第34卷第1期燃料化學(xué)學(xué)報(bào)Vol 34 No. I2006年2月Journal of Fuel Chemistry and TechnolFeb.2006文章編號(hào):0253-24092006)01-00050煤孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響分析尉遲唯,李保慶,李文,陳皓侃〔中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原0300)摘要:通過三種不同的方泫CO2吸附法、N2吸附法和壓汞法〕測(cè)試了不同變質(zhì)程度煤的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析了煤的孔結(jié)構(gòu)特性與水煤漿性質(zhì)之間的關(guān)系。結(jié)果表明煤的孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響較為復(fù)雜主要是煤的大孔結(jié)構(gòu)對(duì)煤漿成漿性的影響。在相近的孔體積和孔徑分布下煤的成漿性差別較大?？捉Y(jié)構(gòu)特性本身作為一個(gè)獨(dú)立的因素不能完全體現(xiàn)岀對(duì)水煤漿性質(zhì)旳影響程度與煤的表面性質(zhì)如含氧官能團(tuán)性質(zhì)、煤表面的疏水性以及煤的吸水性等密切相關(guān)共同影響著水煤漿的性質(zhì)。關(guān)鍵詞:孔結(jié)構(gòu);水煤漿;煤的表面性質(zhì)中圖分類號(hào):TQ530文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AEffect of pore structure on the properties of coal water slurryYUCHI Wei, LI Bao-qing, LI Wen, CHEN Hao-kanState Key Laboratory of Coal Comversion, Institute of Coal Chemistry Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China)Abstract: Pore structure of Chinese coals with various ranks was characterized with three analytical methodscarbon dioxide adsorption, nitrogen adsorption, mercury method ) and its effect on the properties of coal waterslurry( CWs ) was discussed. The results indicate that there is less correlativity between the pore structure andthe properties of CWS. Different slurryabilities of CWs are found for coals with similar pore volume and poresize distributions. The properties of Cws is dependent on not only coal pore structures itself but also the surfacefeatures of physical chemistry such as the content of oxygen-containing functional groups coal-water contact angle and the moisture-holding capacity of coalKey words: coal pore structure coal water slurry surface properties of coal煤是一種復(fù)雜的多孔性固體根據(jù)煤分子結(jié)構(gòu)系進(jìn)行了較全面的研究。特征煤的基本結(jié)構(gòu)單元是由芳環(huán)或氫化芳環(huán)組成,1實(shí)驗(yàn)方法并通過橋鍵在三維空間排列形成具有豐富空隙度的1.1煤種的選擇選擇了中國(guó)不同地區(qū)、不同變質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。這些孔可分為大孔、中孔和微孔大孔可至微米級(jí)小孔可小至氦都不能進(jìn)入。研究者認(rèn)程度的煤其水煤漿的制備及煤漿的性質(zhì)見文輔5為12煤的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)煤的成漿性有著重要影1.2煤的孔結(jié)構(gòu)測(cè)試響。吳家珊等用N,吸附法測(cè)定了三個(gè)煤樣的比1.2.1微孔體積法在78℃用 MODEL ST03表表面積和孔體積認(rèn)為對(duì)水煤漿性質(zhì)起主要作用的面吸附儀,以CO2氣氛測(cè)定煤的比表面積及孔體的性質(zhì)無相關(guān)性而對(duì)孔徑大于30m的作用未進(jìn)② Polanyi-Dubinin(PD)方是孔半徑在2.0m~30m的中孔微孔與水煤漿行研究。孫成功等3則認(rèn)為煤的成漿性主要取決1.2.2N,等溫吸附法樣品60℃真空干燥3h于煤的孔體積和煤水接觸角余弦值的乘積。以往關(guān)然后在室溫1.3Pa下預(yù)處理5.0h~6.0h,利用于煤孔結(jié)構(gòu)與煤成漿性的關(guān)聯(lián)都是建立在單一手段ASAP000吸附儀在氮?dú)鈿夥铡?7K采用BET法測(cè)定煤的孔分布對(duì)煤孔結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)上本文在前期工作的基礎(chǔ)1.2.3壓汞法樣品預(yù)先在60℃真空干燥72h,上3用三種方法即CO2吸附法DP方程入N2吸用 Autoscan60 Mercury porosimeter i型壓汞儀測(cè)定煤附法BET容量法)和壓汞法分析了不同煤種的的孔結(jié)構(gòu)分布測(cè)定條件為表面張力0.48N/m汞孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)煤的孔結(jié)構(gòu)特性與水煤漿性質(zhì)間關(guān)在煤表面的接觸角140°壓力400mPa收稿日期:2005404408;修回日期:2005-10-12。6燃料化學(xué)學(xué)報(bào)第34卷2結(jié)果和討論質(zhì)的影響回歸結(jié)果如下2.1煤的孔體積與比表面積對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響煤的孔體積對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響三種不同方法測(cè)試的煤比表面積及孔體積結(jié)果見表成漿性1。由表1可以看出不同變質(zhì)程度煤的孔體積和比回歸方程表面積差別較大,般煤的孔體積分布以大孔為主。C=78.08+30.4ω2]-365.6]47.7%tm]多元線性回歸是研究一個(gè)因變量與多個(gè)自變量之間復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.735的相關(guān)關(guān)系因此根據(jù)不同的測(cè)試分析結(jié)果以水平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=2.91煤漿的成漿性、流變性、穩(wěn)定性為因變量以不同方偏相關(guān)系數(shù)法所測(cè)試的煤孔體積和比表面積為自變量利用多Ro2=0.490Rx2=O.760Rmg=0.897元線性回歸方法分析了煤的孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)水煤漿性表1不同方法測(cè)試的煤比表面積及孔體積Table 1 The surface area and pore volume of different coals measured by different methodsCO, adsorptionNitrogen adsorptionMercury methodA/m gmle/ml gA//ml gHM0.012534.300.16640.0283CCH33.10.0160.006725.520.18630.0200.00660.154326.270.0901DSH74.30.03448.430.1238HH0.0210.0069XH0.0180.008415.930.1635100.024706190.0160.00490.08280.01370.0413YZH0.0074B0.0080.860.00290.1126HN32.60.0141.490.00750.103816XW27.60.0122.100.01100.134537.50.0161.570.00740.10230.0104.530.014621.510.091934.00.0140.00990.160213.20.001117.730.054850.50.2102.350.011014.047.60.0220.580.001914.680.0558ZB2.310.0103YQ57.00.0220.004322.160.1021B JH cumulative desorption pore volume of pores diameter between 1. 7 nm and 3000 nm流變性回歸方程回歸方程=0.93-12.4tco,]+5.14UN,]+100.8t12+1.1tco,]-10.5兀tN,]3.42tm2]復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.451復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.569平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=7.65平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.23偏相關(guān)系數(shù)偏相關(guān)系數(shù)Rco,=0.087R,=0.0062R=0.852式中煤漿成漿性(%);揲煤漿穩(wěn)定尉遲唯等:煤孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響分析吸附法所測(cè)孔體積;m。壓汞法所測(cè)孔體積。復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.0849煤的比表面積對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=8.54成漿性偏相關(guān)系數(shù)回歸方程Rco2=0.246Rx2=0.119Rag=0.0675C=73.46+0.I[Ac,]0.29A,]0.3Am]式中:Ac,:O2吸附法所測(cè)表面積,N2吸附法復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.751所測(cè)表面積;A}。壓汞法所測(cè)表面積。平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=2.83由回歸結(jié)果可以看出水煤漿的成漿性與煤的偏相關(guān)系數(shù)孔體積和比表面積之間有一定的相關(guān)性而穩(wěn)定性Rco2=0.844Rx2=0.339Rmg=0.928和流變性與煤的孔體積和比表面積之間的回歸效果流變性較差并且主要是大孔體積和表面積對(duì)煤成漿性質(zhì)回歸方程的影響。因此煤孔結(jié)構(gòu)本身作為一個(gè)獨(dú)立的因素不N=0.93+0.0045Aω]0.002匯A]o.00A]能完全體現(xiàn)出對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響程度。復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.2732.2煤的孔徑分布對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響平均標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.272.2.1氮?dú)獾葴匚椒y(cè)定孔分布特性對(duì)水煤漿偏相關(guān)系數(shù)性質(zhì)的影響圖1(a)~圖I(c)是氮?dú)馕椒y(cè)得Rco,=0.550Rx,=0.0349R1=0.456煤的BJH孔徑分布曲線。表示煤表面疏水性性質(zhì)穩(wěn)定性的含氧官能團(tuán)(-COOH、OH)煤水接觸角θ)和表回歸方程示煤吸水性性質(zhì)的煤最高內(nèi)在水分(MHC)的分析0=12450.05Aa23]+0.29A]0.02tAh1]以及煤漿濃度Con.)表20.01200800080006-4-HB-MYKF-DT00040.004004002E00000000Pore diameter d/nmPore diameter d/nmPore diameter d/nm圖1BET法測(cè)試的BJH孔分布Figure 1 Pore size distribution of different coals by desorption表2煤性質(zhì)分析布均集中在3mm~5mm和60nm~80mm且孔體積Table 2 Analysis of coal properties較小。從表2中的數(shù)據(jù)可知這3種煤均具有較高Sample -COOHMHC Con的疏水性和較低的吸水性煤的成漿性均在72%以0002.872.320.272.373.66上。圖1(b)表2中的數(shù)據(jù)表明3種煤具有相似0.0l2.的孔徑分布平均孔徑均在3m~5mm且均具有較SH0.151.18010.760.49高的孔體積、較低的疏水性和較高的吸水性煤的成12.漿性均低于65%。而在圖1(c)中在相近的孔體0.040.596.163.950.143.1112.665.25積和孔徑分布下煤的成漿性有較大的差別。CCHMYK0.040.27煤的濃度僅為65.25%這是因?yàn)槠漭^低的疏水性和00.13982.5609較高的吸水性洏ST煤的濃度達(dá)到76.09%兩個(gè)HB0.010.224.82煤漿的濃度相差達(dá)10%這是由于S煤具有較高不同變質(zhì)程度煤的表面性質(zhì)有很大差異由于的疏水性和較低的吸水性。一般較小的總孔體積煤的最高內(nèi)在水分(MHC)大約等于相對(duì)濕度96%具有較高的成漿性并且與煤的表面性質(zhì)密切相關(guān)。下煤在水中的吸水量6。因此用煤的MHC表示2.2.2壓汞法測(cè)定孔分布特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影燃料化學(xué)學(xué)報(bào)第34卷〔c)。含氧官能郾(-COOH、-OH煤水接觸角θ)大孔體積較多且具有較低的疏水性和較高的吸水和煤最高內(nèi)在水分〔MHC)的分析以及煤漿濃度性煤漿濃度較低。在圖2(b)中3種煤的孔體積〔Con.)見表3。與氮?dú)獾葴匚椒y(cè)定的孔徑分布較小大孔孔徑分布相似,且煤的吸水性較低、疏水特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響具有相似的結(jié)果。由圖2性較高煤漿均具有較高的濃度。圖α(c)中3種煤a)中可以看出3個(gè)煤樣中ST、邗B煤含有較少的具有相近的孔體積和相似的大孔孔徑分布由于煤大孔結(jié)構(gòu)且具有較髙的疏水性和較低的吸水性煤吸水性和疏水性的不同煤漿濃度相差5%以上。的成漿濃度較高可達(dá)72.82%及76.09%。而BS的B2x∞·D-FF一CCH040010I000100Radius d/nmRadius dinm圖2壓汞法測(cè)試的孔徑分布Figure 2 pore radius distributions of different coals表3煤性質(zhì)分析水分的存在影響煤的加工利用。此外水分也反映了Table 3 Analysis of coal properties煤孔結(jié)構(gòu)的變化。從圖3可以看出隨著不同測(cè)試ample - -OH 0 MHC Con方法所測(cè)比表面積和最高內(nèi)在水分乘積的增大煤WI0.020.6260.05,869,63的成漿性呈指數(shù)降低。XHY0.030.4670.26.770.3Ka等21認(rèn)為如果氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布均勻且0.030.64113.04.168.60含氧官能團(tuán)隨氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,則親水SG.00.09102.72.675:47基團(tuán)的數(shù)量與壓汞法所測(cè)得的比表面積和元素分析煤是多孔性固體或多或少含有水分其含量和氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積成正比。從不同變質(zhì)程度煤的存在狀態(tài)與煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界條件密切相關(guān)而分析結(jié)果來看煤中含氧官能團(tuán)隨著氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)170e75Y-1.93e0Y=6307+14.70e0xR2-0.,742R=0.686200400501001502002503004o×MCXMHC44×MHC圖3煤的成漿性與煤的比表面積和最高內(nèi)在水分乘積的關(guān)系Figure 3 Relation between the slurryability of CWS and the product of the surface area with MHC10y=1807-16.l1l.39xy20.161573e6Y=18.091576e14XR2=0,780R2=0.851R=0.7460406Total acid group m/mmol.godpoHm/mmol‘g圖4煤中含氧官能團(tuán)與氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系尉遲唯等:煤孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響分析195+3.l9X18l+0.0l6xR0.777R=0.86800.51.01.52.0253.03.5圖5。x、t?！罙n與煤最高內(nèi)在水分的關(guān)系Figure 5 Relation of the wo X tHeY wo x AHg and the MHC of ce的增加而增加如圖4所示這表明煤的親水性主要3結(jié)語取決于表面親水基團(tuán)的數(shù)目。煤的孔結(jié)構(gòu)對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響較為復(fù)雜水此外在所研究的不同變質(zhì)程度的煤中最高內(nèi)煤漿的成漿性與煤的總孔體積和比表面積相關(guān)煤在水分與煤中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓汞法所測(cè)孔體積的的孔結(jié)構(gòu)本身作為一個(gè)獨(dú)立的因素不能完全體現(xiàn)出乘積xm以及煤中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓汞法所測(cè)對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響程度而是與煤的表面性質(zhì)如比表面積的乘積oAm均具有較好的線性關(guān)系見含氧官能團(tuán)性質(zhì)煤表面的疏水性以及煤的吸水性圖等密切相關(guān)共同影響著水煤漿的性質(zhì)。參考文獻(xiàn)[Ⅰ]吳家珊,宋永瑋,張春愛,李新生,王祖侗.煤的性質(zhì)對(duì)水煤漿特性的影吣J]燃料化學(xué)學(xué)報(bào).1987,Iξ4):298-304(wU Jia-shan, SONG Yong-wei, ZHANG Chun-ai, LI Xin-sheng, WANG Zu-tong. 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