Прогнозирование зависимости параметров водоугольного топлива от состава и уровня зольности твердой фазы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.7:622.333 оп ЗКК 2012 май 50(91) с. 147-153

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПАРАМЕТРОВ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ОТ СОСТАВА И УРОВНЯ ЗОЛЬНОСТИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

В.Г. САМОЙЛИК

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Основными технологическими характеристиками водоугольного топлива (ВУТ) являются теплотворная способность, текучесть и седиментационная устойчивость в процессе длительного хранения. Повышение калорийности топлива сокращает удельные затраты на его сжигание, способствует сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Увеличения теплотворной способности ВУТ можно добиться повышением содержания твёрдого в суспензии и снижением зольности твёрдой фазы.

Рост концентрации твёрдой фазы неразрывно связан с увеличением вязкости водоугольного топлива. При определённых её значениях, соответствующих второй критической концентрации структурообразования [1-2], суспензия теряет текучесть, способность к транспортированию по трубопроводам и распыливанию в топках котлов. Следовательно, в процессе разработки технологии получения ВУТ необходимо учитывать зависимость реологических параметров суспензии от содержания в ней твёрдой фазы.

Снижение зольности твёрдой фазы ВУТ связано с подбором оптимальной технологической схемы обогащения. Процессы, в которых используются аполярные реагенты, оказывают отрицательное воздействие на реологические параметры водоугольного топлива [3-4]. Кроме того, глубина обеззоливания угля определяется его обогатимостью и технологическими возможностями существующих методов обогащения.

Важной составляющей при выборе схемы обогащения является экономическая целесообразность достижения минимального уровня зольности твёрдой фазы. Использование энергоёмких обогатительных процессов может отрицательно сказаться на себестоимости конечного продукта (ВУТ). Необходимо также учитывать влияние степени обеззоливания на текучесть и устойчивость водоугольной суспензии.

В связи с этим определение зависимости реологических параметров водоугольного топлива от концентрации, состава и уровня зольности твёрдой фазы является актуальной научной и практической задачей.

Анализ исследований и публикаций. Концентрация твёрдой фазы является одним из основных факторов, определяющих свойства высокодисперсных систем, к которым относится и водоугольное топливо. По мере повышения концентрации дисперсной фазы структурная вязкость и прочность дисперсной системы возрастает вследствие увеличения числа контактов между частицами в единице объёма. В связи с этим повышается структурная устойчивость дисперсных систем, увеличивается скорость тиксотропного восстановления разрушенной структуры.

Полная тиксотропная обратимость сохраняется в коагуляционных структурах лишь до определенного в каждом конкретном случае сочетания значений объёмного содержания цс2 (вторая критическая концентрация структурообразования) и дисперсности частиц твердой фазы Sкр в жидкой среде. При увеличении ц и S выше этих значений вначале исчезает способность к тисотропному восстановлению во всем объёме деформируемой системы, а по мере последующего относительного снижения содержания жидкой среды в дисперсной системе она теряет высокоэластические, а затем и пластические свойства [5].

Уровень содержания минеральных примесей и их состав также оказывает существенное влияние на реологические параметры высококонцентрированных водоугольных суспензий. Как показали результаты выполненных ранее исследований [6], снижение зольности угля способствует повышению текучести водоугольного топлива. Кроме того, степень влияния содержания минеральных примесей на реологические характеристики ВУТ определяется их составом. Установлено [7], что минералы групп слюды и монтмориллонита отрицательно влияют на стабильность реологических параметров ВУТ во времени. Добавки в твёрдую фазу водоугольных суспензий каолинита и кварца существенно не изменяют их реологические параметры. Однако в присутствии кварца снижается седиментационная устойчивость дисперсных систем.

Следовательно, при разработке технологии обогащения углей, используемых для приготовления ВУТ, определении глубины их обеззоливания необходимо учитывать влияние состава твёрдой фазы на текучесть и устойчивость водоугольного топлива.

Постановка задачи. Цель работы - прогнозирование зависимости реологических параметров водоугольного топлива от концентрации, состава и уровня зольности твёрдой фазы.

Изложение материала и результаты. Для проведения исследований использовались измельченный уголь крупностью менее 0,2 мм с зольностью 1,8 % и минеральные добавки: монтмориллонит, кварц, гидрослюда и каолинит.

Реологические характеристики суспензий измеряли на ротационном вискозиметре RHEOTEST-2 VEB MLW с использованием системы коаксиальных гладких цилиндров (S2). Радиальный зазор между наружным и внутренним цилиндрами составлял 1,13 мм, а соотношение радиусов цилиндров S = 1,06. Диапазон изменения скорости деформации (сдвига) находился в диапазоне: Э = 0,5 ч 437,4 с-1. Температура измерения реологических параметров составляла (20 ± 0,1) 0С. Получали кривые течения суспензий - зависимости изменения напряжения сдвига (Р) от скорости деформации, Р = f(Э). При этом контролировали значения эффективной вязкости зэф при Э = 9,0 с-1. Эксперименты велись в области концентраций твёрдого 62 - 66%. Содержание минеральных добавок в твёрдой фазе изменялось от 1,5 до 5%.

Для определения стабильности ВУТ образцы суспензий отстаивались в течение 48 часов в плексигласовых цилиндрах высотой 150 мм и диаметром 25 мм. По истечении времени выдержки цилиндры помещались в холодильную камеру и находились в ней до полного замерзания суспензии. От замёрзших образцов отделялись верхняя и нижняя части высотой по 50 мм. По стандартной методике (ГОСТ 11014-98) определялась концентрация в них твердой фазы.

Оценка седиментационной устойчивости ВУТ осуществлялась при помощи коэффициента стабильности:

где Сн, Св - концентрация твердой фазы в нижней и верхней частях цилиндра.

Суспензии считаются стабильными при К ? 1.

Исследование совместного воздействия минералов различной природы на реологические свойства ВУТ проводилось на основании Д-оптимального симплекс-решетчатого плана типа (4.3). В качестве варьируемых параметров принято содержание минералов в неорганической части твёрдой фазы водоугольной суспензии: х1 - монтмориллонита, х2 - гидрослюды, х3 - каолинита, х4 - кварца. В качестве выходных переменных - эффективная вязкость зэф (у1) при скорости сдвига 9 с-1 и коэффициент стабильности К (у2).

Для описания математической модели использовался неполный полином третьей степени вида

Коэффициенты моделей определялись по следующему алгоритму:

В табл. 1 представлен план и результаты исследований свойств ВУТ при концентрации твёрдой фазы 65 % и содержании минеральных добавок 5 %. В каждой точке плана опыты дублировались.

Таблица 1. План и результаты исследований

На основании данных табл. 1 и выражений (2; 3) были рассчитаны коэффициенты и составлена математическая модель для параметров зэф и К.

Проверка адекватности полученных моделей осуществлялась по результатам опытов в проверочной точке (опыт 15). Выполненные расчеты подтвердили адекватность полученных моделей.

Аналогичные исследования были проведены и для других значений содержания минеральных примесей в твёрдой фазе ВУТ: n = 4,0; 3,5; 2,5; 1,5 %. теплотворный водоугольный топливо вязкость

Полученные математические модели, адекватно описывающие зависимость эффективной вязкости и коэффициента стабильности от содержания и состава минеральных примесей, дали возможность оценить влияние каждой составляющей на реологические параметры ВУТ.

Т. к. графическое изображение диаграммы состав-свойство для четырёхкомпонентной смеси затруднено на рис. 1 представлены диаграммы, описываемые выражениями (4; 5) при нулевом содержании одного из минеральных компонентов. Эти плоскости являются гранями полученных объёмных моделей.

Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости (зэф) и коэффициента стабильности водоугольного топлива (К) от состава неорганической части углей при концентрации твердой фазы 65 % и содержании минеральных добавок 5 %.

Из рис. 1 следует, что при концентрации твердой фазы 65 % и содержании минеральных добавок 5 % суспензия с требуемыми реологическими характеристиками может быть получена в весьма узкой области соотношений между минеральными компонентами. Эта область ограничена контурными кривыми, соответствующими значениям вязкости зэф ? 1 Па*с и коэффициента стабильности К ? 1. Даже незначительное (менее 7-8 %) содержание в минеральной смеси монтмориллонита приводит к увеличению вязкости системы выше предельной величины.

Снижение содержания минеральных примесей в твёрдой фазе ВУТ до n = 1,5 % существенно расширяет область на диаграммах состав - свойство, соответствующую приемлемым реологическим характеристикам водоугольного топлива (рис. 2).

Наличие в твёрдой фазе кварца вызывает дестабилизацию суспензий. Стабильные системы получаются только в тех случаях, когда его содержание в минеральной составляющей менее 40-60 %.

Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости (зэф) и коэффициента стабильности водоугольного топлива (К) от состава неорганической части углей при концентрации твердой фазы 65 % и содержании минеральных добавок 1,5 %.

При любых соотношениях минеральных компонентов коэффициент стабильности не превышает 1. Единственным ограничением является вязкость суспензии, которая при отсутствии в системе монтмориллонита имеет значения менее 1 Па*с (рис. 2г). В дисперсиях с примесями каолинита, монтмориллонита и кварца требуемая текучесть достигается при содержании монтмориллонита менее 22 - 42 %. Присутствие в смеси гидрослюды приводит к некоторому снижению этого порогового содержания (рис. 2а, б).

Для более полного представления о характере изменения свойств водоугольных суспензий в присутствии различных минералов были проведены эксперименты при концентрациях твёрдой фазы 66, 64, 63 и 62 %. На основании адекватных математических моделей были построены диаграммы состав-свойство для всех исследуемых значений концентраций твёрдого и содержания в нём минеральных примесей. Полученные контурные кривые позволили установить следующее.

Снижение концентрации твёрдого увеличивает область соотношений между минеральными компонентами, в которой вязкость не превышает 1 Па*с. Этому же способствует уменьшение зольности твёрдой фазы. Как и при Ств = 65 % наибольшее влияние на увеличение вязкости дисперсных систем оказывают монтмориллонит и гидрослюда.

Снижение вязкости водоугольных суспензий по мере уменьшения концентрации твёрдого сопровождается ухудшением их седиментационной устойчивости. Ослабление структурного каркаса в результате увеличения водной прослойки между частицами приводит к частичному расслоению водоугольных суспензий. Под действием гравитационных сил в нижнем слое концентрируются наиболее крупные угольные частицы. Процесс расслоения активизируется при наличии в системе кварца. В суспензиях с концентрацией твёрдого 62 % и n = 5 % стабильность достигается при содержаниях кварца в неорганической фазе в основном менее 5-10 %. Снижение количества минеральных примесей до n = 1,5 % способствует некоторому расширению допустимого диапазона соотношений между минеральными компонентами в твёрдой фазе.

Следовательно, в разбавленных высококонцентрированных водоугольных суспензиях при выборе оптимального, с точки зрения реологии, состава твёрдой фазы определяющее значение имеет коэффициент стабильности, который уменьшается по мере сокращения в дисперсиях содержания кварца.

Выполненные на модельных системах исследования дают основание для разработки обоснованного подхода к прогнозированию реологических характеристик водоугольных суспензий в зависимости от состава их неорганической части и общего удельного веса негорючих компонентов в топливе.

Знание такой зависимости необходимо для определения целесообразного уровня обеззоливания исходного угля, расчета затрат на транспортирование по трубопроводам и сжигание ВУТ с различным уровнем зольности. Особую актуальность вопросы прогнозирования приобретают в тех случаях, когда определение зависимости между свойствами твёрдой фазы и реологическими параметрами водоугольной суспензии нельзя провести на основании прямых реологических исследований. Такое положение возможно при исследовании в качестве сырьевой базы углей перспективных, неразработанных месторождений, или когда для получения ВУТ предлагается использовать шихту углей различных шахт и разрезов, отбор представительной пробы которых затруднён.

Основная концепция предлагаемой методологии следующая.

Первоначально методами петрографического и рентгеновского дифрактометрического анализов определяется состав минеральной фазы исследуемых углей. При этом могут быть использованы керновые пробы, полученные при геологической разведке перспективных месторождений. НА основании процентного соотношения между минеральными компонентами по диаграммам состав-свойство находится ориентировочный диапазон концентраций твёрдого, при которых суспензии имеют требуемые реологические характеристики. По формуле (2), с учётом найденных ранее коэффициентов математических моделей, вычисляются значения эффективной вязкости и коэффициента стабильности для различных значений концентрации и зольности твёрдой фазы. Данные расчёты используются для построения зависимостей з = f(Ad) и К = f(Ad). Определяются значения зольности, соответствующие требуемой вязкости и коэффициенту стабильности, и для этих величин строятся зависимости Ств = f(Ad). Аппроксимация кривых Ств (Ad) позволяет установить математическую зависимость между уровнем зольности твёрдой фазы ВУТ и её реологическими параметрами (в частности концентрацией твёрдой фазы при требуемых значениях вязкости и коэффициента стабильности).

Графическая иллюстрация предлагаемого метода определения зависимости Ств = f(Ad) представлена на рис. 3.

Выводы и направления дальнейших исследований. Таким образом, в результате выполненных исследований установлена зависимость между составом твердой фазы ВУТ и её реологическими параметрами.

Выполненные на модельных системах исследования были использованы при разработке методики прогнозирования реологических характеристик водоугольных суспензий в зависимости от состава их неорганической части и общего удельного веса негорючих компонентов в топливе.

Данная методика может быть использована для определения целесообразного уровня обеззоливания исходного угля, расчета затрат на транспортирование по трубопроводам и сжигание ВУТ с различным уровнем зольности.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку технологий обогащения углей, способствующих получению твердой фазы ВУТ с заданным уровнем зольности.

Рис. 3. Иллюстрация методики определения зависимости Ств = f(Ad) при задан-ных значениях вязкости (зэф = 1 Па*с) и коэффициента стабильности (К?1)

Список литературы

1. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов.- М: Химия, - 1988 - 256 с.

2. Физико-химическая механика дисперсных минералов / Под ред. Н. Н. Круглицкого. - Киев: Наукова думка, 1974. - 246 с.

3. Самойлик В.Г., Назимко Е.И. Исследование воздействия аполярых реагентов на текучесть водоугольных суспензий/ Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. - 2012. - Вип. 50 (91). - С. 147-153.

4. Самойлик В.Г. Исследование влияния омасливания угольной поверхности на эффекивность действия реагентов-пластификаторов / Вісник Криворізького національного університету: Збірник наукових праць - 2012. - Вип. 33. - С. 128-131.

5. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы.- М: Химия, - 1980 - 360 с.

6. Елишевич А.Т. Исследование влияния содержания минеральных примесей на реологические свойства водоугольных суспензий / А.Т. Елишевич, Н.Г. Корженевская, В.Г. Самойлик, С.Л. Хилько // Химия твердого топлива. - 1988 - № 5 - С. 130-133.

7. Самойлик В.Г. Исследование закономерностей образования коагуляционных структур в водоугольных суспензиях / Вісник Криворізького національного університету: Збірник наукових праць - 2013. - Вип. 34. - С. 114-120.

Размещено на Allbest.ru