煤炭加工與綜合利用2006年第3期COAL PROCESSING COMPREHENSIVE UTILIZATIONNo.3,2006超聲波空化作用時間對水煤漿流變特性影響的研究曾鳴,向亨裕1,范垂鋼2(1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,北京100083;2.中國科學院過程工程研究所,北京100080)摘要:介紹了超聲波空化作用機理,研究了超聲波不同空化作用時間對水煤漿流變特性的影響,隨著空化作用時間的增加,水煤漿表觀粘度升高,粒度變細,溫度升高,而最終結果是多種因素影響后而體現(xiàn)出的綜合結果。關鍵詞:水煤漿;超聲波;超聲空化;流變性;粘度中圖分類號:TQ536文獻標識碼:A文章編號:10058397(2006)03-0042-03水煤漿由煤粉、水及少量添加劑制成,它在這往往是液體中強度最為薄弱的地方,空化作用減小環(huán)境污染的同時又能像油一樣儲運、霧化首先從這些地方開始,這樣氣泡本身就充當了空燃燒。工業(yè)上要求制備高濃度、低粘度、有良好化種子(3,不再需要由聲壓幅值超過液體分子流變性及穩(wěn)定性的漿體。超聲波強化處理技術是的內聚力來產生真空區(qū)(空穴)了改善水煤漿流變特性的新技術,中科院山西煤化1.2超聲空化的空化闊所李永昕等人曾對此技術進行過較為系統(tǒng)的研設交變聲壓的振幅值為P,則液體中壓強究,并得出一些有意義的結果12)的變化為P±Pn,定義使液體空化的最低聲強1超聲波強化處理水煤漿的聲學原理和聲壓幅值為空化閾P,只有Pm>P0時才會出現(xiàn)負壓,負壓超過液體強度時才能發(fā)生空化。1.1超聲波空化作用機理經(jīng)理論推導3得出當超聲波的交變聲壓在液體中傳播時會出現(xiàn)(2a/R0)稀疏和密集狀態(tài)。密集狀態(tài)時,液體受到正壓力√P-P+(2nR(約幾個大氣壓)作用;稀疏狀態(tài)時,液體受到拉力即負壓力作用,因此液體相應發(fā)生壓縮和膨式中:P為蒸汽壓;R0為氣泡初始半徑;a為表面張力。脹。當負的聲壓幅值超過液體分子的內聚力時,由此可見,超聲空化閾值是隨不同液體而不液體分子被突然分開(液體被“拉破”),液體中同的;對同一液體,溫度、壓力狀態(tài)和含氣量、出現(xiàn)真空區(qū)。真空區(qū)內部只有液體蒸汽,并且在微氣泡半徑的大小及分布不同時,空化閾也不聲壓的負半周內膨脹,隨后又突然破滅(猛然閉同。當聲壓超過空化閾而引發(fā)空化現(xiàn)象后所釋放合),同時伴隨有能量的釋放,而且釋放率非常的巨大能量將對水煤漿固液分散體系的細度和流高,伴有激波傳播,使液體局部產生升溫。一般液體中都含有一定的氣體,形成一些微小氣泡變特性產生重大影響,下面通過試驗來研究具體影響過程。收稿日期:200602-10作者簡介:曾鳴(1957-),男,四川內江人,中國煤化工2.11999年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(北京校區(qū))礦物加工工CNMHG程專業(yè),工學博士,中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境實驗所用的設備有:JY92-IS型超聲波細工程學院副教授,電話:010-6233144轉8121。胞粉碎機、NXS-11型旋轉式粘度計、LS-C2006年第3期曾鳴,等:超聲波空化作用時間對水煤漿流變特性影響的研究(1)型歐美克激光粒度分析儀、電子天平、分析(600W×70%)下的超聲空化已經(jīng)開始,立刻開天平和實驗室用小型球磨機。啟定時設定開關。當超聲輻照達設定時間后會自2.2樣品制備動停止,輻照時間分別設定為2min、5min、采用雙鴨山煤樣,利用實驗室的小型球磨機10min、15min和20min。取出不同輻照時間的千法磨制兩種粒度級的煤粉,按照不同級配調制水煤漿,測定其粒度和粘度,繪制流變曲線,并水煤漿,煤漿質量百分比濃度約65%~68%。與處理前原漿的流變曲線進行對比。2.3實驗方法按粗、細顆粒比為1:1的比例,取504g破3實驗結果與分析碎煤樣,加2.88g2126分散劑和230.4g水混為方便起見,對數(shù)據(jù)進行編號,如g-05合調漿,實測原漿濃度為68,24%。將150-(S)中g代表表觀粘度;05代表處理時間為200mL水煤漿盛于燒杯中,把燒杯放人超聲波5min;(S)表示μ是剪切率S的函數(shù)。細胞粉碎機的托盤上。調節(jié)托盤高度,使粉碎機實驗所測漿體在不同空化作用時間下的流變的超聲變幅桿頭部浸入水煤漿中一定深度,調整特性參數(shù)見表1,粒度特征參數(shù)見表2,漿體的輸出功率至所需的數(shù)值。打開粉碎機電源,設定表觀粘度與剪切速率之間的關系見圖1,粒度微好自動計時控制系統(tǒng)以后,調節(jié)相關諧振裝置。分分布曲線見圖2當聽到尖銳的“咝咝”聲音時,表明在一定功率表1漿體在不同空化作用時間下的表觀粘度和流型數(shù)據(jù)(處理強度600W×70%)空化作用時間/mn25101520T,/Pa0.5798371.761825c-042.120798e-045.738846e-059.103673e-050,5380201K0.56447570.7785363.178715.2237011.14570077391.069663s100/mPa·s1291,312181.121738.89017.13注:表中r,為屈服應力,K為稠度系數(shù),N為流變特性指數(shù),p是表觀粘度,μ-S100是指剪切速率為1006時水煤漿的表觀表2不同空化作用時間下漿體的粒度特征所致。由表2所示的粒度特征參數(shù)可以看出,超空化作用時間/min原漿25101520聲波作用之后漿體的粒度變細了。原漿的比表面比表面積/m2kg939973980101610131020積為939m2/kg,處理2min、5min、10min的漿平均粒度D(3,2)/gm7.307.047.006.756.776.72平均粒度D(4,3)/m2.92194320.6217.5719.0719體比表面積增加最多,時間繼續(xù)增加,粉碎效果X234320.4321.2818.6419.8219.86不再明顯。從圖2可以看出,超聲波處理過的樣50.9341.9545.2837.3041.5141,79品中,小于30ym的細粒級含量明顯高于原漿中D5/{m31.7226.95286124.4126.4526.54該粒級的含量,但是處理時間和漿體粒度之間并16.7214.8515.3513.6814.4214.39非成線性關系。除了粒度和粘度變化外,超聲波從表1所示的流變特性指數(shù)可以看出,用干輻照過的樣品的溫度明顯升高,從而證實了超聲法制備的水煤漿原漿為屈服脹塑性流體(N>1)波空化作用中存在熱效應。隨著剪切速率的增高,漿體粘度也會增加。表觀這些結果是由于水煤漿經(jīng)超聲空化作用后產粘度隨超聲波作用時間的增加而增高,中間雖然生的能量被瞬間釋放出來,以及超聲波引起漿體略有波動,但大的趨勢不變,而且所有處理過的高頻“剪切”(20kHz的超聲波作用于水煤漿樣品的表觀粘度都明顯高于原漿的表觀粘度。理論上漿體將會在1s內作兩萬次疏密變化,這當超聲波作用20m后,漿體的流型發(fā)生了山中國煤化工來就已呈現(xiàn)屈服轉變:從屈服脹塑性流體變?yōu)橘e漢流體(N=1)脹塑CNMHG切下,粘度必然這從圖1所示的流變曲線中也可看出。此現(xiàn)象主升高。發(fā)生空化作用后,因空化引起的能量釋放要是由于超聲空化作用的次級作用—粉碎效應會使細粒級煤粒增加,煤漿的粒度級配發(fā)生改44煤炭加工與綜合利用2006年第3期變。當這種改變積累到一定程度后就會發(fā)生流型粒間的內摩擦力,而表觀粘度正是顆粒內摩擦力轉變,就有可能在某一特定的剪切速率下使煤漿的外在宏觀表現(xiàn),因此表觀粘度上升;(2)使得的表觀粘度降低。換言之,在超聲空化作用下,分散劑與煤粒的作用更加徹底,表觀粘度下降。水煤漿受到兩種作用的影響:(1)超聲波在液體實驗原漿為屈服脹塑性流體,在超聲波的剪中的縱波傳播方式對水煤漿的剪切作用;(2)超切作用下,煤漿粘度必然上升;而超聲波空化作聲波的空化作用對漿體所含顆粒的粉碎及空化釋用帶來的空化效應使煤粒進一步破碎,從而粒度放的熱量使?jié){體升溫。正是這些因素作用于不同變細、比表面積增大。當作用時間過長(如流型的水煤漿,彼此消長造成了最后的實驗20min)導致過粉碎現(xiàn)象發(fā)生時,在不補加分散結果。劑的條件下,相同質量的水煤漿必然消耗更多的分散劑,從而導致分散劑用量相對不足。綜上所3000述,對脹塑性煤漿進行處理易造成內摩擦力增大(粘度上升)的效應超過分散劑的降粘效應。這2280樣,增粘因素占了優(yōu)勢,煤漿的粘度升高。當超聲波功率加強,作用時間延長時,在600W70%、20min這一試點處水煤漿的脹塑性消失,變?yōu)橘e漢流體,此時粘度已經(jīng)超過2500mPas,不可能降低到最佳數(shù)值了。但僅從流型的角度來看,脹塑性消失對漿體流變性能的改善還是有利153045607590105120135150剪切速度(l/s)圖1漿體在不同空化作用時間下的流變曲線(1)超聲波空化作用使水煤漿發(fā)生高頻疏密圖中p- untreated(S)代表未處理的原漿變化,從而產生剪切力;同時空化作用后瞬時釋放的大量能量使?jié){體粒度變細,顆粒分散程度得到改善。(2)超聲波作用對水煤漿的流變特性影響明顯。隨著空化作用時間的增加,脹塑性水煤漿表觀粘度升高,最終結果是多種因素的影響此消彼長后所體現(xiàn)出來的綜合作用結果304560105120135150(3)超聲波空化作用在適宜條件下可以改善粒度/μ水煤漿的流型。圖2漿體在不同空化作用時間下的粒度微分分布曲線參考文獻1]李永昕,超聲輻照對水煤漿漿體各性質的影響規(guī)律及其對于脹塑性煤漿,第一種作用顯然會使其表作用機理研究[D].太原:中國科學院山西煤炭化學研觀粘度升高,但是由于空化作用造成的粒度變細會帶來其它影響。首先,細粒級增加對于漿體的2]劉玉英,等,超聲波強化水煤漿制備方法的研究[J]穩(wěn)定性是明顯有利的,因為這可以使靜置時煤粒燃料化學學報,1996,24(4):360~3633]何祚鏞,趙玉芳,聲學理論基礎[M].北京:國防工業(yè)的堆積更加緊密,阻礙了粗顆粒的沉淀;其次,中國煤化工空化作用造成的細粒級的增加必然導致煤粒的比CNMHG北京:科學出版社表面積增大,這樣就增加了煤粒間相互接觸的面積,從而對粘度有兩種影響趨勢:(1)增加了煤