气固流化床中磁铁矿粉二次包覆改性后流化特性的研究＊

于晓东郭 进赵跃民骆振福王 可张文平朱再胜

(1.中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221008;2.山东黄金集团昌邑矿业有限公司,山东省潍坊市,261308)

气固流化床中磁铁矿粉二次包覆改性后流化特性的研究＊

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(1.中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221008;2.山东黄金集团昌邑矿业有限公司,山东省潍坊市,261308)

介绍了磁铁矿粉表面利用离子型药剂(油酸钠)改性后再利用非离子性改性药剂(PEG-4000)进行二次包覆改性后的物理化学性质。研究表明,改性前当磁铁矿粉水量为0.5%时流化床已经不能流化,达到了临界水分;改性后磁铁矿粉临界水分可增至0.8%,改善了磁铁矿粉的流化特性,有效地拓宽了入选原煤水分含量。

干法选煤 磁铁矿粉 二次包覆 表面改性 流化床 水分

煤炭在开采、运输过程中不可避免地会附着一定的外在水分,煤炭外在水分一般按表面分布,煤炭粒度愈细、比表面积愈大,水分愈高。当外在水分较高的煤进入流化床后,一方面,由于磁铁矿粉的亲水性,细粒的磁铁矿粉很容易与煤炭黏附在一起,对分选效果产生影响,出现产品污染,并导致介质损耗增加;另一方面,磁铁矿粉和煤炭相接触后,煤表面的外在水分亦容易传递给磁铁矿粉,使磁铁矿粉的水分增加,对流化质量产生影响,使得分选环境恶化;再者,由于加重质(如磁铁矿粉)和气固流化床对水分的敏感性,使得对入选原煤的外在水分有一定要求,一定程度上制约了干法气固流化床分选技术的适应性。为有效解决以上问题,对磁铁矿粉表面进行改性,使磁铁矿粉由亲水性变为疏水性、粒径范围变大、表面润滑性能增加。由于单层离子性药剂改性磁铁矿粉容易分解,因此本文在离子性药剂改性后磁铁矿粉的表面用非离子性改性药剂进行二次包覆,提高其疏水性和分解性。以油酸钠、硬脂酸和聚乙二醇 -4000(PEG-4000)为改性剂,对磁铁矿粉表面进行改性。研究了水分对改性前后磁铁矿粉流化性能的影响。

1 实验系统及方法

1.1 实验装置

流化床主要分为气室、布风板、流化床体3部分。自制流化床的直径为100mm,由有机玻璃管制作而成,结构如图1所示。气室中的进气管上设顶帽,有利于气体均匀地通过布风板,从而在流化床体中实现布风均匀,形成均匀稳定的流化床层。布风板的开孔率为22.5%。从布风板上方30mm处开始,在流化床体侧壁每隔30mm设一个测压点。本试验用U型管压差计来测量流化床床层的密度,用玻璃转子流量计来测量流化床的进风量。

1.2 实验方法

实验开始首先在温度80℃、油酸钠2%、矿浆浓度20%、改性时间为30min条件下进行一次改性后,然后再在温度40℃、2%聚乙二醇-4000、矿浆浓度20%、改性时间30min的条件下进行二次表面改性,得到二次改性后的磁铁矿粉。

图1 流化床模型分选机

将改性前含水量为0.1%～0.5%的和改性后含水量为0.1%～0.8%的加重质分别加入流化床中,打开鼓风机将空气压入风包,打开风阀,空气经过转子流量计进入气室,经过布风板进入流化床体。通过调节风阀控制进入流化床的进风量。增大气速,直到流化床层内的加重质剧烈运动,有大泡出现,记录此时的床层高度、风压和压差。然后逐渐减小进风量,测量不同风速时的床层高度、床层压差,直至气速减小为零,流化床层完全变成固定床,记录此时的床高。对实验数据进行处理并绘制床层压降与气速的关系图,从而判断空气重介质流化床的流化性能,并计算出初始流化速度。

2 实验结果分析

2.1 改性前后磁铁矿粉物理化学性质

选用磁铁矿粉作为空气重介质流化床的加重质。磁铁矿粉的主要化学成分为 Fe3O4。Fe3O4晶体呈八面体和菱形十二面体、集合体,呈粒状或块状。颜色为黑铁色,有黑色条痕,有金属光泽或半金属光泽,摩氏硬度为5.5～6度,比重为4.8～5.3 g/cm3,具有强磁性。

2.1.1 磁铁矿粉的产率分析

实验对所选用的重介质在改性前后其不同粒级组成的产率进行了分析,结果见表1。

表1 改性前后磁铁矿粉各粒级的产率

由表1看出,改性后磁铁矿粉各粒级的产率与改性前磁铁矿粉各粒级产率相比并未产生明显改变。这是因为改性剂在磁铁矿粉表面的吸附为化学吸附,而化学吸附通常为单分子层吸附,宏观上不会改变磁铁矿粉的粒径。

2.1.2 磁铁矿粉的磁性能分析

表2 改性前后磁铁矿粉的磁性能

改性前后磁铁矿粉的磁性能见表2,由表2可以看出,改性前后磁铁矿粉的磁性能变化不大。改性前的磁饱和强度为80.518 emu/g,改性后稍有降低,主要是由于改性剂是非磁性物质。又由于表面吸附成键引起表面Fe离子环境晶体电场变化,形貌发生改变,增强了表面 Fe离子的各向异性,所以使矫顽力和剩磁略增加。

2.1.3 改性前后磁铁矿粉形貌分析

利用电子显微镜对改性前后磁铁矿粉进行扫描可以得出,改性前磁铁矿粉表面凹凸不平;改性后磁铁矿粉表面有明显的白色包覆层。包覆层平滑了磁铁矿粉表面,使得在流化过程中,改性后的磁铁矿粉间摩擦力小于改性前,床层黏度变小,活性增大,提高了流化床的分选性能。

2.2 磁铁矿粉含水量对流化床流化性能的影响

2.2.1 改性前磁铁矿粉含水量对流化床流化性能的影响

改性前不同含水量条件下的流化特性曲线和起始流化气速值见图2和表3。由图2和表3分析可知改性前磁铁矿粉起始流化速度随着含水量的增加而变大。随着磁铁矿粉中含水量的增加,气流透过床层的阻力增加,床层压降波动愈趋于剧烈,导致床面越不稳定,床层密度越不均匀,流化效果越差。同时,床层中的气泡变大,出现不同程度的“死区”或腾涌喷射现象。磁铁矿粉中含水量为0.1%和0.2%时,流化效果基本不受影响,起始流化气速仅为3.05 cm/s左右,床层压差无显著的波动,床层密度呈现较好的稳定性;当磁铁矿粉中含水量增大为0.3%和0.4%时,流化效果明显变差,起始流化气速有增大趋势,床层中同时出现一定程度的压力波动,床层稳定性变差;而当磁铁矿粉中含水量为0.5%时,床层起始流化气速进一步增大,床层由固定床向流化床转换变得困难,床层几乎不能流化,磁铁矿粉含水量达到了临界水分。

图2 改性前不同含水量流化特性曲线

2.2.2 改性后磁铁矿粉含水量对流化床流化性能的影响

改性后不同含水量条件下的流化特性曲线和起始流化气速值见图3和表4。由图3和表4分析可知,磁铁矿粉改性后随着含水量的增大,起始流化气速和气体通过床层的阻力也相应地增大。当加重质(不含煤粉)含水量小于0.6%时,流化床的流化效果基本不受影响,床层压力无显著波动,床层密度均匀稳定;当含水量为0.6%时,流化床的起始流化气速开始增大,床层压降稍有波动,床层密度略显不稳定;当含水量为0.7%时,起始流化气速有明显增大,床层压力波动剧烈,床层密度变化增大,流化质量明显变差;当含水量为0.8%时,流化床几乎不能流化,磁铁矿粉含水量达到临界水分。

表3 改性前磁铁矿粉含水量与起始流化气速关系

图3 二次改性后不同含水量下流化特性曲线

表4 改性后磁铁矿粉含水量与起始流化气速关系

对改性前后磁铁矿粉的流化特性曲线比较分析得出,改性前水分含量为0.3%和0.4%时,对流化质量有很大的影响,流化效果较差,而对改性后磁铁矿粉几乎无影响;改性前临界水分为0.5%,改性后临界水分为0.8%。下面就此分析原因。

改性前,水分在磁铁矿粉表面的润湿为浸湿,浸湿功为:

式中:Wi——浸湿功;

σLG——液气的界面张力;

θ——三相平衡接触角。对于改性前的磁铁矿粉,θ=0,此时,Wi=σLG。

改性后,水分在磁铁矿粉表面的润湿为沾湿,黏附功为:

式中:Wa——黏附功,对于改性后磁铁矿粉,θ＞900,因此,Wa＜σLG。

所以,破坏水分与改性后磁铁矿粉之间的作用力所需的力要小于改性前的。当水分含量较低(小于6%)时,改性后的磁铁矿粉表面的水分容易被气流带走,表面很快又处于干燥状态,因此流化质量不受影响。而当水分含量较高(大于等于0.6%)时,一方面加重质(不含煤粉)颗粒发生团聚作用,致部分水分不能被气流带走;另一方面水分含量较高,使得水分与磁铁矿粉表面作用力增强,短时间内气流不能带走全部水分,从而影响流化质量,直至不能流化。

3 结论

(1)改性后的磁铁矿粉间摩擦力要小于改性前,使得在流化过程中床层黏度变小,活性增大,提高了流化床的分选性能。

(2)改性前磁铁矿粉的临界水分为0.5%,而改性后磁铁矿粉的临界水分为0.8%,改善了加重质磁铁矿粉的流化特性,拓宽了原煤入选的范围。

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(责任编辑 张毅玲)

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

国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金(50921002);中国矿业大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(No.2010ZDP01A06)。

于晓东(1982-),男,内蒙古赤峰人,中国矿业大学矿物加工专业在读硕士,主要从事干法选煤方面研究。