脫水提質(zhì),具有能耗高、余熱利用困難等特點(diǎn),對(duì)低于200℃的低溫低壓范圍內(nèi)褐煤水熱脫水提質(zhì)后界面性質(zhì)和成漿性變化的研究較少。本研究采用低溫低壓(反應(yīng)終溫為160~200℃、初始反應(yīng)釜壓力為0~2MPa)水熱脫水提質(zhì)對(duì)錫林郭勒褐煤進(jìn)行脫水改性,并將提質(zhì)褐煤制備成水煤漿,圍繞提質(zhì)前后褐煤的界面性質(zhì)及成漿特性的變化,進(jìn)行了以下工作:對(duì)錫林郭勒褐煤的煤質(zhì)特性進(jìn)行了較為詳盡的分析研究,并采用萘系分散劑KY33、木質(zhì)素系分散劑LS和腐植酸系分散劑HAS分別與褐煤進(jìn)行制備水煤漿,對(duì)褐煤水煤漿的成漿性、流變性和穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的分析研究,發(fā)現(xiàn)錫林郭勒褐煤的制漿濃度較低,定粘濃度在50%左右,漿體呈屈服假塑性流體特征,靜態(tài)穩(wěn)定性較好,7d內(nèi)無析水澄清層和硬沉淀。分散劑能夠在一定程度上改善褐煤的成漿特性,但影響較小,所以需要從煤質(zhì)特性出發(fā),通過一定的脫水提質(zhì)手段對(duì)褐煤進(jìn)行提質(zhì)后制備水煤漿,從根本上改善其成漿特性,最終選擇匹配性較好的萘系分散劑KY33作為后續(xù)制漿用分散劑。采用密閉的低壓反應(yīng)釜對(duì)錫林郭勒褐煤進(jìn)行水熱脫水提質(zhì),研究了反應(yīng)終溫、干煤/水比、初始反應(yīng)釜壓力及停留時(shí)間對(duì)褐煤水熱提質(zhì)反應(yīng)的影響,并對(duì)提質(zhì)后的固體產(chǎn)物、液體產(chǎn)物和氣體產(chǎn)物的成分及變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)終溫的升高、初始反應(yīng)釜壓力的增大和停留時(shí)間的延長(zhǎng),提質(zhì)褐煤的平衡水分、揮發(fā)分及氧元素含量明顯降低,固定碳含量增加,熱值升高,碳元素含量提高,煤階參數(shù)氧碳原子比AO/C下降,即煤階得到提高,并伴隨著一定的脫硫和脫氮效果;溶解在水中的有機(jī)物和無機(jī)礦物質(zhì)增多,TOC和TIC含量增加;在低溫低壓條件下,產(chǎn)生的氣體以CO2為主,CO、H2、CH4、N2等氣體含量較少,說明羧基的反應(yīng)活性較高,在較低的溫度和壓力條件下便可發(fā)生斷裂生成CO2,而羰基、醚基等基團(tuán)的反應(yīng)活性相對(duì)較低,需要更高的能量才能使其發(fā)生斷裂。干煤/水比對(duì)水熱脫水提質(zhì)過程影響不大。將提質(zhì)褐煤制備成水煤漿,并深入分析反應(yīng)終溫、干煤/水比、初始反應(yīng)釜壓力和停留時(shí)間對(duì)褐煤水煤漿的定粘濃度、流變性和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨反應(yīng)終溫的升高、初始反應(yīng)釜壓力的增大和停留時(shí)間的延長(zhǎng),反應(yīng)釜內(nèi)的褐煤物化反應(yīng)進(jìn)行的更劇烈,提質(zhì)褐煤水煤漿的定粘濃度逐漸增加,屈服應(yīng)力τy逐漸降低,稠度系數(shù)k值不斷增加,流動(dòng)特性指數(shù)n值逐漸降低,假塑性特征明顯增強(qiáng)。由于提質(zhì)前后褐煤水煤漿的整體穩(wěn)定性均較好,靜置觀察法難以區(qū)分穩(wěn)定性好壞,采用turbiscanlab穩(wěn)定性分析儀的多重光散射技術(shù)能夠在不破壞水煤漿樣品的條件下對(duì)漿體的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定,分析靜置過程中煤顆粒團(tuán)聚體粒徑的變化,計(jì)算動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)tsi,對(duì)于穩(wěn)定性差異不大的漿體穩(wěn)定性比較更具有優(yōu)勢(shì)。隨反應(yīng)劇烈程度的增加,提質(zhì)褐煤水煤漿的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)tsi逐漸升高,穩(wěn)定性降低,干煤/水比對(duì)提質(zhì)褐煤的成漿特性影響不大。對(duì)低溫低壓水熱脫水提質(zhì)褐煤的界面性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)影響提質(zhì)褐煤成漿特性的微觀機(jī)理主要包括:經(jīng)過低溫低壓水熱脫水提質(zhì)后,褐煤的羧基、酚羥基等表面含氧官能團(tuán)含量降低,采用紅外光譜儀測(cè)定并計(jì)算發(fā)現(xiàn)煤階指標(biāo)c=c/(c=o+c=c)明顯增大,且隨著反應(yīng)終溫的提高、初始反應(yīng)釜壓力的增大和停留時(shí)間的延長(zhǎng),該指標(biāo)逐漸增加,羧基氧的脫除程度指標(biāo)c=o/c=c則逐漸降低,表明提質(zhì)褐煤長(zhǎng)鏈烷烴不斷發(fā)生分解斷裂,芳香碳含量增加,羧酸等含氧官能團(tuán)含量降低,氧碳原子比ao/c降低,煤階升高,褐煤的接觸角增大,表面疏水性增強(qiáng),陰離子型分散劑ky33更易吸附于褐煤表面,水化膜厚度變薄,使得水煤漿體系中起潤(rùn)滑作用的自由水份額相對(duì)增加,攪拌過程中煤粒間的摩擦阻力也相應(yīng)降低,褐煤水煤漿的表觀粘度降低,從而提高了定粘濃度,水煤漿的流變性也得到改善;含氧官能團(tuán)的脫除,使得褐煤表面zeta電位降低,煤顆粒間的吸引力逐漸增強(qiáng),處于分散狀態(tài)的煤粉顆粒易相互聚集而發(fā)生沉降,從而使提質(zhì)褐煤水煤漿漿體的穩(wěn)定性逐漸降低,采用xrd分析水熱脫水提質(zhì)前后褐煤礦物組成的變化,發(fā)現(xiàn)水熱脫水提質(zhì)后褐煤礦物組成中密度較大的石英和白云母的相對(duì)含量增加,在水煤漿中易于下沉,破壞漿體的穩(wěn)定性,石膏和高嶺石的相對(duì)含量減少,改善漿體穩(wěn)定性的作用降低,因此水熱脫水提質(zhì)對(duì)水煤漿漿體的穩(wěn)定性具有不利影響。采用afm原子力顯微鏡測(cè)定褐煤提質(zhì)前后表面水化膜厚度的變化,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低溫低壓水熱脫水提質(zhì)后褐煤表面水化膜厚度變薄,水煤漿的定粘濃度與表面水化膜厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即水化膜厚度越薄,水煤漿定粘濃度越高,主要是因?yàn)樵跐舛纫欢〞r(shí),水化膜越薄,所需要的自由水就越少,漿體在剪切過程中起流動(dòng)作用的自由水份額相對(duì)增加,摩擦阻力降低,使得水煤漿的粘度降低,定粘濃度增加,改善了漿體的流變特性。而水化膜厚度越薄,由表面水化膜對(duì)顆粒相互靠近產(chǎn)生的機(jī)械阻力和彈性阻力越小,空間位阻效應(yīng)降低,顆粒間易相互聚集而發(fā)生聚結(jié),因此隨水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)劇烈程度的增加,漿體的穩(wěn)定性逐漸降低。通過對(duì)影響褐煤水熱脫水提質(zhì)的四個(gè)因素——反應(yīng)終溫、初始反應(yīng)釜壓力、停留時(shí)間及干煤/水比進(jìn)行正交試驗(yàn),以表征褐煤界面性質(zhì)的總酸基含量、接觸角大小及表征褐煤成漿特性的定粘濃度、流動(dòng)特性指數(shù)n值作為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行了4因素3水平4評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn),對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)終溫與初始反應(yīng)釜壓力間存在交互作用,反應(yīng)終溫和初始反應(yīng)釜壓力對(duì)四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響高度顯著,停留時(shí)間次之,干煤/水比無顯著影響。綜合各因素的影響顯著性,最終確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的最優(yōu)水平組合方案為200℃水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)終溫、2MPa初始反應(yīng)釜壓力、120min停留時(shí)間和1:1干煤/水比,提質(zhì)褐煤表面總酸基含量為2.645mol/kg、接觸角為47.6°、制備的水煤漿定粘濃度可達(dá)55.53%,流動(dòng)特性指數(shù)n值為0.602,具有良好的假塑性流變特征,并對(duì)該水煤漿的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,穩(wěn)定性良好。
【關(guān)鍵詞】：褐煤 界面特性 水熱提質(zhì) 水煤漿
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD849.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 緒論15-27
• 1.1 研究背景15-17
• 1.1.1 我國(guó)能源利用現(xiàn)狀分析15
• 1.1.2 褐煤提質(zhì)的必要性15-17
• 1.2 褐煤脫水提質(zhì)技術(shù)17-22
• 1.2.1 蒸發(fā)脫水技術(shù)17-20
• 1.2.2 非蒸發(fā)脫水技術(shù)20-22
• 1.3 水煤漿技術(shù)簡(jiǎn)述22-23
• 1.4 褐煤提質(zhì)及制備水煤漿的研究現(xiàn)狀23-25
• 1.5 研究?jī)?nèi)容及意義25-26
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容25-26
• 1.5.2 研究意義26
• 1.6 本章小結(jié)26-27
• 2 褐煤的成漿特性27-53
• 2.1 褐煤的特性分析27-38
• 2.1.1 煤樣的制備27
• 2.1.2 褐煤煤樣的特性分析27-38
• 2.2 褐煤水煤漿的成漿特性38-50
• 2.2.1 褐煤水煤漿的制備及測(cè)試38-41
• 2.2.2 褐煤煤樣的成漿性分析41-43
• 2.2.3 褐煤水煤漿的流變性分析43-46
• 2.2.4 褐煤水煤漿的穩(wěn)定性分析46-50
• 2.3 本章小結(jié)50-53
• 3 褐煤水熱脫水提質(zhì)的試驗(yàn)研究53-71
• 3.1 水熱脫水試驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)及測(cè)試方法53-57
• 3.1.1 水熱脫水試驗(yàn)的反應(yīng)系統(tǒng)53-54
• 3.1.2 水熱脫水產(chǎn)物成分的測(cè)試與分析54-57
• 3.2 褐煤水熱脫水提質(zhì)后固體產(chǎn)物的分析研究57-60
• 3.2.1 反應(yīng)終溫對(duì)固體產(chǎn)物成分的影響57-58
• 3.2.2 干煤/水比對(duì)固體產(chǎn)物成分的影響58-59
• 3.2.3 初始反應(yīng)釜壓力對(duì)固體產(chǎn)物成分的影響59-60
• 3.2.4 停留時(shí)間對(duì)固體產(chǎn)物成分的影響60
• 3.3 褐煤水熱脫水提質(zhì)后液體產(chǎn)物的分析研究60-65
• 3.3.1 反應(yīng)終溫對(duì)液體產(chǎn)物成分的影響61-62
• 3.3.2 干煤/水比對(duì)液體產(chǎn)物成分的影響62-63
• 3.3.3 初始反應(yīng)釜壓力對(duì)液體產(chǎn)物成分的影響63-64
• 3.3.4 停留時(shí)間對(duì)液體產(chǎn)物成分的影響64-65
• 3.4 褐煤水熱脫水提質(zhì)后氣體產(chǎn)物的分析研究65-69
• 3.4.1 反應(yīng)終溫對(duì)氣體產(chǎn)物成分的影響65-67
• 3.4.2 干煤/水比對(duì)氣體產(chǎn)物成分的影響67
• 3.4.3 初始反應(yīng)釜壓力對(duì)氣體產(chǎn)物成分的影響67-68
• 3.4.4 停留時(shí)間對(duì)氣體產(chǎn)物成分的影響68-69
• 3.5 本章小結(jié)69-71
• 4 水熱脫水提質(zhì)褐煤的成漿特性及規(guī)律分析71-91
• 4.1 水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)條件對(duì)漿體定粘濃度的影響71-74
• 4.1.1 水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)終溫的影響71-72
• 4.1.2 水熱脫水提質(zhì)干煤/水比的影響72-73
• 4.1.3 水熱脫水提質(zhì)初始反應(yīng)釜壓力的影響73
• 4.1.4 水熱脫水提質(zhì)停留時(shí)間的影響73-74
• 4.2 水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)條件對(duì)漿體流變特性的影響74-78
• 4.2.1 水熱脫水提質(zhì)褐煤水煤漿的流動(dòng)特性變化74-75
• 4.2.2 褐煤水煤漿的流變方程及流變特性參數(shù)75-78
• 4.3 水熱脫水提質(zhì)反應(yīng)條件對(duì)漿體穩(wěn)定性的影響78-88
• 4.3.1 反應(yīng)終溫對(duì)褐煤水煤漿穩(wěn)定性的影響78-82
• 4.3.2 干煤/水比對(duì)褐煤水煤漿穩(wěn)定性的影響82-84
• 4.3.3 初始反應(yīng)釜壓力對(duì)褐煤水煤漿穩(wěn)定性的影響84-86
• 4.3.4 停留時(shí)間對(duì)褐煤水煤漿穩(wěn)定性的影響86-88
• 4.4 本章小結(jié)88-91
• 5 褐煤水熱脫水提質(zhì)促進(jìn)成漿特性的微觀機(jī)理91-123
• 5.1 表面形貌的變化91-92
• 5.2 孔隙結(jié)構(gòu)的變化92-94
• 5.3 含氧官能團(tuán)的變化94-101
• 5.3.1 含氧官能團(tuán)的化學(xué)滴定分析94-97
• 5.3.2 含氧官能團(tuán)的紅外光譜分析97-101
• 5.4 表面潤(rùn)濕性的變化101-104
• 5.5 Zeta電位的變化104-106
• 5.6 礦物組成的變化106-107
• 5.7 煤粒間相互作用的界面調(diào)控行為107-121
• 5.7.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法109-114
• 5.7.2 褐煤原煤表面水化膜的厚度114-115
• 5.7.3 反應(yīng)終溫對(duì)褐煤表面水化膜的影響115-116
• 5.7.4 干煤/水比對(duì)褐煤表面水化膜的影響116-117
• 5.7.5 初始反應(yīng)釜壓力對(duì)褐煤表面水化膜的影響117-119
• 5.7.6 停留時(shí)間對(duì)褐煤表面水化膜的影響119-120
• 5.7.7 水化膜厚度與褐煤水煤漿成漿特性的關(guān)系120-121
• 5.8 本章小結(jié)121-123
• 6 褐煤水熱脫水提質(zhì)制漿的正交試驗(yàn)研究123-135
• 6.1 正交試驗(yàn)因素和水平的選擇123
• 6.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果123-125
• 6.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析125-130
• 6.3.1 含氧官能團(tuán)的總酸基分析126-127
• 6.3.2 接觸角分析127-128
• 6.3.3 定粘濃度分析128-129
• 6.3.4 流動(dòng)特性指數(shù)分析129-130
• 6.4 正交試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證130-133
• 6.5 本章小結(jié)133-135
• 7 結(jié)論與展望135-139
• 7.1 主要結(jié)論135-137
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)137-138
• 7.3 工作展望138-139
• 參考文獻(xiàn)139-149
• 致謝149-151
• 作者簡(jiǎn)介151
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文151
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目151-152
• 主要獲獎(jiǎng)152

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：711246