究探討煤炭工程2004年第7期水煤漿粒度測試技術(shù)的比較研究王仁哲,張榮曾,徐志強(qiáng),黃鎮(zhèn)中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)摘要:粒度級配技術(shù)是水煤漿制漿技術(shù)的關(guān)鍵,快速準(zhǔn)確地測量水煤漿中煤粒旳粒度分布是實現(xiàn)這一技術(shù)的基礎(chǔ);目前最為流行的測量方法是激光粒度儀,其理論依據(jù)主要有 Fraunbofer衍射理論和Mie散射理論;論文通過試驗比較,系統(tǒng)研究了各種常用測量方法的特點。關(guān)鍵詞:水煤漿,粒度測試,Mie散射, Fraunhofer衍射中圖分類號:TQ536.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-09592004)7-005403Experiment and Analysis of Sizing Particles in Coal-Water Slurry FuelWANG Ren-zhe, ZHANG Rong- zeng, XU Zhi-qiang, HUANG ZhenSchool of Chemical and Environmental Engineering, CUMT, Beijing 100083, China)Abstract: The sizes graduation is one of key technology of making the coal-water slurry fuel whichbasis is that the size distribution of particles are measured in coal- water slurry fuel quickly andaccurately At present the popular measurement is the laser size instrument, which theoreticalfoundation are classified the fraunhofer diffraction theory and the mie scattering theory This paperpresents some common measurement methods and laboratorial results to various samples, illustratesthat the Fraunhofer theory could approximately substitute the Mie theory applied to sizing the particlesin coal- water slurry fuelKeywords: coal -water slurry fuel i sizes measurement the Mie scattering the Fraunhoferraction水煤漿的粒度分布特點煤基工業(yè)燃料1水煤漿的粒度級配是制備水煤漿的關(guān)鍵技術(shù)之一;粒中國是一個以煤為主要能源的國家,煤炭資源十分豐度分布中各粒級的配比稱″級配″,只有級配合理,大小顆富,煤炭是我囯的主要能源;由于直接燃煤污染嚴(yán)重,開粒才能相互充填,減少空隙率,提高固體容積濃廚即堆積發(fā)制備和利用水煤漿一直是近年來煤炭加工、合理利用煤率),才能少用水,制出流動性好的高濃度水煤漿(如圖1炭資源的一項主攻方向。水煤漿是一種由35%左右的水,所示)因此,測定現(xiàn)場水煤漿粒度分布是間接監(jiān)控水煤5%左右的煤以及1%~2%的添加劑混合制備而成的流體漿質(zhì)量的一個重要手段。只有大顆粒充填了小顆粒充填了更小顆粒圖1水煤漿粒度級配充填示意圖收稿日期:2004-01-082004年第7期煤炭工程研究探討射被測粒子場,通過光學(xué)傅立葉透鏡變換聚焦,利用環(huán)形2水煤漿粒度測試技術(shù)現(xiàn)狀光電探測器陣列,在多個空間立體角范圍內(nèi)采集其散射光在實踐中,測量水煤漿粒度分布的方法有很多,其中能信號,再經(jīng)過反演計算后求得被測顆粒的粒徑大小和分包括篩分法、沉降法、激光法、小空通過法等等2。目前布范圍在水煤漿制漿廠中應(yīng)用最多的技術(shù)是激光法,激光粒度儀以其快速、準(zhǔn)確、測量范圍廣、無接觸、不對被測顆粒形beam expand成破壞和易于實現(xiàn)在線檢測而被廣泛地應(yīng)用在目前的粒度測量領(lǐng)域LASE2.1篩分法的特點和局限性篩分法就是將粉末樣品通過一系列不同篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩分離成若干個粒級。分別稱重,求得以重量百分?jǐn)?shù)表示的diffracted rny粒度分布。圖2激光粒度儀原理示意圖篩分分析方法簡單,可以直接得到粒度分布的直方圖,但操作時噪聲大,衛(wèi)生條件不好,用樣量大;而且由于使早期的產(chǎn)品一般根據(jù) Fraunhofer衍射原理,但由于它用的篩數(shù)有限,其結(jié)果精度不高,尤其不適宜對細(xì)顆粒測是散射理論對大顆粒的近似,這種儀器的測量范圍受到量,甚至不可能。目前,篩分法僅限于測量大顆粒的粒度定的限制。但其原理簡單、計算數(shù)據(jù)量小、測量速度快的分布。特點仍然使其有較為廣泛的應(yīng)用,特別是應(yīng)用在要求在線2.2沉降法的特點和局限性測量的場合。至于其測量精度,由于粒度測量本身的特點沉降法就是當(dāng)顆粒在重力場中沉降時,利用 Stokes沉(測不準(zhǔn)”無真值"η4]),在其原理認(rèn)可的測量范圍內(nèi),不降速度公式,測量顆粒群在流體介質(zhì)中,特別是在液體中可說之不”精確"。而且,儀器的測量精度除與其原理依據(jù)沉降速度的變化,求岀粒度分布,從而得到累積粒度分布。的正確性與否有關(guān)以外,還與數(shù)據(jù)分析方法、計算方法、粒度分布測量的各種方法中,以沉降法這一大類應(yīng)用實驗條件的滿足等許多條件有關(guān),其中,計算理論的選擇最廣,主要有移液管、沉降天平、光透重力沉降儀、光透和可實現(xiàn)性以及可能帶來的誤差最為復(fù)雜,而往往不是選離心沉降儀、X射線沉降儀。其中,移液法裝置簡單價廉,擇一個理論依據(jù)這么簡單的事情。而且其測量重量累積分?jǐn)?shù)是直接的除篩分法外其他常用方法都是間接的),若仔細(xì)操作結(jié)果相當(dāng)精確,精度在1%左3幾種測量方法的試驗比較右。1980年發(fā)表的歐洲經(jīng)濟(jì)共同體對于粒度分布各種測量3.1試驗裝置方法比較的國際研究中,就是將 Andreason移液管作為比1)篩分法:選擇帶有800Mesh細(xì)篩孔的套篩,采用較的標(biāo)準(zhǔn)3超聲濕篩的方法;實驗結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)化。本方法在測量過程中伴隨著顆粒的分級過程,即大顆沉降法:利用安德遜移液管沉降分析儀,進(jìn)行粒先沉降,小顆粒后沉降,因此,測量結(jié)果的分辨率高,分鐘的采樣測量,測量結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)化。特別當(dāng)粒度分布不規(guī)則,或微分分布出現(xiàn)”多峰”的情況3)激光法:本實驗采用了三種不同型號、不同原理的下,本方法的優(yōu)點更加突出。但本方法在進(jìn)行水煤漿粒度激光粒度儀進(jìn)行測量,分別為兩臺進(jìn)囗激光粒度儀(一臺測量時,仍存在許多不可克服的缺陷Malvern- Mastersizer2000,依據(jù)Mie散射理論;另一臺1)測量速度慢。一般要大于60min,這樣就增加了細(xì) OUNTER-LS100Q,依據(jù) Fraunhofer衍射理論)測量結(jié)顆粒凝聚的機(jī)會。果均由儀器直接給出。2)測量過程中要保證溫度的恒定。由于溶解介質(zhì)的黏3.2制樣度系數(shù)隨溫度變化,直接影響測量結(jié)果。采用良莊水煤漿漿「(山東精煤原料、吉化水煤漿廠3)對于多密度的混合物顆粒無法測量。而煤本身就不(吉林城漿產(chǎn)品和勝利水煤漿廠(山東城漿產(chǎn)品,分別做是一種單一穩(wěn)定密度的化合物。三組實驗;制樣時,加入分散劑,分別進(jìn)行10分鐘超聲分4)測量范圍有限。一般測量范圍在2-50m。散,再進(jìn)行攪拌分散,盡量減小制樣和取樣的誤差,保證2.3激光法的特點和局限性樣品的一致性。激光法粒度儀主要有光散射粒度儀和光子相干粒度儀,3.3試驗結(jié)果目前應(yīng)用較多的是光散射粒度儀,其理論依據(jù)主要是三組試驗結(jié)果分別見表1、表2、表3Fraunhofer衍射理論和Me散射理論,圖2為在固定波長3.4試驗分析下,通過測量散射光能在前向某個小角度范圍內(nèi)的空間角分析以上三組試驗可以看出研究探討煤炭工程2004年第7期表1良莊精煤粒度測量結(jié)果測量方法與儀器I(4,3)I3,2)篩分?jǐn)M合安德遜移液管1.815.7517,0350,27Malvern Mastersizer200019.38COUNTER LS100Q6,9927,297.66表2吉化水煤漿粒度測量結(jié)果測量方法與儀器D10D90I4,3)3,2)篩分?jǐn)M合1.6727,79116.9l50.39安德遜移液管38.03Malvern Mastersizer 2000.8159.01100.826.46COUNTER LS100Q8,69102,046.025.79表3勝利水煤漿粒度測量結(jié)果m測量方法與儀器D10DD50D75I(4,3)Ⅱ3,2)篩分?jǐn)M合1,4216.331.2安德遜移液管16.8956.97malvern Mastersizer20000.9357COUNTERP LS100Q6.9817.6703.26.29注:(4,3)顆粒的體積重量均直徑;3,2)顆粒的表面積平均直徑;D50—中位徑,表示在該直徑以上和以下的顆粒各占%;D10—表示小于該直徑體積重量店顆?？傮w積重量10%:D25,D75,D90表示的意義同D10。較接近, COUNTER儀器的結(jié)果略粗于 Malvern儀器的結(jié)用 Fraunhofer近似的方法的顆粒是絕大多數(shù),應(yīng)用果。分析儀器旳結(jié)構(gòu)原理可知: Malvern儀器是以Mie理論 frauhofer衍射理論近似去代替Mie散射理論對于水煤漿粒為基礎(chǔ),其測量下限可以達(dá)到很細(xì)(本儀器為0.1m),而度測試不會產(chǎn)生很大的誤差,實驗也驗證了這一點。COUNTER儀器則是以 Fraunhofer理論為基礎(chǔ),它并不考2)對于理論選擇產(chǎn)生的誤差,可以依靠合理的選擇檢慮顆粒的光學(xué)特性,只是Mie理論的一種近似,它總是假測元件的尺寸、透鏡焦距、計算粒度,以及控制試樣的粒設(shè)顆粒的消光系數(shù)為2,而實際上,隨著顆粒粒徑的下降,度上下限和誤差修正旳方法來解決,因水煤漿顆粒的分布顆粒的消光系數(shù)快速下降,在電子顯微鏡下觀察可以看到有一定的規(guī)律可循,沒有必要將計算粒度下限取的很細(xì),2μm以下的煤粒呈半透明狀,而0.5;m的煤粒的消光系數(shù)可以通過算法程序推算出比它更細(xì)的粒度組成。因此,計已經(jīng)很小,這時必然帶來了測量誤差。算粒度的下限可以選擇的較粗,以防止微細(xì)粒子散射的2)安德遜移液管的測量結(jié)果比激光粒度儀的測量結(jié)果干擾。要細(xì)。分析其原因是由于安德遜移液管測量粒徑的理論依參考文南據(jù)是 Stokes定律,該定律要求其沉降的雷諾數(shù)小于0.2,這就限制了它的測量上限。而對于2m以下的顆粒由于布[1]張榮曾.水煤漿制備技術(shù)[M]北京:北京科學(xué)出版社,朗運動的影響會明顯的干擾顆粒的沉降過程。而同時煤炭996:65-69顆粒內(nèi)存在的孔隙和形狀的不規(guī)則,都影響了煤粒的沉降[2]盧壽慈,粉體加工技術(shù)[M1北京:中國輕工業(yè)出版社速度,延長了沉降時間,使得測量結(jié)果偏粗。3)篩分的測量結(jié)果與其它方法的測量結(jié)果懸殊較大[3]高祜蒿。顆粒粒度與比表面測量原理[M]上海:上?？浦饕怯捎谒簼{中細(xì)顆粒含量較多,首先對于較細(xì)的顆學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1989:204粒,篩孔的通過率就很低,而且在篩分過程中,篩分的時4]張福根.用激光散射法測量大顆粒時使用衍射理論的誤差間長短和篩分方式有無振動等對篩分的結(jié)果都有很大的[J]粉體技術(shù),1996,(2):32-33[5] Craig F, Bohren, Donald R. Huffman. Absorption and Scattering影響,這一切都決定了篩分在測量細(xì)顆粒時的不可靠。of light by Small Particles M New York: WILEY SCIENCE結(jié)論PAPERBACK SERIES PUBLISHED, 1998[6] John C. Stover. Optical scatter: Applications, Measurement通過以上分析,筆者認(rèn)為and Theory [ A ]. The International Society1)從水煤漿產(chǎn)粒的主體來看,應(yīng)該說適用于采Engineering, 1989:119-12