煤粉分形维数对低阶煤配煤成浆性能的影响

方刘伟，武成利，王蓓蓓，郑久强

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001）

煤气化技术是洁净煤技术的核心技术之一，其中采用水煤浆进料的德士古水煤浆加压气化和多喷嘴对置式水煤浆气化的气流床气化技术在国内已得到广泛应用。由于该气流床技术采用液态排渣，因此需要采用低灰熔点的煤为气化用煤。低变质程度煤具有低灰熔点等特点，但同时由于其内在水分高、极性官能团含量高、比表面高和可磨性差等特点，通常难以制备高浓度的水煤浆。为提高低阶煤的水煤浆浓度，多年来国内外学者通过配煤、粒度级配、煤质改性等方法来提高水煤浆浓度[1-4]。煤粉的粒度是影响水煤浆成浆性的关键因素，粒径和粒度分布是表征粒度的经典方法，但这两种参数并不能全面表征煤粉的特性，为提高煤样成浆浓度还需调整煤样粒度分布，提高煤样堆积效率。

分形几何学在煤的微观分子结构分析、煤炭开采、加工技术和煤炭特性研究中得到了极大的发展[5-7]。煤粉作为一种形状与粒度不规则的复杂系统，在某些测度下反映出了分形特征[8]。由于分形理论特别适于描述没有特征尺度但具有自相似性的物理结构，能定量准确地描述具有非线性特征的不规则粗糙表面的几何特性，故采用分形理论能够较为准确地描述煤粉的特征。近年来一些学者利用分形理论研究了煤粉粒度、孔隙结构、比表面积等结构参数对水煤浆性质的影响，为分形理论在水煤浆领域的应用起到了重要的作用[9-10]。本研究利用分形理论研究“配煤＋级配”技术，为研究制备水煤浆提供了一种新的思路。

1 实验材料和方法

东胜煤具有高内水、低灰、低灰熔点、低成浆浓度的特点。实验采用东胜地区民达、纳林庙、东川煤样和准格尔地区黑岱沟煤样，工业分析和元素分析如表1所示。利用行星式球磨机将黑岱沟煤样磨制不同粒度。采用木质素磺酸钠添加剂(干基3‰)，将东胜矿区煤与黑岱沟煤样在不同配比下配制成水煤浆，采用国标方法GB/T18855-2002测定水煤浆浓度，利用NXS-4C黏度计测量水煤浆黏度，利用激光粒度仪测定水煤浆的粒径分布。

由表1可知，对于东胜矿区三个煤样，民达煤Mad最大为13.3%，纳林庙煤Mad为12.4%，东川煤最小Mad为9.14%。黑岱沟煤Mad最小为6.46%。民达、纳林庙、东川煤Aad均低于10%，黑岱沟Aad较大为20.87%。选取的东胜煤具有高内水、低灰、低硫、高发热量的特点。较东胜煤而言，黑岱沟煤样灰分偏高，水分偏低。

表1 煤样基础分析

实验使用棒磨机对民达、纳林庙、东川煤样进行粗磨，使用行星式球磨机对黑岱沟煤样进行细磨，磨制时间分别为球磨5、10、20min及水磨8h。利用BT2003激光粒度仪对磨制后的煤样进行粒度测定，其测定结果如表2所示。

由表2可知，采用棒磨机粗磨的民达、纳林庙、东川及黑岱沟煤样中位径均在130μm左右。黑岱沟球磨5min后，煤样中位径为20.02μm；球磨10min后，煤样中位径为13.71μm；球磨20min后，煤样中位径为9.805μm；水磨8h后，煤样中位径为4.612μm。煤样粒度随着磨制时间变长而逐渐变细。

表2 煤样粒度分布 （单位：μm）

2 结果与讨论

2.1 煤粉的分形维数

由于分形理论特别适于描述没有特征尺度但具有自相似性的物理结构，能定量准确地描述具有非线性特征的不规则粗糙表面的几何特性，故用分形理论能精确描述煤粉的特征，并进而讨论其对煤成浆性的影响规律。根据分形理论[11]，煤粉系统的分形维数计算方法如下：

设式（1）等式右边 NoKr/[Vo(3-D)]为常数项 C，令b=3-D，对式（1）两边取对数，得：

其中：r为粒径 ；y（r）为粒径区间含量；N0为粒子总数；V0表示粉煤颗粒系统的总体积；C为常数；b为双对数坐标下yV(r)-r关系曲线斜率；D为分形维数。

分形维数的大小代表了局部与整体的相似程度。

2.2 煤粉分形维数的计算

以纳林庙煤为例来叙述分形维数的具体计算方法。选取纳林庙与黑岱沟、纳林庙粗磨分别与黑岱沟球磨5、10、20min、水磨8h在配比为8∶2的条件下制浆取样，采用激光粒度仪对其粒度进行测定，其粒度数据如表3所示，分形维数拟合图如图1。

根据图1的分形维数拟合图，得到不同粒度煤粉的分形特征如表4所示。

由表4可知，随着磨制时间的增加，配煤样品的中位径逐渐减小，分形维数逐渐增加，粗磨的纳林庙与黑岱沟球磨8h配煤制浆，其分形维数最大为2.45，纳林庙与黑岱沟配煤制浆，其分形维数最小为2.24，其余分形维数均在以上两者之间，且分形维数均超过2.3。

采用以上分形维数计算方法，分别对民达与黑岱沟、民达分别与黑岱沟球磨 5、10、20min、水磨 8h，东川与黑岱沟、粗磨的东川粗磨分别与黑岱沟球磨5、10、20min、水磨8h在配比为8∶2的条件下进行分形维数的计算，对应分形维数见表5所示。

表3 配煤粒度分布 （单位：μm）

图1 煤样的分形维数拟合图

表4 不同粒度煤粉的分形特征

由表5可知，粗磨的民达与黑岱沟水磨8h配煤制浆，其分形维数最大为2.45，民达与黑岱沟配煤制浆，其分形维数最小为2.27，粗磨的东川与黑岱沟球磨8h配煤制浆，其分形维数最大为2.44，东川与黑岱沟配煤制浆，其分形维数最小为2.32，其余分形维数均在以上两者之间，且分形维数均相差不大。

表5 不同粒度煤粉的分形特征

2.3 分形维数与水煤浆浓度的关系

粗磨的民达、纳林庙以及黑岱沟煤样，分别与黑岱沟球磨5、10、20min、水磨8h煤样按照比例为8∶2下配煤制浆，配煤制浆性能见表6～表8。

由表6～表8可以看出，随着球磨时间的增加，民达、纳林庙、东川和黑岱沟球磨在8∶2配比下的最高制浆浓度逐渐增加。

为观察分形维数与煤样最高成浆浓度的关系，现结合以上分析，将东胜煤与黑岱沟煤样在配比为8∶2时，煤样的最高成浆浓度与分形维数关系如图2所示。

由图2可知，东胜矿区煤和不同磨制时间黑岱沟配煤后，煤粉的分形维数有所提高，配煤制浆后，煤样最高制浆浓度随着分形维数的增加而提高。民达与黑岱沟配煤最高制浆浓度由54.26%提高到57.64%；纳林庙与黑岱沟配煤后最高制浆浓度由61.29%提高到63.39%；东川与黑岱沟配煤后最高制浆浓度由59.23%提高到63.46%。

3 结论

（1）未经分级的煤粉和经过分级处理的煤粉配煤后都呈现出分形特征线性相关系数都大于0.95，经过分级处理的煤粉配煤后的分形维数要大于未经级配的煤粉。

（2）民达与不同粒度黑岱沟煤经级配后的煤样分形维数由2.26增加到2.39，最高制浆浓度由54.26%提高到57.64%；纳林庙与不同粒度黑岱沟煤经级配后的煤样分形维数由2.24增加到2.45，最高制浆浓度由61.29%提高到63.39%；东川与不同粒度黑岱沟煤经级配后的煤样分形维数由2.32增加到2.44，最高制浆浓度由59.23%提高到63.46%。分形维数越高，最高制浆浓度越大，因此通过测定煤粉的分形维数可以初步判定水煤浆成浆性的好坏。

表6 民达与不同粒度黑岱沟配煤制浆成浆性能

表7 纳林庙与不同粒度黑岱沟配煤制浆成浆性能

表8 东川与不同粒度黑岱沟配煤制浆成浆性能

图2 最高制浆浓度与分形维数关系曲线

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