超聲波空化作用時(shí)間對水煤漿流變特性影響的研究

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理,研究了超聲波不同空化作用時(shí)間對水煤漿流變特性的影響,隨著(zhù)空化作用時(shí)間的增加,水煤漿表觀(guān)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出的綜合結果。關(guān)鍵詞:水煤漿;超聲波;超聲空化;流變性;粘度中圖分類(lèi)號:TQ536文獻標識碼:A文章編號: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)又能像油一樣儲運、霧化首先從這些地方開(kāi)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(guò)液體分子流變性及穩定性的漿體。超聲波強化處理技術(shù)是的內聚力來(lái)產(chǎn)生真空區(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此技術(shù)進(jìn)行過(guò)較為系統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(xué)原理和聲壓幅值為空化閾P,只有Pm>P時(shí)才會(huì )出現負壓,負壓超過(guò)液體強度時(shí)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(shí)會(huì )出現(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為力即負壓力作用,因此液體相應發(fā)生壓縮和膨脹。當負的聲壓幅值超過(guò)液體分子的內聚力時(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(kāi)(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、出現真空區。真空區內部只有液體蒸汽,并且在微氣泡半徑的大小及分布不同時(shí),空化閾也不聲壓的負半周內膨脹,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。當聲壓超過(guò)空化閾而引發(fā)空化現象后所釋放高,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水煤漿固液分散體系的細度和流變特性產(chǎn)生重大影響,下面通過(guò)試驗來(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)驗過(guò)程作者簡(jiǎn)介:曾鳴(1957-),男,四川內江人1999年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區)礦物加工工2.1實(shí)驗設備程專(zhuān)業(yè),工學(xué)博士,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境實(shí)驗所用的設備有:JY92-IIS型超聲波細工程學(xué)院副教授,電話(huà):010-62331444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(shí)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(kāi)始,立刻開(kāi)天平和實(shí)驗室用小型球磨機。啟定時(shí)設定開(kāi)關(guān)。當超聲輻照達設定時(shí)間后會(huì )自2.2樣品制備動(dòng)停止,輻照時(shí)間分別設定為2min、5min、釆用雙鴨山煤樣,利用實(shí)驗室的小型球磨機10min、15min和20min。取出不同輻照時(shí)間的干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(xiàn),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(xiàn)進(jìn)行對比。2.3實(shí)驗方法3實(shí)驗結果與分析按粗、細顆粒比為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),對數據進(jìn)行編號,如g-05合調漿,實(shí)測原漿濃度為68.24%。將150(S)中p代表表觀(guān)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。細胞粉碎機的托盤(pán)上。調節托盤(pán)高度,使粉碎機實(shí)驗所測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,調整特性參數見(jiàn)表1,粒度特征參數見(jiàn)表2,漿體的輸出功率至所需的數值。打開(kāi)粉碎機電源,設定表觀(guān)粘度與剪切速率之間的關(guān)系見(jiàn)圖1,粒度微好自動(dòng)計時(shí)控制系統以后,調節相關(guān)諧振裝置。分分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。當聽(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)間下的表現粘度和流型數據(處理強度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,為屈服應力,K為稠度系數,N為流變特性指數,p是表觀(guān)粘度,H-5100是指剪切速率為10061時(shí)水煤漿的表觀(guān)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的細粒級含量明顯高于原漿中D5/m3.7226.9528.6124.4126.4526.54該粒級的含量,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(xiàn)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。隨著(zhù)剪切速率的增高,漿體粘度也會(huì )增加。表觀(guān)這些結果是由于水煤漿經(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(guān)粘度都明顯高于原漿的表觀(guān)粘度。理論上漿體將會(huì )在1s內作兩萬(wàn)次疏密變化,這當超聲波作用20min后,漿體的流型發(fā)生了是比較強的剪切作用)所致。本來(lái)就已呈現屈服轉變: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(xiàn)中也可看出。此現象主升高。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(huì )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(huì )發(fā)生流型粒間的內摩擦力,而表觀(guān)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(guān)表現,因此表觀(guān)粘度上升;(2)使得的表觀(guān)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(guān)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(lái)的空化效應使煤粒進(jìn)一步破碎,從而粒度放的熱量使漿體升溫。正是這些因素作用于不同變細、比表面積增大。當作用時(shí)間過(guò)長(cháng)(如流型的水煤漿,彼此消長(cháng)造成了最后的實(shí)驗20mn)導致過(guò)粉碎現象發(fā)生時(shí),在不補加分散結果。劑的條件下,相同質(zhì)量的水煤漿必然消耗更多的分散劑,從而導致分散劑用量相對不足。綜上所述,對脹塑性煤漿進(jìn)行處理易造成內摩擦力增大(粘度上升)的效應超過(guò)分散劑的降粘效應。這樣,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(shí)間延長(cháng)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值了。但僅從流型的角度來(lái)看,脹塑性消失對漿體流變性能的改善還是有利7590105120135150剪切速度(l/s結論圖1漿體在不同空化作用時(shí)間下的流變曲線(xiàn)(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)釋放的大量能量使漿體粒度變細,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(zhù)空化作用時(shí)間的增加,脹塑性水煤漿表觀(guān)粘度升高,最終結果是多種因素的影響此消彼長(cháng)后所體現出來(lái)的綜合作用結果。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(xiàn)參考文獻1]李永昕,超聲輻照對水煤漿漿體各性質(zhì)的影響規律及其對于脹塑性煤漿,第一種作用顯然會(huì )使其表作用機理研究[D].太原;中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研觀(guān)粘度升高,但是由于空化作用造成的粒度變細會(huì )帶來(lái)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穩定性是明顯有利的,因為這可以使靜置時(shí)煤粒燃料化學(xué)學(xué)報,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[M].北京:國防工業(yè)出版社,1981空化作用造成的細粒級的增加必然導致煤粒的比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,從而對粘度有兩種影響趨勢:(1)增加了煤