煤的特性對水煤漿性質(zhì)的影響

中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 王 敬 王紅林 劉亞菲

煤的特性對水煤漿性質(zhì)的影響

中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院 王 敬 王紅林 劉亞菲

水煤漿是國際上20世紀70年代末發(fā)展起來的一種以煤代油的新型燃料，具有燃燒效率高、負荷易調(diào)控、節(jié)能和保護環(huán)境等優(yōu)點。自20世紀80年代以來，相關(guān)學(xué)者對水煤漿技術(shù)進行了廣泛地開發(fā)與研究，并取得了一系列成果。本文，筆者就水煤漿性質(zhì)和煤特性對其的影響進行了簡要闡述，對改善煤的成漿性具有一定的參考價值。

一、水煤漿的性質(zhì)

水煤漿和一般的煤泥水不同，它是一種燃料，作為均勻懸浮流體，除了水煤漿中煤的固有特性（發(fā)熱量、灰熔點、含硫量等）外，還具有流體特性（濃度、流變性、穩(wěn)定性等）。

水煤漿技術(shù)中包括制漿煤種的選擇，要求選擇成漿性好的煤，煤的成漿性是指將煤制備成水煤漿的難易程度。水煤漿的流變性十分復(fù)雜，在低濃度時可能表現(xiàn)為牛頓流體或假塑性流體；濃度稍高產(chǎn)生絮團后，可能表現(xiàn)為賓漢流體；更高的濃度下又可能出現(xiàn)脹塑性流體；當加入添加劑后，煤粉和水緊密結(jié)合，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為均一體，表現(xiàn)為非牛頓流體的性質(zhì)。水煤漿是一種固液兩相混合物，容易發(fā)生固液分離現(xiàn)象；通常要求在貯、運過程中不產(chǎn)生硬沉淀。水煤漿能維持不產(chǎn)生硬沉淀的性能，稱為水煤漿的穩(wěn)定性。由于水煤漿的性質(zhì)之間相互制約，故難以滿足各性能同時達到要求。例如，水煤漿濃度較大則黏度大，流動性差；濃度低有利于輸送、霧化和燃燒，但會使穩(wěn)定性變差。結(jié)合水煤漿的性質(zhì)，因此選擇制漿用煤時需要考慮以下幾項影響因素。

二、水煤漿性質(zhì)的影響因素

1. 煤表面性質(zhì)對水煤漿性質(zhì)的影響。煤的表面性質(zhì)如內(nèi)在水分、含氧官能團、表面吸水特性、接觸角等，對其成漿性有重要影響，國內(nèi)外做了大量研究對此進行探討。

煤的內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部的毛細管或孔隙中的結(jié)合水，是影響成漿性能的關(guān)鍵因素，內(nèi)在水分越高,煤漿性能越差，濃度也越低。內(nèi)在水分高，說明煤粒表面吸附水分子的能力強，一方面影響表面活性劑的吸附，另一方面也反映了煤的孔隙結(jié)構(gòu)易于賦存水分，這樣就會減少煤漿中作為流動介質(zhì)的水量，所以表觀黏度增高，成漿性能降低。煤中的含氧官能團主要包括羥基、羧基和羰基，易形成氫鍵而親水，所以煤中含氧官能團越多親水性越強，內(nèi)在水分含量越大，成漿性越差。大量研究表明，煤的表面吸水特性對水煤漿流變性的影響較大。接觸角是潤濕程度的量度，在水煤漿的研制中，經(jīng)常用接觸角來度量煤的疏水性；尉遲唯等研究煤、水接觸角與煤的成漿性及煤變質(zhì)程度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，煤的成漿性隨疏水性的增加而增加。煤的表面電性可以影響煤顆粒的分散性，表面電性越高，煤顆粒的分散性較好，水煤漿黏度越低，因此人們在應(yīng)用中把某些金屬離子作為穩(wěn)定劑，用來降低煤顆粒的表面電性，改善煤漿的穩(wěn)定性。

由此可見，煤的內(nèi)在水分、含氧官能團、表面吸水特性和接觸角等參數(shù)越大，煤的親水性越好，成漿性越差；煤的表面電性降低，可以改善煤漿的穩(wěn)定性。

2. 礦物質(zhì)對水煤漿性質(zhì)的影響。煤中礦物質(zhì)對水煤漿的性質(zhì)有較大的影響，研究它對優(yōu)化水煤漿制備工藝和完善制漿技術(shù)有重要意義。由于煤表面性質(zhì)的差異，礦物質(zhì)含量和組成影響著煤的成漿性，但關(guān)于礦物質(zhì)對水煤漿特性的影響至今尚無統(tǒng)一結(jié)論。例如石英、方解石和黃鐵礦等礦物質(zhì)密度大，在漿體中易下沉，破壞體系的結(jié)構(gòu)，降低漿體的穩(wěn)定性。礦物質(zhì)表面的δ電位較高，增加了顆粒間的靜電作用,可以使體系黏度降低。黏土礦物質(zhì)因其吸水膨脹性會使煤漿的表觀黏度升高，不利于制漿；但黏土礦物顆粒間的靜電斥力較強，在漿體中易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使水煤漿有很好的觸變性，但在外力作用時結(jié)構(gòu)易破壞，黏度下降。另外，一些礦物質(zhì)如硫酸鹽礦物可以溶出多價離子，會降低煤顆粒表面電動電位的絕對值和活性劑的分散效能。此外，煤中礦物質(zhì)也會影響其可磨性，可磨性好的煤可提高堆積效率，使煤的成漿性增大。總之，礦物質(zhì)對水煤漿特性的影響很大，人們可以根據(jù)這些規(guī)律，優(yōu)化水煤漿制備工藝，提高水煤漿的質(zhì)量。

3. 孔結(jié)構(gòu)對水煤漿性質(zhì)的影響。煤是一種復(fù)雜的多孔性固體，孔結(jié)構(gòu)可以分為大孔、中孔和微孔，并且煤的孔隙率越發(fā)達，則煤的比表面積越大。相關(guān)研究表明，不同變質(zhì)程度的煤，其孔結(jié)構(gòu)特性對水煤漿性質(zhì)的影響較為復(fù)雜。

相同變質(zhì)程度的煤，孔體積大的吸附的內(nèi)在水分多，在相同固體粉煤量的條件下，使?jié){體的黏度增加，從而制約高濃度煤漿的制備。一般來說，煤的大孔結(jié)構(gòu)對煤成漿性的影響較顯著；而微孔有效孔體積的大小主要與漿體的存儲性質(zhì)有關(guān)，微孔有效孔體積較大時會加速漿體軟沉淀轉(zhuǎn)變成硬沉淀，從而影響漿體的長期存儲性能。不同變質(zhì)程度的煤，其孔結(jié)構(gòu)特性對水煤漿性質(zhì)的影響較為復(fù)雜。根據(jù)煤的表面性質(zhì)可知，較小的總孔體積的煤有較高的成漿性。另外，煤階越低并且孔隙越發(fā)達的煤種制漿越困難。

4. 煤巖組成對水煤漿性質(zhì)的影響。煤顯微組分的成煤過程不同，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也存在差異，從而對水煤漿的性質(zhì)造成不同影響。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組對煤漿成漿性和穩(wěn)定性有顯著影響，而殼質(zhì)組僅影響漿體的穩(wěn)定性；三種煤巖組分之間的交互作用不明顯，各自影響其制漿效果。從結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面來說，鏡質(zhì)組的揮發(fā)分和H、N含量較高，C、S含量較低，總氧含量高但含氧官能團數(shù)量低，且芳香度、芳香氫和環(huán)縮合度較低；而惰質(zhì)組的灰分、C含量較高，總氧含量低而其含氧官能團數(shù)量高，并且芳香度、芳香氫和環(huán)縮合度較高。此外，不同煤巖組分中礦物質(zhì)的含量、種類及賦存狀態(tài)也存在差異。

惰質(zhì)組是多孔結(jié)構(gòu)，使得煤的比表面積、孔體積和最高內(nèi)在水分含量都很高，故所制漿的黏度較大；而從惰質(zhì)組孔隙中的礦物質(zhì)溶出的金屬離子會改變煤表面的雙電層結(jié)構(gòu)，影響添加劑的作用，對成漿過程造成不利影響。鏡質(zhì)組的密度較小，同樣質(zhì)量時體積就較大，用來起分散作用的水量相對減少，所以制漿的黏度較大，成漿性差。一般來說，成漿性隨惰質(zhì)組含量的增加和鏡質(zhì)組含量的減少而先增加后減少，所以兩組分協(xié)同作用制漿時，在惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組比例合適的情況下才可以制得低黏度、高濃度的水煤漿。

三、結(jié)論

水煤漿技術(shù)是我國現(xiàn)階段適宜的代油、環(huán)保及節(jié)能技術(shù)，在能源發(fā)展計劃中具有重要的戰(zhàn)略意義。影響制備高性能水煤漿的因素很多，除了本文提到的煤特性因素外，添加劑的選擇、制漿條件也對煤成漿性能產(chǎn)生重要影響。煤的成漿性能是由多種因素共同決定的，應(yīng)該綜合考慮各因素的影響，從而制得高濃度、低黏度、穩(wěn)定性好的高性能水煤漿。