【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤炭开采，涉及膏体充填开采过程中充填材料的改性制备，特别涉及一种粉煤灰浆液超声改性方法及装置。
技术介绍
1、粉煤灰基充填材料是解决电厂固废堆积问题和资源回收利用的重要途径，具有非常好的推广前景。电厂为使污染气体排放达标，采用了烟气脱硝工艺，为保障脱硝效果往往会投加过量的还原剂，使未反应的氨气与烟气中so3发生化学反应，生成铵盐(nh4hso4和(nh4)2so4)残留在粉煤灰中。粉煤灰遇水形成的碱性环境促进氨气的释放并以气体形式赋存于水中，使制备成的膏体内部形成气泡，增加膏体孔隙率，降低充填膏体的抗压强度。导致膏体充入井下后易发生屈服破坏，限制了分担煤柱承载荷载的作用，给煤矿充填生产带来不利的影响。
2、此外，由于煤质不同，电厂所排放的粉煤灰中游离氧化钙/氧化镁含量存在较大差异。当用高游离氧化钙粉煤灰制备充填膏体时，充填体在养护过程中会出现龟裂、松脆等现象，使充填体强度失效。这是因为游离氧化钙、游离氧化镁遇水后，发生化学反应生成氢氧化钙和氢氧化镁包裹在游离氧化钙/镁颗粒表面形成凝胶层，延缓了水与游离氧化钙/镁的进一步反应，在随后的养护过程中水逐步与未反应的游离氧化钙/镁生成氢氧化钙/镁，出现体积膨胀使得充填体胀裂、强度失效。因此国家规范《镁渣硅酸盐水泥》(gb23933-2009)和《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(gb1596-2017)中明确对粉煤灰和镁渣用做胶凝材料时其游离氧化钙和氧化镁含量做出规定，要求游离氧化钙含量最高不超过4％，游离氧化镁不超过8％。这一要求大大限制的电厂粉煤灰用于充填材料的
3、解决高游离氧化钙粉煤灰基充填膏体在养护过程中的自膨胀和氨气释放问题，对推动粉煤灰的大规模充填开采利用意义巨大。为此，专利技术人申请了专利cn202211460123.4，其对粉煤灰制成浆液后的脱氨作用明显，也一定程度的解决了高游离氧化钙/氧化镁粉煤灰的不安定问题，能有效控制充填膏体的胀裂现象，但对充填体的强度提升有限。
4、现有技术一般采用以下三种手段减少高钙灰中游离氧化钙的含量：1、使用高钙灰与低钙灰混用技术，以减少游离氧化钙的引入量，从而保证充填体的体积安定性。2、通过将高钙灰在水雾条件下进行研磨，之后静止消解粉煤灰中的游离氧化钙，减少游离氧化钙的含量。3、使用专用的高钙灰混凝土外加剂，对高游离氧化钙粉煤灰基膏体的强度和体积安定性有著改善作用。但以上方法较高的处理成本，限制了其在解决高游离氧化钙粉煤灰基膏体自膨胀问题中的应用。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种粉煤灰浆液超声改性方法及装置，以期通过一种低成本的方式解决高游离氧化钙粉煤灰基充填膏体在养护过程中出现的自膨胀等强度失效与氨气释放问题。在制备改性粉煤灰浆液过程中，借助超声空化作用瞬间产生的高温高压条件，破坏粉煤灰中玻璃体的网络结构，加快化学键断裂，利于玻璃体解聚促进水化反应进行。同时，超声波在液体介质中传播时产生的毛细效应会促进溶剂在物料组织中的扩散及可溶性成分的溶解，强化游离氧化钙/镁颗粒表面氢氧化钙/镁凝胶的剥离。并最大限度去除浆液中氨含量，为粉煤灰基充填膏体的氨气释放治理提供新方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种粉煤灰浆液超声改性方法及装置，在将粉煤灰制成浆液的过程中向水中投加添加剂，并通过超声振子向高速水力剪切作用下混合的粉煤灰浆液中施加超声振动，使粉煤灰中的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒遇水形成的凝胶覆膜在高速水力剪切和超声振动形成的空穴的双重作用下迅速剥离，使得水膜与未发生反应的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒持续反应、反复剥离，最终实现粉煤灰中游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒的彻底水解，完成游离氧化钙质量浓度范围为4％～20％和/或游离氧化镁质量浓度范围为8％～16％的粉煤灰快速湿法改性。
4、在一个实施例中，所述高速水力剪切的外沿线速度不小于10m/s，超声频率不小于40mhz，振动功率不小于5w/l，粉煤灰改性时间30～150s。
5、在一个实施例中，所述添加剂为具有减水、润滑、提高ph以有助于玻璃体溶解的药剂，例如硫酸钠、氯化钠、氢氧化钠等一种或者多种混合。
6、本专利技术还提供了一种粉煤灰浆液超声改性装置，包括改性装置主体，改性装置主体内置导流套筒，所述导流套筒内置带有蜗盘及叶片的搅拌轴，所述导流套筒为上下通透的筒体，其下部设置为放大口，放大口的下边沿与改性装置主体的内壁具有间距；所述蜗盘及叶片的转动带动粉煤灰浆液在所述导流套筒内旋转向下运动，在导流套筒与改性装置主体之间旋转向上运动；所述导流套筒与改性装置主体之间设置若干超声发射器，所述超声发射器被配置为向旋转运动中的粉煤灰浆液施加超声振动，从而与高速水力剪切作用协同实现粉煤灰浆液改性。
7、在一个实施例中，所述导流套筒的内径为所述改性装置主体内径的1/3～2/5，所述放大口与所述改性装置主体底部围成的窄缝隙宽度为改性装置主体直径的1/15～1/10，所述叶片的转速不小于200rad/min，桨叶直径为改性装置主体直径的1/4～2/5。
8、在一个实施例中，所述超声发射器所产生的超声频率为40～100mhz，单位体积提供的超声功率为5～10w/l。
9、在一个实施例中，所述改性装置主体顶部的粉煤灰投加口的尺寸不小于dn400，下料时间不多于15s；自来水投加口的尺寸不小于dn200，下料时间不多于10s；外加剂投加口不小于dn200，下料时间不多于10s；改性装置主体底部的改性粉煤灰浆液排出口尺寸不小于dn400，下料时间不多于10s。
10、在一个实施例中，所述蜗盘及叶片位于所述放大口内，所述搅拌轴为可拆卸轴，上部镶嵌于联轴器内，下部镶嵌于轴套内。
11、在一个实施例中，所述超声发射器有多个，分别位于不同高度和不同径向角度的位置。
12、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
13、1、设置导流套筒，减小过流面积，在不增加电机功率与设备成本的基础上提升流速，增强水力剪切强度。
14、2、本专利技术装置的超声空化作用有利于粉煤灰玻璃体解聚，在不增加外加剂投加量的条件下实现更好的水化反应效果，制备的膏体材料强度明显提升。
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1.一种粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，在将粉煤灰制成浆液的过程中向水中投加添加剂，并通过超声振子向高速水力剪切作用下混合的粉煤灰浆液中施加超声振动，使粉煤灰中的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒遇水形成的凝胶覆膜在高速水力剪切和超声振动形成的空穴的双重作用下迅速剥离，使得水膜与未发生反应的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒持续反应、反复剥离，最终实现粉煤灰中游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒的彻底水解，完成游离氧化钙质量浓度范围为4％～20％和/或游离氧化镁质量浓度范围为8％～16％的粉煤灰快速湿法改性。
2.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述高速水力剪切的外沿线速度不小于10m/s，超声频率不小于40MHz，振动功率不小于5W/l，粉煤灰改性时间30～150s。
3.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述添加剂为具有减水、润滑、提高pH以有助于玻璃体溶解的药剂。
4.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述添加剂为硫酸钠、氯化钠、氢氧化钠中的一种或者多种混合。p>
5.一种粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，包括改性装置主体(1)，改性装置主体(1)内置导流套筒(15)，所述导流套筒(15)内置带有蜗盘(11)及叶片(12)的搅拌轴(10)，所述导流套筒(15)为上下通透的筒体，其下部设置为放大口(16)，放大口(16)的下边沿与改性装置主体(1)的内壁具有间距；所述蜗盘(11)及叶片(12)的转动带动粉煤灰浆液在所述导流套筒(15)内旋转向下运动，在导流套筒(15)与改性装置主体(1)之间旋转向上运动；所述导流套筒(15)与改性装置主体(1)之间设置若干超声发射器(18)，所述超声发射器(18)被配置为向旋转运动中的粉煤灰浆液施加超声振动，从而与高速水力剪切作用协同实现粉煤灰浆液改性。
6.根据权利要求5所述粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，所述导流套筒(15)的内径为所述改性装置主体(1)内径的1/3～2/5，所述放大口(16)与所述改性装置主体(1)底部围成的窄缝隙宽度为改性装置主体(1)直径的1/15～1/10，所述叶片(12)的转速不小于200rad/min，相应搅拌电机匹配功率为1.5～3Kw/m3，桨叶直径为改性装置主体(1)直径的1/4～2/5。
7.根据权利要求5所述粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，所述超声发射器(18)所产生的超声频率为40～100MHz，单位体积提供的超声功率为5～10W/l。
8.根据权利要求5所述粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，所述改性装置主体(1)顶部的粉煤灰投加口的尺寸不小于DN400，下料时间不多于15s；自来水投加口的尺寸不小于DN200，下料时间不多于10s；外加剂投加口不小于DN200，下料时间不多于10s；改性装置主体(1)底部的改性粉煤灰浆液排出口尺寸不小于DN400，下料时间不多于10s。
9.根据权利要求5所述粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，所述蜗盘(11)及叶片(12)位于所述放大口(16)内，所述搅拌轴(10)为可拆卸轴，上部镶嵌于联轴器(9)内，下部镶嵌于轴套(13)内。
10.根据权利要求5所述粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，所述超声发射器(18)有多个，分别位于不同高度和不同径向角度的位置。
...【技术特征摘要】
1.一种粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，在将粉煤灰制成浆液的过程中向水中投加添加剂，并通过超声振子向高速水力剪切作用下混合的粉煤灰浆液中施加超声振动，使粉煤灰中的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒遇水形成的凝胶覆膜在高速水力剪切和超声振动形成的空穴的双重作用下迅速剥离，使得水膜与未发生反应的游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒持续反应、反复剥离，最终实现粉煤灰中游离氧化钙和/或游离氧化镁颗粒的彻底水解，完成游离氧化钙质量浓度范围为4％～20％和/或游离氧化镁质量浓度范围为8％～16％的粉煤灰快速湿法改性。
2.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述高速水力剪切的外沿线速度不小于10m/s，超声频率不小于40mhz，振动功率不小于5w/l，粉煤灰改性时间30～150s。
3.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述添加剂为具有减水、润滑、提高ph以有助于玻璃体溶解的药剂。
4.根据权利要求1所述粉煤灰浆液超声改性方法及装置，其特征在于，所述添加剂为硫酸钠、氯化钠、氢氧化钠中的一种或者多种混合。
5.一种粉煤灰浆液超声改性装置，其特征在于，包括改性装置主体(1)，改性装置主体(1)内置导流套筒(15)，所述导流套筒(15)内置带有蜗盘(11)及叶片(12)的搅拌轴(10)，所述导流套筒(15)为上下通透的筒体，其下部设置为放大口(16)，放大口(16)的下边沿与改性装置主体(1)的内壁具有间距；所述蜗盘(11)及叶片(12)的转动带动粉煤灰浆液在所述导流套筒(15)内旋转向下运动，在导流套筒(15)与改性装置主体(1)之间旋转向上运动；所述导...
【专利技术属性】
技术研发人员：任武昂，唐仁龙，李超，金鹏康，邵小平，李亚娇，池玉蕾，李龙清，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
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