水炭漿成漿性能研究

蘇婷，高雯雯，宋永輝，時(shí)明亮

（1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院,陜西榆林719000；2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西西安710055）

水炭漿成漿性能研究

蘇婷1，高雯雯1，宋永輝2，時(shí)明亮2

（1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院,陜西榆林719000；2.西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院,陜西西安710055）

研究了水炭漿的成漿條件以及漿體的基本性能。將蘭炭末原料研磨篩分為三個(gè)粒度等級(jí)(D1＞200目，D2為100～200目，D3為60～100目)。得出以木質(zhì)素磺酸鈉(SL)和TPEG作為分散劑，羧甲基纖維素鈉(CMC)作為穩(wěn)定劑，可制備出水炭漿。設(shè)定水炭漿濃度為56%，粒度組成為D1：D2：D3=80%:12%:8%，添加劑的總量占干料總量的1.5%，SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%時(shí)所制備的水炭漿粘度為518 mPa·s，流動(dòng)性良好，穩(wěn)定性長達(dá)30 d，是性能優(yōu)良的水炭漿制品。

水炭漿；添加劑；漿體性能

水煤漿是一種非常成熟的新型高效清潔的煤基流體燃料，一般由65%左右的煤粉、30%左右的水和1%左右的添加劑混合制成。為提高水煤漿的燃燒效率，其中煤粒應(yīng)達(dá)到一定的細(xì)度，一般要求在74～300 μm之間[1]。在水煤漿的研究過程中，添加劑的選擇及顆粒的粒度分配比較關(guān)鍵。趙世永[2]、李靜[3]等考察了粒度級(jí)配方案對漿體成漿性和穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究，袁善錄[4]、李耀東[5]等使用不同的添加劑對煤樣進(jìn)行的成漿實(shí)驗(yàn)中均證實(shí)了這兩個(gè)因素對漿體性能有著顯著的影響。同時(shí)作為石油工業(yè)副產(chǎn)物的石油焦，也被制成水焦?jié){用作代油燃料，制備高濃低粘的高穩(wěn)定性水焦?jié){是研究過程中的一大挑戰(zhàn)。

蘭炭是煤炭熱解后的固體產(chǎn)物，我國每年會(huì)產(chǎn)出大量的蘭炭成品，同時(shí)副產(chǎn)利用率極低的蘭炭粉末。基于水煤漿和水焦?jié){的研究經(jīng)驗(yàn)，對水炭漿進(jìn)行相關(guān)的探索。因?yàn)樘m炭是一種疏水性物質(zhì)，不易與水成漿，且越細(xì)的蘭炭末顆粒其表面積越大，越容易自發(fā)凝結(jié)，要想成功制備水炭漿，添加劑的選擇成為關(guān)鍵因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料為神木孫家岔煤礦的低變質(zhì)粉煤(C-SJC)熱解所得的蘭炭末（BC-SJC）。原料的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，蘭炭的揮發(fā)分含量、水分、氧、氫含量以及低位熱值與低變質(zhì)煤相比均有所降低，而灰分含量和固定碳含量增高。高灰分不利于燃燒和氣化，并且灰分中的可溶性礦物離子Ca2+、Mg2+、Al3+等會(huì)對蘭炭表面的親水性、電化學(xué)性能、添加劑的選擇產(chǎn)生較大的影響[6]，但適量的灰分可以提高顆粒間的空間位阻，起到降低制漿粘度、增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用。

成漿的難易程度以及最大成漿濃度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出初步判斷，如式（1）、式（2）所示。

式中：Mad─空氣干燥基水分，%；

HGI─哈氏可磨性指數(shù)；

C─可制漿濃度，%；

D─難易指標(biāo)。

表1 原料的工業(yè)分析和元素分析Table1 The proximate analysis and elemental analysis of raw materials

由表2中的結(jié)果可以看出，蘭炭末的HGI較高，說明蘭炭末更容易研磨，研磨的程度直接影響顆粒的粒級(jí)分布進(jìn)而影響漿體的各種性能，同時(shí)原料的破碎研磨也是漿體制備過程中耗能最高的一個(gè)環(huán)節(jié)。經(jīng)驗(yàn)上用蘭炭末可以制備中等濃度的水炭漿，重點(diǎn)是需要解決添加劑的問題。

表2 成漿性預(yù)測Table2 The prediction of slurry character

1.2 制備方法

實(shí)驗(yàn)采用干法磨礦制漿。將定量烘干蘭炭放入球磨機(jī)碾磨兩小時(shí)后進(jìn)行篩分，按照粒度D1＞200目、D2為100～200目和D3為60～100目的等級(jí)分裝備樣。選取三種粒度的質(zhì)量比例，準(zhǔn)確稱取混合料50 g，加入到一定配比的添加劑水溶液中，采用攪拌器以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌一定時(shí)間后獲得水炭漿產(chǎn)品，靜置3 min后分別進(jìn)行粘度、流動(dòng)性的檢測，吸水率和穩(wěn)定性的測試需要在數(shù)天內(nèi)連續(xù)觀察測量記錄。

1.3 性能表征

漿體的表觀粘度采用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定。實(shí)驗(yàn)測量時(shí)，取50 mL漿體，選用3#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30 r/min，1 min后讀數(shù)記錄，讀取5次數(shù)據(jù)，以平均值作為漿體最終的粘度數(shù)值。

流動(dòng)性采用目視法。取用50 mL漿體，倒入固定在一定高度的錐形漏斗中，觀察漿體從漏斗中自由通過的連續(xù)程度。連續(xù)流動(dòng)為A，間斷流動(dòng)為B，不流動(dòng)為C，并以"+、-"表示更細(xì)微的差別[7]。

穩(wěn)定性采用落棒法進(jìn)行測量，漿體置于50 mL試樣瓶內(nèi)，蓋緊瓶塞，每隔一天進(jìn)行落棒實(shí)驗(yàn)，以出現(xiàn)硬沉淀現(xiàn)象為止，用天數(shù)表示穩(wěn)定性的好壞，時(shí)間越長，穩(wěn)定性越好。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 添加劑種類的選擇

實(shí)驗(yàn)選擇陰離子分散劑木質(zhì)素磺酸鈉(SL)和腐植酸鈉(NA)，非離子分散劑TPEG，穩(wěn)定劑選擇羧甲基纖維素鈉(CMC)和聚丙烯酰胺(PAM)，將其單獨(dú)或者組合試驗(yàn)進(jìn)行蘭炭末的成漿性能研究。根據(jù)粒度篩分，選用不同粒級(jí)蘭炭末顆粒的粒度組成質(zhì)量比為D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，添加劑的總量選擇占干蘭炭末質(zhì)量的1.8%，水炭漿濃度設(shè)定為56%。具體的添加劑選擇方案及水炭漿性能見表3所示。

結(jié)合圖1的粘度值，由表3中第1第2組數(shù)據(jù)可以看出，選擇CMC作為穩(wěn)定劑，以陰離子分散劑SL和非離子分散劑TPEG分別作為漿體分散劑時(shí)，均可制得粘度較小、流動(dòng)性較好的水炭漿，雖然穩(wěn)定性較低，但可成漿就說明所選擇的添加劑具有一定的合理性。

表3 不同添加劑種類的漿體性能Table3 The slurry properties with different additives

圖1 不同添加劑漿體粘度Fig.1 The slurry viscosity with different additives

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)良好的漿體性能，將分散劑進(jìn)行復(fù)配使用，第3組數(shù)據(jù)中以SL和NA按比例復(fù)配后的漿體流動(dòng)性稍差，所以選擇SL和TPEG進(jìn)行復(fù)配。第4、5、6組數(shù)據(jù)中，漿體的粘度都滿足要求，流動(dòng)性也連續(xù)流暢，只第6組數(shù)據(jù)中漿體的穩(wěn)定性差。從第4、5組數(shù)據(jù)可知，以SL和TPEG進(jìn)行復(fù)配，與CMC一起作為添加劑制漿的途徑切實(shí)可行。分散劑采用潤濕分散、靜電斥力分散以及空間位阻分散等作用，使得蘭炭顆粒在水中很好的分散開來，而穩(wěn)定劑的作用是使已分散的蘭炭顆粒、水、和其他分散的蘭炭顆粒之間形成一種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，阻止已分散的蘭炭顆粒沉淀，他們有著各自的分工，相互之間也可能受到影響，介于第6組數(shù)據(jù)中穩(wěn)定性差的問題，再進(jìn)行兩組對比實(shí)驗(yàn)，選擇PAM作為穩(wěn)定劑。根據(jù)第7、8組數(shù)據(jù)得出，兩個(gè)漿體的粘度很小，但是流動(dòng)性和穩(wěn)定性都很差，不滿足要求，放棄PAM作為穩(wěn)定劑的方案。從整個(gè)數(shù)據(jù)中可以得出，以SL、TPEG為分散劑，CMC為穩(wěn)定劑是較好的選擇，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選擇此種復(fù)配方案。

2.2 粒度組成

在水炭漿的制備過程中，蘭炭末篩分為三個(gè)粒度級(jí)別，最細(xì)粒度的蘭炭末質(zhì)量比例D1選擇70%、75%、80%、85%四個(gè)數(shù)值，其余兩個(gè)粒度級(jí)別的質(zhì)量按1∶1的比例平分。水炭漿濃度設(shè)定為56%，添加劑的總量占干料總量的1.8%，具體比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。具體實(shí)驗(yàn)按表4進(jìn)行。

表6 不同添加劑總量漿體Table6 The slurry properties with different additives amount

表4 不同粒度配比的漿體性能Table4 The slurry properties with different Particle size

表4數(shù)據(jù)顯示，D1在70%以上所制備的水炭漿漿體流動(dòng)性、穩(wěn)定性良好?？傮w上細(xì)顆粒的含量越多，穩(wěn)定性越好。細(xì)顆粒含量的增加，顆粒的堆積效率提高，顆粒堆積時(shí)空隙較少，減少了顆粒沉積的空間，穩(wěn)定性自然增加，同時(shí)，研究堆積效率與粒度分布的關(guān)系，也有利于提高水炭漿的濃度[8]。表4中，4種粒度組成制備的水炭漿的表觀粘度數(shù)值均在800 mPa.s以上并且相差不大，80%的粒度組成制備的水炭漿的粘度相對最小，穩(wěn)定性、流動(dòng)性良好，雖然85%的粒度組成所制備的水炭漿的穩(wěn)定性具有優(yōu)勢，但在原料研磨以及篩分過程中，細(xì)顆粒的能耗相對較高，綜合考慮，選擇80%的粒度組成作為實(shí)驗(yàn)初選的方案是合理的。

隨后以最細(xì)顆粒80%的質(zhì)量組成為基礎(chǔ)，探究其他兩個(gè)粒度的分配對水炭漿性能的影響。添加劑總量為干料總量的1.8%，水炭漿濃度設(shè)定為56%，具體比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。

由表5可知，粒度組成質(zhì)量比為D1∶D2∶D3= 80%∶12%∶8%時(shí)，水炭漿的粘度最小，穩(wěn)定性和流動(dòng)性最好，是漿體性能相對最優(yōu)的條件，所以最終確定這一粒度組成作為基礎(chǔ)工藝條件。

表5 不同粒度配比的漿體性能Table5 The slurry properties with different Particle size

2.3 添加劑量的確定

粒度組成D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，設(shè)定水炭漿濃度為56%，改變添加劑總量為分別占干料總量的1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，而SL∶TPEG∶CMC的比例初定為7∶3∶5，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6中可以看出，制漿時(shí)不使用添加劑，單純是級(jí)配蘭炭末顆粒與水溶液的混合物，剛開始攪拌時(shí)表觀上呈現(xiàn)漿體狀，也可以適當(dāng)流動(dòng)，但靜置后在不到一天的時(shí)間內(nèi)固體顆粒沉積，混合物出現(xiàn)嚴(yán)重分層現(xiàn)象，無從談及漿體性能，所以制備水炭漿必須使用添加劑。而當(dāng)添加劑的總量達(dá)到3%、4%時(shí)，明顯無法成漿，混合物呈粥樣狀，攪拌過程中阻力較大，靜置2 d后混合物上層析出的黃色液體可能是添加劑的混合物水溶液，說明添加劑也并非越多越好。添加劑的總量控制在1.0%和2.0%的時(shí)候，可制備出粘度較低，穩(wěn)定性良好，而且流動(dòng)性較好的漿體，由此初步確定添加劑總量的范圍在1%～2%之間，前期探索實(shí)驗(yàn)選擇的1.8%的添加劑總量屬于合理范圍。

隨著對添加劑作用機(jī)理的深入研究，同時(shí)由于添加劑的成本較高，在后期的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該盡力減少添加劑的總量，提高水炭漿的濃度，嘗試將添加劑的總量持續(xù)降低，保持在(1±0.2)%左右。

本次實(shí)驗(yàn)先嘗試降低添加劑總量至1.5%。蘭炭末顆粒組成為D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，設(shè)定水炭漿濃度為56%，改變?nèi)N添加劑的質(zhì)量比例，探索漿體性能相對較優(yōu)的添加劑配比方案，具體實(shí)驗(yàn)如表7所示。

圖2 不同添加劑漿體粘度Fig.2 The slurry viscosity with different additives ratio

表7 不同添加劑漿體性能Table7 The slurry properties with different additives ratio

根據(jù)圖2的粘度數(shù)值，由表7可知，選用的10種添加劑比例所制備的水炭漿各項(xiàng)漿體性能指標(biāo)良好，尤其穩(wěn)定性都比較好，最長可達(dá)一月之久，這表明添加劑種類和總量的選擇基本正確。數(shù)據(jù)1、2雖粘度稍高，但也在合理范圍，只是流動(dòng)性稍差，穩(wěn)定性相對最短，同樣數(shù)據(jù)6除了粘度值稍高之外，其他性能都表現(xiàn)良好，在以其他添加劑比例所制備水炭漿的性能均較優(yōu)良的情況下，可以棄之不用。剩余的其他7組數(shù)據(jù)，其實(shí)都可作為性能優(yōu)良的水炭漿制備方案，在擇優(yōu)選用的原則下，可使用第8組數(shù)據(jù)的配比進(jìn)行制備，以獲得低粘度高穩(wěn)定性且流動(dòng)性好的水炭漿制品。

3 結(jié)論

本文選用蘭炭末作為原料，鑒介水煤漿及水焦?jié){的制備工藝，探索水炭漿的制備方法。根據(jù)HGI預(yù)估，水炭漿的制備可以實(shí)現(xiàn)。性能優(yōu)良的水炭漿制備關(guān)鍵在于添加劑的選擇和蘭炭末顆粒的粒度組成。實(shí)驗(yàn)設(shè)定水炭漿濃度為56%。

（1）陰離子分散劑SL和NA，非離子分散劑TPEG均可作為水炭漿的分散劑使用，為了達(dá)到更好的分散效果，采用了復(fù)合配比方案，最終選用SL+TPEG作為分散劑，穩(wěn)定劑確定為CMC。

（2）選擇好添加劑的種類之后，初步選定蘭炭末的粒度組成為D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，經(jīng)過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索后，確定粗粒子的比例，最終選擇D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%的粒度組成。

（3）添加劑的總量占干料量的比例根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要確定在1%-2%之間，實(shí)驗(yàn)初選添加劑的量為1.8%，可以制備性能優(yōu)良的水炭漿制品，降低添加劑的用量至1.5%后，漿體性能良好。同時(shí)確定三種添加劑之間的具體配比為SL∶TPEG∶CMC=0.74%∶0.38%∶0.38%，可制備出低粘高穩(wěn)強(qiáng)流動(dòng)性的水炭漿制品。

［1］庾晉.我國水煤漿技術(shù)綜述[J].煤氣與熱力,2003,23（7）:429-431.

［2］趙世永,張晉陶.粒度配比對神府煤水煤漿穩(wěn)定性的影響[J].煤炭工程,2006（12）:88-90.

［3］李靜,董慧茹,劉國文改善粒度級(jí)配提高大同水煤漿的穩(wěn)定性[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,29（1）:93-97.

［4］袁善錄,戴愛軍制備高濃度水煤漿的影響因素探討[J].應(yīng)用化工, 2007,36（12）:1242-1251.

［5］李耀東神府煤制水煤漿添加劑的篩選及工業(yè)應(yīng)用[J].大氮肥,2006, 29（4）:268-271.

［6］高夫燕.基于石油焦的漿體燃料制備及特性研究[D].浙江：浙江大學(xué),2013.

［7］張群彩,楊東杰,等.改性木質(zhì)素磺酸鹽水煤漿添加劑對神華煤制漿性能的影響[J].精細(xì)化工，2006,23(3):246-249.

［8］Debadutta D,Uma D,Jibardhan M,et al.Improving stability of concentrated coal–water slurry using mixture of a natural and synthetic surfactants[J].Fuel Processing Technology,2013(113):41-51.

Study on Properties of Blue-Coke Water Slurry

SU Ting1,GAO Wen-wen1,SONG Yong-hui2,SHI Ming-liang2
（1.School of Chemistry＆Chemical Engineering,Yulin University,Shaanxi Yulin 719000,China；2.School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Shaanxi Xi'an 710055,China）

The slurry conditions and basic properties of blue-coke water slurry were studied in this paper.After grinding and screening,the raw material was divided into three particle sizes(D1＞200 mesh,D2=100～200 mesh,D3=60～100 mesh).The blue-coke water slurry was prepared by using sodium lignosulfonate(SL)and TPEG as dispersant and carboxy methyl cellulose sodium(CMC)as the stabilizer.The slurry concentration was set as 56%,the additives accounted for 1.5%of the total amount of dry material,and SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%,particle size was D1：D2：D3=80%:12%:8%,the prepared slurry had good performance with the viscosity of 518 mPa?s,the good fluidity and the 30 days stability.

Blue-coke water slurry;Additives;Properties of slurry

TQ 530

A

1671-0460（2017）03-0400-04

榆林新材料制備及深加工自動(dòng)化-水炭漿的制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，項(xiàng)目號(hào)：2015CXY-01。

2017-01-13

蘇婷（1984-），女，陜西省榆林市人，講師，碩士，2011年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，研究方向：煤化工。專任教師。E-mail：st1010ivy@126.com。

高雯雯（1985-），女，講師，碩士，研究方向：蘭炭廢水處理。E-mail：154167822@qq.com。