气泡对浮选精煤压滤压力及脱水性能影响机理
0 引 言
我国煤炭资源储量丰富,开采量巨大,双碳目标下,随新能源不断增加,一次能源占比不断下降,但煤炭在未来几十年依然作为主要能源,对煤炭进行高效分选、提高燃煤品质,对实现能源清洁利用具有重要意义[1-3]。
我国选煤以湿法选煤为主,细粒煤经浮选后产生大量浮选精煤,在生产及运输形势下,须对精煤产品进行脱水处理,最常用的手段就是固液分离[4-5]。过滤是细粒煤脱水最常用的工艺之一,通过施加外部压力来分离煤颗粒与水,进而达到脱水效果[6]。由于前期浮选过程中投加起泡剂、捕收剂等具有提高煤泥水表面活性作用的药剂,在浮选生产设备的操作条件下伴随搅拌等各种机械力,浮选精煤中产生大量稳定泡沫,对下一步脱水造成极大影响[7-8]。精煤产品携带的泡沫为气-液-固三相体系,泡沫表面附着精煤细颗粒和前期投加的起泡剂,形成稳定的泡沫层[9]。结构稳定、黏度大的泡沫会对后续的脱水工艺过程带来不利影响。韩兵[10]采用数值模拟评估方法研究了微重力下气泡破裂对推进剂贮箱内压力影响,结果表明气泡破裂会对周围环境产生扰动,贮箱内压力也会产生变化。黄豆豆[11]研究了气液固三相磨粒流中气泡破裂冲击动力学特性,发现气泡破裂会对周围环境产生扰动,扰动程度与气泡所处的流体有关,气泡破裂产生的冲击对壁面冲击作用巨大。已有工业实践表明,稳定泡沫的存在会一定程度上损坏高压过滤设备,如当压滤机压力升高时,煤泥水中的气泡破裂产生局部的液压冲击使系统产生振动,增加设备能耗,同时影响最终滤饼水分。因此,研究气泡对浮选精煤过滤压力稳定性及脱水性能影响十分必要[12-13]。
THOMAS等[14]研究了附着微气泡的浮选产物对矿浆管路水力的影响,结果表明,微气泡会增加常压下测得浆液的黏度,改变了浆体的流变性,从而影响精矿和尾矿浆的泵送行为和设计。CHI等[15]研究了煤泥中气泡的存在及其对过滤和脱水过程的影响,结果表明过滤形成滤饼时气泡的存在对过滤速率和脱水程度均有不利影响。WEI等[16]研究对比了无机盐对浮选精煤脱水性能的影响,结果表明无机盐的加入使浮选细粒煤时产生了高度稳定的气泡,对浮选精煤的过滤和脱水有不利影响,而用去离子水浮选细粒煤和盐水浮选粗粒煤产生中稳定和弱稳定的泡沫,对过滤脱水过程无影响。GEORGE等[17]研究发现加压过滤滤饼中空气的存在使水分流动阻力显著增加、过滤过程复杂化,不利于滤饼脱水。ZHANG等[8-9,12-13]研究了气泡的存在对煤泥固液分离的影响,结果表明:当煤泥水中有气泡时,沉降4 h后,底部只有46.7 mL固体沉淀,约233.5 mL仍以泡沫的形式漂浮在圆筒顶部,而在无泡沫的煤泥水沉降试验中,4 h后大部分煤泥颗粒沉降在圆筒底部,只有少量超细颗粒漂浮在圆筒顶部。综上,国内外学者研究证明了气泡对过滤压力有影响,然而关于气泡对压力影响的具体量化结果鲜有研究,且未能从影响机理、研究手段方面给予深度解释并揭示过滤压力与后续脱水之间的联系。因此,气泡对浮选精煤过滤压力以及脱水性能的影响机理有待进一步探究。
笔者利用实验室自主设计的新型加压脱水监测装置,研究了气泡对浮选精煤过滤压力的影响,通过拍照识别软件表征了不同充气条件下浮选精煤中的气泡数量及大小,通过黏度测试、FBRM测试和SEM表征探究了气泡对浮选精煤颗粒间相互作用的影响,在此基础上揭示气泡对浮选精煤脱水性能的影响机理。
1 煤样、药剂与仪器
1.1 试验样品
所用浮选精煤来自山西省古交市西曲选煤厂,样品经过烘干、密封后保存备用。对试验煤样根据GB/T 30732—2014《煤的工业分析方法 仪器法》进行工业分析,分析结果见表1,可知煤泥的灰分为11.23%。
表1 煤样的工业分析
Table 1 Ultimate analysis of coal samples
1.2 煤样粒度分析
测量煤样粒度所用仪器为Mastersizer 3000激光粒度分析仪。先将焦磷酸钠与样品按质量比1∶100混合,使煤样表面带电,在静电斥力下分散,然后均匀分散于去离子水中,最后放在超声波中处理10 min进行粒度测量。粒度测量结果如图1所示。
图1 样品粒度分析
Fig.1 Sample size analysis
由图1可知,试验所用浮选精煤的D50为130.850 μm,D90为447.910 μm,说明样品中细粒含量多。由于钻隙作用的存在,粒度细的颗粒在脱水过程中随滤饼压缩,堵塞滤饼孔隙,抑制滤饼水分的脱除,给浮选精煤脱水带来很大困难。
1.3 煤样XRD分析
XRD分析结果如图2所示,可知西曲浮选精煤样品中含少量高岭土,这类黏土矿物粒度细,表面带有较高负电荷,分散性较强,表面易于形成稳定水化膜,一定程度上增大精煤脱水难度。
图2 煤样XRD分析
Fig.2 XRD analysis of coal sample
1.4 试验药剂与仪器
为产生泡沫,试验中只采用起泡剂吐温-80,用量100 g/t。未进行煤泥的分选,故不使用捕收剂。
实验室自制的加压脱水装置如图3所示,该装置由压力传感器、位移传感器、滤液质量传感器及终端显示系统组成[18]。压力传感器可实时测量浮选精煤过滤时受到的压力,位移传感器可实时测量滤饼成型上压盖的位移值,滤液质量传感器可实时测量滤液质量随时间的变化。
图3 自制加压脱水装置
Fig.3 Self-made pressure dewatering device
2 试验方法
2.1 加压脱水试验
称取10 g煤样,加入100 mL去离子水,利用搅拌器于400 r/min转速下搅拌15 min,待样品完全润湿后,加入100 g/t的吐温-80药剂,搅拌2 min使药剂与煤样充分混合均匀,利用空气压缩泵向煤浆里充气,得到不同充气条件下带有气泡的浮选精煤,然后将样品倒入压滤装置,设定压力为0.6 MPa进行压滤,采集数据。
2.2 浮选精煤泡沫分析
不同气泡尺寸分布形成的滤饼结构不同,从而对浮选精煤脱水效果产生影响。用相机拍摄原浮选精煤以及不同充气量(0.1、0.2、0.3 m3/h)下带有气泡的浮选精煤图像,用ImageJ软件对泡沫图像分析处理,统计泡沫的尺寸分布,对其进行定量描述。
2.3 浮选精煤流变性测试
用旋转黏度计(型号:NDJ-9S,厂家:上海平轩科学仪器有限公司)测量不同转速(剪切速率γ)下浮选精煤的黏度ηω(γ),测量温度为25 ℃,采用0号转子。由于本试验浮选精煤固含量高,因此可近似成非牛顿流体[19]。根据式(1)计算得剪切应力τ,再通过宾汉方程(2)对浮选精煤流变曲线进行拟合。
ηω(γ)=τ/γ,
(1)
(2)
式中,τ0为极限动切应力;ηp为结构强度(塑性黏度);u为剪切速度。
比较动切力值τ0得出不同充气量浮选精煤颗粒间的相互作用力变化规律,τ0反映浮选精煤悬浮液剪切稀释的能力,即表观黏度值随剪切速率增加而减小的程度[20]。动切力τ0越大,分散颗粒随剪切速率增大定向重排作用增强,颗粒间相互作用力越强[21]。
2.4 浮选精煤颗粒体系FBRM测试
聚焦光束反射测量技术(FBRM)[22-23]是一种可原位实时监测追踪颗粒和液滴的变化情况的技术。FBRM(型号:particle track G400,厂家:METTLER TOLEDO)可在每秒内测量数千个弦长,并统计分布,从而实现颗粒体系粒度的在线原位实时监测。试验过程如下:配制质量浓度为1 g/L的煤浆,加入100 g/t的吐温-80,搅拌均匀后,将FBRM探头插入煤浆液面下,连接气泵的充气管插在探头旁边液面下,控制气泵阀门开关测得不同充气量条件下,煤浆体系中不同粒径范围的颗粒粒度分布变化趋势。本FBRM测试试验中用弦长表征煤颗粒粒径,分别测试了<10 μm、10～<100 μm、≥100 μm三个煤颗粒粒径范围在不同充气量条件下的统计数值。由于煤颗粒物质的量总量不变,故统计数值只是3个范围内计数数值的转化。
2.5 扫描电子显微镜SEM分析
带有气泡的浮选精煤经压滤装置压滤后形成滤饼,滤饼在105 ℃下烘干2 h后选取部分滤饼,对表面进行喷金处理,然后在扫描电镜(型号:JEOLJSM-IT200 SEM,厂家:日本 JEOL 有限公司)下原位检测滤饼的形貌特征,观察滤饼表面的颗粒间隙以及滤饼表面的孔隙大小、数量分布情况。
3 试验结果与讨论
3.1 加压过滤试验结果
探索浮选精煤不同充气量条件下的过滤压力变化规律、滤饼位移变化规律及滤液质量变化规律,结果如图4(a)～(c)所示。同时探索了过滤后得到的滤饼的水分规律,结果如图4(d)所示。由图4(a)可知,过滤初始阶段,浮选精煤压滤压力呈上升趋势,随充气量增加,压滤压力逐渐增大,当充气量为0.3 m3/h时,浮选精煤压滤所需压力由451.2 kg增至540.7 kg,且最终稳定时,压滤压力与充气量呈正比。由图4(b)可知,压滤位移曲线大致呈直线稳定式增长,随浮选精煤中气泡量增多,最终稳定时,气泡量多的滤饼成型上压盖位移量小,形成的滤饼厚度大,不利于水分排出。由图4(c)可知,随着气泡量增多,滤液质量曲线拐点出现逐渐提前,说明气泡可加快压滤过程,缩短表面水消失时间;由图4(d)可知,随浮选精煤中气泡量逐渐增多,最终滤饼水分逐渐升高,充气量大的相比未充气的浮选精煤滤饼水分增加了10.7个百分点。
图4 浮选精煤过滤试验结果
Fig.4 Experimental results of flotation cleaned coal filtration
3.2 煤泥泡沫尺寸分析
对不同充气量的浮选精煤表面进行拍照,在相同时间拍摄,用ImageJ软件分析结果,得到不同充气量条件下的泡沫大小分布。结果如图5所示。由图5可知,随充气量逐渐增多,浮选精煤泡沫大小分布不同。随充气量逐渐增多,大气泡破裂成为更小的气泡,小气泡所占百分比分布变大,充气量大的浮选精煤中夹带的小气泡更多,气泡总量增大。不同气泡条件的浮选精煤在压滤形成滤饼时,对后续脱水会造成很大的影响。
图5 不同充气条件的气泡分布
Fig.5 Bubble distribution diagram under different aeration conditions
3.3 浮选精煤流变性测试结果
浮选精煤悬浮液黏度可反映煤颗粒间相互作用的强弱。对不同充气量的浮选精煤用旋转黏度计进行黏度测试,所用转速为6、12、30、60 r/min,根据测量装置以及转子等设备参数,经推导计算对应的剪切速率分别为1.44、2.88、7.20、14.40 s-1。对浮选精煤悬浮液流变性进行结果测量,不同充气量的煤泥水流变曲线如图6所示。
图6 不同充气量的煤泥水流变曲线
Fig.6 Slime flow curves with different filling capacity
用宾汉(Bingham)方程对浮选精煤悬浮液流变曲线进行拟合,拟合方程见表2。
表2 煤泥水流变曲线拟合方程
Table 2 Fitting equation of rheological curve
由表2可以看出,用宾汉方程对不同充气量的浮选精煤悬浮液剪切速率-表观黏度曲线进行拟合,最终拟合的相关系数R2在0.997 5以上,说明由宾汉方程拟合的曲线与试验吻合较好,宾汉方程拟合参数见表3。
表3 宾汉方程拟合参数
Table 3 Parameters of Bingham equafion
由表3可知,随充气量增大,浮选精煤悬浮液的动切力值不断增大,由原样的0.994 7 mPa增至1.170 3 mPa,说明随充气量增大、气泡量增多,悬浮液剪切稀释能力增强,附着在气泡上分散的浮选精煤颗粒随剪切速率的增大定向重排作用增强,说明浮选精煤颗粒间的相互作用力随充气量的增加而增强。
3.4 煤泥水颗粒体系FBRM测试
通过FBRM系统,利用弦长表征颗粒粒径,试验结果如图7所示。由于气泡的存在导致体系不稳定,对颗粒粒径测定有一定影响,故采用颗粒数量在测定区间内不同粒径范围颗粒粒径的平均值衡量颗粒数量。本试验以0时刻为计时起点,在1 600 s前处于试验测试稳定期,试验条件稳定时打开充气开关,向煤泥水中充气,分别在1 600、2 000、2 400 s处改变充气量,充气量依次增大。采集的结果中选取<10、10～<100以及≥100 μm三个粒径范围内颗粒分布变化趋势来说明气泡对颗粒间相互作用力的影响。
图7 浮选精煤不同粒径范围颗粒趋势分布
Fig.7 Trend distribution of flotation cleaned coal particles in different particle size ranges
浮选精煤不同粒径范围颗粒趋势分布如图7所示,可知1 600～2 000 s时,在0.1 m3/h充气量条件下,<10 μm的颗粒数量平均值下降,10～<100 μm的颗粒数量和≥100 μm的颗粒数量平均值上升;2 000～2 400 s时,0.2 m3/h充气量条件下,<10 μm的颗粒数量这段时间内的平均值继续下降,10～<100 μm颗粒数量平均值上升,≥100 μm颗粒数量平均值持续上升;2 400 s后,0.3 m3/h充气量条件下,<10 μm颗粒数量平均值继续下降,10～<100 μm的颗粒数量出现下降趋势,然而≥100 μm颗粒数量平均值却明显增大。整体而言,气泡可增强浮选精煤颗粒间的相互作用力,使得小颗粒聚集形成更大的颗粒,因此最终小颗粒数量变小,大颗粒数量增多。
3.5 扫描电子显微镜SEM分析结果
将不同充气量的浮选精煤经压滤装置压滤后形成滤饼,用扫描电镜进一步表征颗粒间的相互作用。图8为浮选精煤滤饼表面颗粒状态形貌。
图8 不同充气量的浮选精煤滤饼
Fig.8 Flotation of cleaned coal filter cake with different aeration
由图8(a)可知,未充气的浮选精煤形成的滤饼表面的颗粒之间无序且随机,颗粒间距离不均匀,颗粒排列疏松,整体呈单层分布,大小颗粒互不影响;图8(b)为充气量在0.1 m3/h的浮选精煤形成的滤饼,可以看出,由于压滤前气泡的存在,增强了颗粒间的相互作用力,煤颗粒之间开始出现颗粒轻微附着现象,小颗粒附着在大颗粒上,滤饼表面凹凸不平,颗粒整体为层状分布,颗粒间开始出现较大的微孔结构;图8(c)为充气量为0.2 m3/h的浮选精煤形成的滤饼,可以看出,随着气泡增多,颗粒间的排列越来越有序,开始出现明显的聚集现象,孔隙大小也整体较充气量为0.1 m3/h的浮选精煤形成的滤饼减小,水分在更细的孔道内流经更长更复杂的吼道,脱除难度高。图8(d)为充气量为0.3 m3/h的浮选精煤形成的滤饼,可以看出,气泡量逐渐增多,颗粒间排列也更为紧密,煤颗粒混凝物聚集越来越明显,大量微小气泡打破了滤饼内部原本规则均匀的微孔结构,使得孔隙更小,滤饼整体厚度大,层状结构更丰富,导致滤饼水分高。
3.6 讨论
带有气泡的浮选精煤在压滤脱水时,为方便解释压力与脱水的关系,引入毛细管过滤模型如图9所示,当施加的压力p大于毛细压力时,毛细管内的水可以被排出[24]。
图9 毛细管过滤模型
Fig.9 Diagram of capillary filtration model
为了进一步揭示压力的影响因素、深入分析滤饼脱水性能的机理,可从毛细管压力公式分析。毛细管压力为
(3)
式中,r为毛管半径;γ′为水-空气表面的表面张力;θ为气-水-固界面的接触角。
由式(3)可知,毛细管半径决定脱除水分所需的压力p,由于气泡的存在,导致毛细半径减小,从而导致煤颗粒间水分迁移所需压力p增大。气泡使颗粒间相互作用增大,导致形成了更细的毛细管,最终形成的浮选精煤滤饼内部的孔隙率更低,形成的孔隙结构更细、更复杂,所以滤饼最终水分高。与此同时,在滤饼形成的过程中,气泡的存在使滤饼内部形成了连通性差的孔隙结构,吼道半径较细,过滤过程中使水分子迁移受到的阻力增大,水分难以排除,导致滤饼最终水分升高。
综上所述,气泡的存在导致压滤压力增大,压滤压力增大会压缩滤饼,使得毛细管半径减小;此外,泡沫中颗粒间相互作用大,颗粒排列紧密,同样使得毛细半径减小。根据毛细管过滤模型,毛细半径减小,滤饼中水分排出所需压力升高,水分难以脱除[25]。
4 结 论
1)随充气量增加,过滤压力和滤饼厚度逐渐增大,过滤速率逐渐加快,但滤饼水分逐渐升高,当充气量为0.3 m3/h时,浮选精煤过滤所需压力由451.2 kg 增至540.7 kg,滤饼水分增加10.7个百分点。
2)充气量越大,浮选精煤中小气泡分布占比越大,气泡总量越多。同时,浮选精煤黏度和动切力τ0增大,分散颗粒随剪切速率增大定向重排作用增强,颗粒间排列越紧密,颗粒间相互作用力增强。
3)由于气泡的存在,使得毛细半径减小,从而导致颗粒间水分迁移所需压力增大,同时大量微小的气泡打破了滤饼内部原本规则均匀的微孔结构,形成了连通性差、更复杂的孔隙结构,滤饼内部水分迁移路径更长,不利于毛细水的排出,导致最终滤饼水分升高。
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