水煤漿制備工藝的技術(shù)研究

席志軍+張艷玲

摘 要：水煤漿是代油煤基流體燃料， 對(duì)煤炭產(chǎn)品的升級(jí)、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、節(jié)約石油具有重要意義。介紹了水煤漿和研究意義，詳述了水煤漿不同制備工藝的特點(diǎn)；簡(jiǎn)述了水煤漿的制備要求。

關(guān)鍵詞：水煤漿；制備；工藝

一、水煤漿介紹和研究意義

水煤漿是八十年代初出現(xiàn)的一種新型煤基流體燃料，，國(guó)際上英文稱為CWM（Coal Water Mixture）或CWF（Coal Water

Fuel），它含煤約70%，化學(xué)添加劑約1%，其余為水通過物理加工得到的一種流體燃料。成品水煤漿具有一定的穩(wěn)定性，靜置一個(gè)月時(shí)間可以不沉淀、不分層。而且具有一定的流動(dòng)性，可以象燃油一樣車裝、船載或通過管道輸送。其次是霧化性能好，在一定壓力下通過噴嘴形成霧狀，充分燃燒。它可作為爐窯燃料或合成氣原料，具有燃燒穩(wěn)定、污染排放少，具有較好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，易于儲(chǔ)存，可霧化燃燒，是一種燃燒效率較高較廉價(jià)的潔凈燃料，可代重油緩解石油短缺的能源安全問題。目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的水煤漿，一般濃度在70%左右，粘度在

1000mPa·s左右，穩(wěn)定性不低于1個(gè)月，燃燒效率可達(dá)到98%，單位熱強(qiáng)度和燃燒負(fù)荷都優(yōu)于燃煤。

（1）水煤漿與油的異同。與油相同的是水煤漿可以像油一樣進(jìn)行管道輸送和噴嘴霧化燃燒；與油不同的是，水煤漿可燃成分是煤，因此水煤漿在燃燒時(shí)的特點(diǎn)又與煤粉燃燒相近，會(huì)有飛灰及結(jié)渣等現(xiàn)象。（2）與煤的異同。與煤相同的是可燃成分均是是煤；燃燒特點(diǎn)相近，會(huì)有飛灰及結(jié)渣等現(xiàn)象；燃盡率相同；與煤不同的是由于水煤漿中含有30—35%的水，這么多的水分導(dǎo)致水煤漿著火困難；水煤漿是潔凈煤，是一種潔凈燃料。（3）我國(guó)能源結(jié)構(gòu)是富煤貧油，我國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量有1000億噸，而石油則相對(duì)短缺。煤炭是我國(guó)的主要能源，目前已成為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，能源利用以煤炭為主，在當(dāng)前以化石能源為主體的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在我國(guó)，石油與煤炭相比，可供開采的數(shù)量有限，需要依靠進(jìn)口。2002年，我國(guó)進(jìn)口石油6500萬(wàn)噸，占消費(fèi)量的30%，因此我國(guó)的石油資源顯得十分珍貴。我國(guó)大部分電站及工業(yè)鍋爐是以燃煤為主，但有不少工業(yè)爐窯還在燃油。針對(duì)此種情況，我國(guó)制定了“以煤代油，壓縮燒油”的能源政策。（4）環(huán)境保護(hù)：我國(guó)是用煤大國(guó)，散煤燃燒存在缺點(diǎn)，儲(chǔ)運(yùn)復(fù)雜，燃燒效率低，除大型電站效率較高外，一般的燃煤鍋爐效率很低，其中包括燃盡率和鍋爐效率；水煤漿儲(chǔ)運(yùn)是全密封；水煤漿燃燒火焰中心溫度較燃油低100-200℃ ，有助于抑制NOx生成。水煤漿選用洗精煤或選配低硫、低灰分煤制漿。煤炭經(jīng)過洗選，可脫除硫30%-40%（脫除黃鐵礦硫60%-80%）；脫除灰分（煤矸石等）50%-80%，原始煙塵與灰渣量減少，因而漿中硫含量與灰分較低。

二、水煤漿制備工藝

水煤漿制漿方法有干法制漿、干法和濕法聯(lián)合制漿以及濕法制漿三種。

（一）干法制漿。該制備工藝的特點(diǎn)是對(duì)一般的干法磨機(jī)，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的水分都比較高，難以滿足該要求；能耗比濕法高，在同樣的細(xì)度下，干法磨機(jī)的能耗比濕法磨機(jī)約高30%；干法磨礦的安全和環(huán)境不如濕法；粒度分布不如濕法，堆積效率較低，干法磨煤顆粒表面氧化較快，影響制漿效果。

（二）干法、濕法聯(lián)合制漿。該流程是在干法制漿工藝的基礎(chǔ)上，分出一部分干法粉碎的物料再用濕法進(jìn)一步粉碎。其特點(diǎn)是與干法相比，可以獲得更好的粒度分布，即獲得更好的級(jí)配。但該流程仍是以干法磨煤為主，干法制漿的其他不足之處依然存在。

（三）濕法制漿。濕法磨礦制漿工藝有高濃度磨礦、中濃度磨礦以及高、中濃度磨礦級(jí)配制漿工藝三種方式。

（1）高濃度磨礦制漿工藝。煤炭、分散劑和水同時(shí)加入磨機(jī)，磨機(jī)排出的物料就是高濃度的水煤漿，如果有必要加入穩(wěn)定劑，則加入后還要攪拌均勻，剪切，使?jié){體進(jìn)一步熟化。這是國(guó)內(nèi)外采用的最多的一種制漿工藝，我國(guó)現(xiàn)有的水煤漿制漿廠基本上都是采用這種工藝。該工藝流程簡(jiǎn)單，可以省去捏混和強(qiáng)力攪拌環(huán)節(jié)；細(xì)顆粒量比較高，有利于級(jí)配；有利于藥劑與顆粒新生表面接觸；但是該工藝對(duì)變化的煤種適應(yīng)性差；對(duì)磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)要求嚴(yán)格，因?yàn)闈{體濃度過高會(huì)嚴(yán)重影響磨礦的功效。

（2）中濃度磨礦制漿工藝。一般是一段粗磨，再分出一部分粗磨的物料細(xì)磨，目的是獲得好的級(jí)配。但是，因?yàn)椴捎?0%左右的中濃度磨煤，細(xì)磨后的細(xì)粒物料再與粗磨的物料混合后還需要過濾，濾餅再加分散劑捏混，呈流體狀后進(jìn)入攪拌。

（3）高、中濃度磨礦級(jí)配制漿工藝。粗磨仍然采用中濃度磨礦，細(xì)磨不是像上述的中濃度制漿工藝從粗磨中分出一部分，而是從入料中分出一部分高濃度細(xì)磨，然后和經(jīng)脫水的中濃度粗磨后的物料加分散劑捏混成漿。該工藝可以獲得好的級(jí)配，堆積效率較高（74%），但仍需要過濾脫水環(huán)節(jié)。

三、水煤漿制備要求

水煤漿的制備有三個(gè)要素，一是煤炭；二是煤漿的粒度級(jí)配； 三是添加劑。

（一）煤炭的要求。（1）煤的灰分要低。制漿用煤必須進(jìn)行洗選以降低灰分。低灰分煤的表面有較為均勻的物理化學(xué)性質(zhì)，易于制漿且燃燒效率高、熱值高。（2）煤的揮發(fā)分高。含有較高揮發(fā)分的煤易于燃燒，熱效率高。研究表明，揮發(fā)分小于17%？的水煤漿不易燃燒，必須添加更多的助燃劑。制備水煤漿一般采用揮發(fā)分大于25%的煤。（3）煤的內(nèi)在水分低。煤的內(nèi)在水分是影響制漿的重要因素，直接影響水煤漿的濃度，并在一定程度上影響水煤漿的穩(wěn)定性和可燃性。（4）煤的可研磨性好。煤的研磨系數(shù)直接影響煤漿的粒度分布，研磨系數(shù)越高，粒度越細(xì)小，成漿性也越好，煤的其它性質(zhì)如O/C （氧/碳原子比）、表面張力、孔隙度等也對(duì)成漿性有一定影響。

（二）煤漿的粒度級(jí)配。為了提高制漿濃度，必需使煤的粒度分布具有較高的堆積效率，即顆粒間空隙要少。使空隙最少的技術(shù)稱“級(jí)配”，是制漿的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同顆粒級(jí)配的煤制成的漿體都存在不同的濃度臨界值， 超過這個(gè)臨界值，漿體的黏度急劇增大，流動(dòng)性惡化；相同濃度水煤漿的黏度隨顆粒級(jí)配不同而有較大差異，合理的顆粒級(jí)配可使水煤漿黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)。endprint

（三）添加劑。添加劑的種類和性能是影響水煤漿的黏度、穩(wěn)定性、含煤量、霧化、燃燒和成本等重要參數(shù)的主要因素。制漿時(shí)所用添加劑，按其功能可分為：分散劑、穩(wěn)定劑及其他一些輔助化學(xué)藥劑， 如消泡劑、調(diào)節(jié)劑、防霉劑、表面改性劑及促進(jìn)劑等。在這些添加劑中，不可缺少的是分散劑和穩(wěn)定劑。

水煤漿分散劑是一些表面活性劑。它是一種兩親分子，由疏水基和親水基兩部分構(gòu)成。分散劑的作用機(jī)理可從三個(gè)方面加以解釋：潤(rùn)濕分散作用、靜電斥力分散作用及空間位阻效應(yīng)。當(dāng)煤粒在水中時(shí)，分散劑分子通過其疏水基和煤表面結(jié)合，以親水基朝水的定向排列方式把水分子吸附在煤粒表面，變疏水性為親水性，借水化膜將煤粒隔離開，減少煤粒間的阻力，從而達(dá)到降粘的作用；著名的DLVO理論認(rèn)為，膠體顆粒穩(wěn)定存在的先決條件是顆粒間的靜電斥力大于顆粒間的范德華引力。煤粒在弱酸至堿性很寬的pH 值范圍內(nèi)，表面均帶負(fù)電荷，當(dāng)吸附了陰離子型分散劑后，更增加了煤粒的靜電斥力，煤粒之間不易接近，難以形成聚集狀態(tài)，增強(qiáng)水煤漿的分散穩(wěn)定性；煤粒表面吸附添加劑分子時(shí)，顆粒間就增加了一層障礙，煤粒、添加劑分子的親水鏈及水分子就構(gòu)成了三維立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒相互靠近時(shí)，可機(jī)械地阻擋聚結(jié)。

水煤漿的穩(wěn)定性是指煤漿在存儲(chǔ)與輸送期間保持性態(tài)均勻的特性。穩(wěn)定性的破壞來(lái)源于其中固體顆粒的沉淀。由于水煤漿是一種高濃度固液兩相粗分散體系，無(wú)論是DLVO理論中涉及的來(lái)自分子熱運(yùn)動(dòng)的布朗運(yùn)動(dòng)作用力、顆粒間的范德華引力，還是顆粒間的靜電吸引力，都不足以阻止水煤漿中顆粒的沉淀。真正起到阻止顆粒沉淀并提高水煤漿穩(wěn)定性的，是由穩(wěn)定劑作用形成的空間結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒沉淀產(chǎn)生的機(jī)械阻力。所以，水煤漿的穩(wěn)定劑應(yīng)具有使煤漿中已分散的顆粒能與周圍的其他顆粒及水結(jié)合成為一種較弱但又有一定強(qiáng)度的三維空間結(jié)構(gòu)的作用。穩(wěn)定劑應(yīng)在加入分散劑經(jīng)捏混攪拌成漿后再另行加入。能起這種作用的穩(wěn)定劑有無(wú)機(jī)鹽、高分子有機(jī)化合物。

結(jié)論：無(wú)論選用哪種制漿工藝，都要把煤研磨成具有一定粒度和合適的級(jí)配要求。煤種不同，所選擇制漿工藝也應(yīng)有所區(qū)別，而且由于工藝流程與磨礦設(shè)備不同，生產(chǎn)過程中的能耗、制漿條件、加工成本、產(chǎn)品質(zhì)量等都有差異。水煤漿廠的建設(shè)必須根據(jù)原料煤性質(zhì)及其成漿特性，并考慮添加劑與原料煤的反應(yīng)特性以及制漿專用設(shè)備（磨機(jī)等）的研磨性能，選擇合適的制漿技術(shù)工藝，才能制備出滿足客戶需要的水煤漿。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周俊虎.水煤漿技術(shù)進(jìn)展[A].第八屆鍋爐專業(yè)委員會(huì)第三次學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集[C].2006.

[2] 劉志群.水煤漿技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006，32（5）

[3] 孫素敏，陳暢，曹佩文.淺談水煤漿技術(shù)及其應(yīng)用[J].印染，2009，35（11）

[4] 李安.水煤漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其新進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，

2007，35（5）endprint

（三）添加劑。添加劑的種類和性能是影響水煤漿的黏度、穩(wěn)定性、含煤量、霧化、燃燒和成本等重要參數(shù)的主要因素。制漿時(shí)所用添加劑，按其功能可分為：分散劑、穩(wěn)定劑及其他一些輔助化學(xué)藥劑， 如消泡劑、調(diào)節(jié)劑、防霉劑、表面改性劑及促進(jìn)劑等。在這些添加劑中，不可缺少的是分散劑和穩(wěn)定劑。

水煤漿分散劑是一些表面活性劑。它是一種兩親分子，由疏水基和親水基兩部分構(gòu)成。分散劑的作用機(jī)理可從三個(gè)方面加以解釋：潤(rùn)濕分散作用、靜電斥力分散作用及空間位阻效應(yīng)。當(dāng)煤粒在水中時(shí)，分散劑分子通過其疏水基和煤表面結(jié)合，以親水基朝水的定向排列方式把水分子吸附在煤粒表面，變疏水性為親水性，借水化膜將煤粒隔離開，減少煤粒間的阻力，從而達(dá)到降粘的作用；著名的DLVO理論認(rèn)為，膠體顆粒穩(wěn)定存在的先決條件是顆粒間的靜電斥力大于顆粒間的范德華引力。煤粒在弱酸至堿性很寬的pH 值范圍內(nèi)，表面均帶負(fù)電荷，當(dāng)吸附了陰離子型分散劑后，更增加了煤粒的靜電斥力，煤粒之間不易接近，難以形成聚集狀態(tài)，增強(qiáng)水煤漿的分散穩(wěn)定性；煤粒表面吸附添加劑分子時(shí)，顆粒間就增加了一層障礙，煤粒、添加劑分子的親水鏈及水分子就構(gòu)成了三維立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒相互靠近時(shí)，可機(jī)械地阻擋聚結(jié)。

水煤漿的穩(wěn)定性是指煤漿在存儲(chǔ)與輸送期間保持性態(tài)均勻的特性。穩(wěn)定性的破壞來(lái)源于其中固體顆粒的沉淀。由于水煤漿是一種高濃度固液兩相粗分散體系，無(wú)論是DLVO理論中涉及的來(lái)自分子熱運(yùn)動(dòng)的布朗運(yùn)動(dòng)作用力、顆粒間的范德華引力，還是顆粒間的靜電吸引力，都不足以阻止水煤漿中顆粒的沉淀。真正起到阻止顆粒沉淀并提高水煤漿穩(wěn)定性的，是由穩(wěn)定劑作用形成的空間結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒沉淀產(chǎn)生的機(jī)械阻力。所以，水煤漿的穩(wěn)定劑應(yīng)具有使煤漿中已分散的顆粒能與周圍的其他顆粒及水結(jié)合成為一種較弱但又有一定強(qiáng)度的三維空間結(jié)構(gòu)的作用。穩(wěn)定劑應(yīng)在加入分散劑經(jīng)捏混攪拌成漿后再另行加入。能起這種作用的穩(wěn)定劑有無(wú)機(jī)鹽、高分子有機(jī)化合物。

結(jié)論：無(wú)論選用哪種制漿工藝，都要把煤研磨成具有一定粒度和合適的級(jí)配要求。煤種不同，所選擇制漿工藝也應(yīng)有所區(qū)別，而且由于工藝流程與磨礦設(shè)備不同，生產(chǎn)過程中的能耗、制漿條件、加工成本、產(chǎn)品質(zhì)量等都有差異。水煤漿廠的建設(shè)必須根據(jù)原料煤性質(zhì)及其成漿特性，并考慮添加劑與原料煤的反應(yīng)特性以及制漿專用設(shè)備（磨機(jī)等）的研磨性能，選擇合適的制漿技術(shù)工藝，才能制備出滿足客戶需要的水煤漿。

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[4] 李安.水煤漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其新進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，

2007，35（5）endprint

（三）添加劑。添加劑的種類和性能是影響水煤漿的黏度、穩(wěn)定性、含煤量、霧化、燃燒和成本等重要參數(shù)的主要因素。制漿時(shí)所用添加劑，按其功能可分為：分散劑、穩(wěn)定劑及其他一些輔助化學(xué)藥劑， 如消泡劑、調(diào)節(jié)劑、防霉劑、表面改性劑及促進(jìn)劑等。在這些添加劑中，不可缺少的是分散劑和穩(wěn)定劑。

水煤漿分散劑是一些表面活性劑。它是一種兩親分子，由疏水基和親水基兩部分構(gòu)成。分散劑的作用機(jī)理可從三個(gè)方面加以解釋：潤(rùn)濕分散作用、靜電斥力分散作用及空間位阻效應(yīng)。當(dāng)煤粒在水中時(shí)，分散劑分子通過其疏水基和煤表面結(jié)合，以親水基朝水的定向排列方式把水分子吸附在煤粒表面，變疏水性為親水性，借水化膜將煤粒隔離開，減少煤粒間的阻力，從而達(dá)到降粘的作用；著名的DLVO理論認(rèn)為，膠體顆粒穩(wěn)定存在的先決條件是顆粒間的靜電斥力大于顆粒間的范德華引力。煤粒在弱酸至堿性很寬的pH 值范圍內(nèi)，表面均帶負(fù)電荷，當(dāng)吸附了陰離子型分散劑后，更增加了煤粒的靜電斥力，煤粒之間不易接近，難以形成聚集狀態(tài)，增強(qiáng)水煤漿的分散穩(wěn)定性；煤粒表面吸附添加劑分子時(shí)，顆粒間就增加了一層障礙，煤粒、添加劑分子的親水鏈及水分子就構(gòu)成了三維立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)顆粒相互靠近時(shí)，可機(jī)械地阻擋聚結(jié)。

水煤漿的穩(wěn)定性是指煤漿在存儲(chǔ)與輸送期間保持性態(tài)均勻的特性。穩(wěn)定性的破壞來(lái)源于其中固體顆粒的沉淀。由于水煤漿是一種高濃度固液兩相粗分散體系，無(wú)論是DLVO理論中涉及的來(lái)自分子熱運(yùn)動(dòng)的布朗運(yùn)動(dòng)作用力、顆粒間的范德華引力，還是顆粒間的靜電吸引力，都不足以阻止水煤漿中顆粒的沉淀。真正起到阻止顆粒沉淀并提高水煤漿穩(wěn)定性的，是由穩(wěn)定劑作用形成的空間結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒沉淀產(chǎn)生的機(jī)械阻力。所以，水煤漿的穩(wěn)定劑應(yīng)具有使煤漿中已分散的顆粒能與周圍的其他顆粒及水結(jié)合成為一種較弱但又有一定強(qiáng)度的三維空間結(jié)構(gòu)的作用。穩(wěn)定劑應(yīng)在加入分散劑經(jīng)捏混攪拌成漿后再另行加入。能起這種作用的穩(wěn)定劑有無(wú)機(jī)鹽、高分子有機(jī)化合物。

結(jié)論：無(wú)論選用哪種制漿工藝，都要把煤研磨成具有一定粒度和合適的級(jí)配要求。煤種不同，所選擇制漿工藝也應(yīng)有所區(qū)別，而且由于工藝流程與磨礦設(shè)備不同，生產(chǎn)過程中的能耗、制漿條件、加工成本、產(chǎn)品質(zhì)量等都有差異。水煤漿廠的建設(shè)必須根據(jù)原料煤性質(zhì)及其成漿特性，并考慮添加劑與原料煤的反應(yīng)特性以及制漿專用設(shè)備（磨機(jī)等）的研磨性能，選擇合適的制漿技術(shù)工藝，才能制備出滿足客戶需要的水煤漿。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周俊虎.水煤漿技術(shù)進(jìn)展[A].第八屆鍋爐專業(yè)委員會(huì)第三次學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集[C].2006.

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[4] 李安.水煤漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其新進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，

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