褐煤中水分和含氧官能团对褐煤油煤浆流变性质的影响

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油煤浆的流变特性是影响煤直接液化过程中物料输送的关键工艺参数。在煤炭直接液化过程中,油煤浆的黏度会受到诸多因素的影响,导致煤浆流变性发生明显变化,甚至产生突变,影响全系统的正常运行。褐煤由于其反应性高,储量大,是适合直接液化的煤种。而褐煤中水分和氧含量较高,深入研究褐煤中水分及含氧官能团对煤浆体系流变特性的影响,可以为褐煤直接液化提供基础数据。本论文系统地考察了不同水含量和氧含量的云南褐煤油煤浆在不同剪切速率及温度下的流变特性,并通过溶胀实验揭示了油煤浆的流变机理;同时还采用化学分析法和仪器分析法测定了褐煤内部及表面含氧官能团的含量,探讨含氧官能团含量对油煤浆流变性的影响,进一步解释了氧含量不同的云南褐煤油煤浆的流变机理,得出的主要结论如下:  (1)褐煤含水率增加,油煤浆黏度先减小后增加。剪切速率不同,油煤浆浓度不同,出现黏度最低值的含水率ω也不同。在实际液化过程中,考虑到降低干燥成本,减小油煤浆黏度,确定对于中低浓度的云南褐煤油煤浆,最佳含水率值可以控制在9.00%左右。随剪切速率变化,油煤浆黏度上下行曲线之间形成滞后环,表明油煤浆体系有触变性,并且不同含水率煤浆体系触变性不同,含水率越大,触变性越显著。本实验中,不同含水率褐煤油煤浆都属于假塑性流体,且含水率对流变模型参数有一定的影响。不同含水量褐煤溶胀度变化趋势与黏度变化趋势相同,褐煤含水量小于9.00%时,褐煤孔隙率对煤颗粒与溶剂间的相互作用力的影响占据主要地位;而当褐煤含水量大于9.00%时,水分充当了很好的溶胀剂,促进了溶剂分子向煤颗粒内部的扩散,导致油煤浆黏度随水含量增加而增大。  (2)双氧水氧化(YN-H2O2)和硝酸氧化(YN-HNO3)云南褐煤氧含量增加,油煤浆黏度减小,且黏度值均小于脱矿物质煤(DC)油煤浆;空气氧化云南褐煤(YN-AIR)油煤浆黏度随氧含量增加呈现先增加后减小的趋势。随剪切时间变化,YN-H2O2、YN-HNO3和YN-AIR油煤浆黏度上下行曲线之间形成滞后环,表明油煤浆体系有触变性,并且不同氧含量煤浆体系触变性不同,氧含量越大,触变性越不明显。不同氧含量褐煤油煤浆都属于假塑性流体,氧含量对模型参数有一定的影响。YN-H2O2和YN-HNO3含氧量增加,稠度系数K减小,且K值均小于脱矿物质煤;YN-AIR油煤浆稠度系数K值随氧含量增加先增加后减小。氧化褐煤油煤浆的流动特性指数c均小于1,其中,YN-H2O2和YN-HNO3煤浆体系偏离牛顿流体的程度随氧含量增加而减小。  (3)YN-H2O2颗粒内部酚羟基(Ar-OH)官能团含量基本保持不变,而YN-HNO3颗粒内部Ar-OH官能团含量随氧化程度增加而减小,并且二者表面C-O含量总体呈现减小趋势,使煤颗粒与溶剂之间OH-π氢键作用力随褐煤氧含量增加而减小,导致油煤浆黏度减小。氧含量增加,YN-AIR颗粒内部Ar-OH及表面C-O含量先增加后减小,使煤颗粒与溶剂之间OH-π氢键作用力先增强后减弱,导致油煤浆黏度先增大后减小。YN-H2O2、YN-HNO3和YN-AIR颗粒的溶胀度随氧含量变化趋势与煤浆黏度变化趋势一致。煤颗粒与溶剂之间OH-π氢键作用力的增强,导致煤粒溶胀度增加,溶剂分子渗入煤的微孔结构间的空隙中,使煤颗粒体积增加,煤浆黏度变大。
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