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(shí)間對(duì)水煤漿流變特性影響的研究曾鳴嗚,向亨裕1,范垂鋼(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083;2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所,北京100080)摘要:介紹了超聲波空化作用機(jī)理,研究了超聲波不同空化作用時(shí)間對(duì)水煤漿流變特性的影響,隨著空化作用時(shí)間的增加,水煤漿表觀粘度升高,粒度變細(xì),溫度升高,而最終結(jié)果是多種因素影響后而體現(xiàn)出的綜合結(jié)果。關(guān)鍵詞:水煤漿;超聲波;超聲空化;流變性;粘度中圖分類號(hào):TQ536文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005.8397(2006)03-00203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(qiáng)度最為薄弱的地方,空化作用減小環(huán)境污染的同時(shí)又能像油一樣儲(chǔ)運(yùn)、霧化首先從這些地方開始,這樣氣泡本身就充當(dāng)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(guò)液體分子流變性及穩(wěn)定性的漿體。超聲波強(qiáng)化處理技術(shù)是的內(nèi)聚力來(lái)產(chǎn)生真空區(qū)(空穴)了。改善水煤漿流變特性的新技術(shù),中科院山西煤化1.2超聲空化的空化閾所李永昕等人曾對(duì)此技術(shù)進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的研設(shè)交變聲壓的振幅值為P,則液體中壓強(qiáng)究,并得出一些有意義的結(jié)果12)的變化為P±Pn,定義使液體空化的最低聲強(qiáng)1超聲波強(qiáng)化處理水煤漿的聲學(xué)原理和聲壓幅值為空化閾P(yáng),只有Pm>P時(shí)才會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓,負(fù)壓超過(guò)液體強(qiáng)度時(shí)才能發(fā)生空化1.1超聲波空化作用機(jī)理經(jīng)理論推導(dǎo)3得出:當(dāng)超聲波的交變聲壓在液體中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)(2a/R0)3稀疏和密集狀態(tài)。密集狀態(tài)時(shí),液體受到正壓力P= Po+P+33VPo-P+(20/R0)(約幾個(gè)大氣壓)作用;稀疏狀態(tài)時(shí),液體受到拉式中:P、為蒸汽壓;R0為氣泡初始半徑;a為力即負(fù)壓力作用,因此液體相應(yīng)發(fā)生壓縮和膨脹。當(dāng)負(fù)的聲壓幅值超過(guò)液體分子的內(nèi)聚力時(shí),表面張力由此可見(jiàn),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(duì)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(nèi)部只有液體蒸汽,并且在微氣泡半徑的大小及分布不同時(shí),空化閾也不聲壓的負(fù)半周內(nèi)膨脹,隨后又突然破滅(猛然閉合),同時(shí)伴隨有能量的釋放,而且釋放率非常同。當(dāng)聲壓超過(guò)空化閾而引發(fā)空化現(xiàn)象后所釋放高,伴有激波傳播,使液體局部產(chǎn)生升溫。一般的巨大能量將對(duì)水煤漿固液分散體系的細(xì)度和流變特性產(chǎn)生重大影響,下面通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究具體液體中都含有一定的氣體,形成一些微小氣泡,影響過(guò)程。收稿日期:200602-102實(shí)驗(yàn)過(guò)程作者簡(jiǎn)介:曾鳴(1957-),男,四川內(nèi)江人1999年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))礦物加工工2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備程專業(yè),工學(xué)博士,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備有:JY92-IIS型超聲波細(xì)工程學(xué)院副教授,電話:010-62331444轉(zhuǎn)8121。胞粉碎機(jī)、NXS-11型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)、LS-C2006年第3期曾鳴,等:超聲波空化作用時(shí)間對(duì)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(shí)驗(yàn)室用小型球磨機(jī)。啟定時(shí)設(shè)定開關(guān)。當(dāng)超聲輻照達(dá)設(shè)定時(shí)間后會(huì)自2.2樣品制備動(dòng)停止,輻照時(shí)間分別設(shè)定為2min、5min、釆用雙鴨山煤樣,利用實(shí)驗(yàn)室的小型球磨機(jī)10min、15min和20min。取出不同輻照時(shí)間的干法磨制兩種粒度級(jí)的煤粉,按照不同級(jí)配調(diào)制水煤漿,測(cè)定其粒度和粘度,繪制流變曲線,并水煤漿,煤漿質(zhì)量百分比濃度約65%~68%。與處理前原漿的流變曲線進(jìn)行對(duì)比。2.3實(shí)驗(yàn)方法3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析按粗、細(xì)顆粒比為1:1的比例,取504g破碎煤樣,加2.88g2126分散劑和230.4g水混為方便起見(jiàn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào),如g-05合調(diào)漿,實(shí)測(cè)原漿濃度為68.24%。將150(S)中p代表表觀粘度;05代表處理時(shí)間為200mL水煤漿盛于燒杯中,把燒杯放人超聲波min;(S)表示μ是剪切率S的函數(shù)。細(xì)胞粉碎機(jī)的托盤上。調(diào)節(jié)托盤高度,使粉碎機(jī)實(shí)驗(yàn)所測(cè)漿體在不同空化作用時(shí)間下的流變的超聲變幅桿頭部浸入水煤漿中一定深度,調(diào)整特性參數(shù)見(jiàn)表1,粒度特征參數(shù)見(jiàn)表2,漿體的輸出功率至所需的數(shù)值。打開粉碎機(jī)電源,設(shè)定表觀粘度與剪切速率之間的關(guān)系見(jiàn)圖1,粒度微好自動(dòng)計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)以后,調(diào)節(jié)相關(guān)諧振裝置。分分布曲線見(jiàn)圖2。當(dāng)聽(tīng)到尖銳的“咝咝”聲音時(shí),表明在一定功率表1漿體在不同空化作用時(shí)間下的表現(xiàn)粘度和流型數(shù)據(jù)(處理強(qiáng)度600WX70%空化作用時(shí)間/mim原漿20,579831.761825c-042.120798e-045.738846e-059.103673e-050,5380201K0.5644750,77853630.88890871.6913942.5738671.1787151.2237011.145707,07739S100/mPa.s291,312181.121738.892017.132331.152579,25注:表中r,為屈服應(yīng)力,K為稠度系數(shù),N為流變特性指數(shù),p是表觀粘度,H-5100是指剪切速率為10061時(shí)水煤漿的表觀粘度表2不同空化作用時(shí)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(shí)間/min原漿25101520聲波作用之后漿體的粒度變細(xì)了。原漿的比表面比表面積/m2kg193997398010161013積為939m2/kg,處理2min、5min、10min的漿平均粒度D(3,2)/pm7.307.047.006.756.776.72平均粒度D(4,3)/m22.9219.4320.6217.5719.0719.14體比表面積增加最多,時(shí)間繼續(xù)增加,粉碎效果x/m23.4320.4321.2818.6419.8219.86不再明顯。從圖2可以看出,超聲波處理過(guò)的樣50.9341.95452837.3041.5141.品中,小于30ym的細(xì)粒級(jí)含量明顯高于原漿中D5/m3.7226.9528.6124.4126.4526.54該粒級(jí)的含量,但是處理時(shí)間和漿體粒度之間并D0/m16.7214.8515.3513.6814.4214.非成線性關(guān)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,用千輻照過(guò)的樣品的溫度明顯升高,從而證實(shí)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(yīng)。隨著剪切速率的增高,漿體粘度也會(huì)增加。表觀這些結(jié)果是由于水煤漿經(jīng)超聲空化作用后產(chǎn)粘度隨超聲波作用時(shí)間的增加而增高,中間雖然生的能量被瞬間釋放出來(lái),以及超聲波引起漿體略有波動(dòng),但大的趨勢(shì)不變,而且所有處理過(guò)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(huì)在1s內(nèi)作兩萬(wàn)次疏密變化,這當(dāng)超聲波作用20min后,漿體的流型發(fā)生了是比較強(qiáng)的剪切作用)所致。本來(lái)就已呈現(xiàn)屈服轉(zhuǎn)變:從屈服脹塑性流體變?yōu)橘e漢流體(N=1),脹塑性的漿體在超聲波的高頻剪切下,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(jí)作用——粉碎效應(yīng)會(huì)使細(xì)粒級(jí)煤粒增加,煤漿的粒度級(jí)配發(fā)生改44煤炭加工與綜合利用2006年第3期變。當(dāng)這種改變積累到一定程度后就會(huì)發(fā)生流型粒間的內(nèi)摩擦力,而表觀粘度正是顆粒內(nèi)摩擦力轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)漿體所含顆粒的粉碎及空化釋用帶來(lái)的空化效應(yīng)使煤粒進(jìn)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(xì)、比表面積增大。當(dāng)作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(如流型的水煤漿,彼此消長(zhǎng)造成了最后的實(shí)驗(yàn)20mn)導(dǎo)致過(guò)粉碎現(xiàn)象發(fā)生時(shí),在不補(bǔ)加分散結(jié)果。劑的條件下,相同質(zhì)量的水煤漿必然消耗更多的分散劑,從而導(dǎo)致分散劑用量相對(duì)不足。綜上所述,對(duì)脹塑性煤漿進(jìn)行處理易造成內(nèi)摩擦力增大(粘度上升)的效應(yīng)超過(guò)分散劑的降粘效應(yīng)。這樣,增粘因素占了優(yōu)勢(shì),煤漿的粘度升高。當(dāng)超聲波功率加強(qiáng),作用時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),在600W70%、20min這一試點(diǎn)處水煤漿的脹塑性消失,變?yōu)橘e漢流體,此時(shí)粘度巳經(jīng)超過(guò)2500meated/S不可能降低到最佳數(shù)值了。但僅從流型的角度來(lái)看,脹塑性消失對(duì)漿體流變性能的改善還是有利7590105120135150剪切速度(l/s結(jié)論圖1漿體在不同空化作用時(shí)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μ- untreated(S)代表未處理的原漿變化,從而產(chǎn)生剪切力;同時(shí)空化作用后瞬時(shí)釋放的大量能量使?jié){體粒度變細(xì),顆粒分散程度得到改善(2)超聲波作用對(duì)水煤漿的流變特性影響明顯。隨著空化作用時(shí)間的增加,脹塑性水煤漿表觀粘度升高,最終結(jié)果是多種因素的影響此消彼長(zhǎng)后所體現(xiàn)出來(lái)的綜合作用結(jié)果。53045607590105120135150(3)超聲波空化作用在適宜條件下可以改善粒度/μm水煤漿的流型圖2漿體在不同空化作用時(shí)間下的粒度微分分布曲線參考文獻(xiàn)1]李永昕,超聲輻照對(duì)水煤漿漿體各性質(zhì)的影響規(guī)律及其對(duì)于脹塑性煤漿,第一種作用顯然會(huì)使其表作用機(jī)理研究[D].太原;中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研觀粘度升高,但是由于空化作用造成的粒度變細(xì)會(huì)帶來(lái)其它影響。首先,細(xì)粒級(jí)增加對(duì)于漿體的2]劉玉英,等,超聲波強(qiáng)化水煤漿制備方法的研究[J穩(wěn)定性是明顯有利的,因?yàn)檫@可以使靜置時(shí)煤粒燃料化學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(4):360~363的堆積更加緊密,阻礙了粗顆粒的沉淀;其次,[3]何祚鏞,趙玉芳,聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981空化作用造成的細(xì)粒級(jí)的增加必然導(dǎo)致煤粒的比4]張榮曾.水煤漿制漿技術(shù)[M].北京:科學(xué)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(duì)粘度有兩種影響趨勢(shì):(1)增加了煤