不同分散劑及其復(fù)配對(duì)神華新疆煤成漿性影響研究

李 文 明

(神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引 言

目前，水煤漿氣化行業(yè)使用的分散劑主要包括萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素[6-9]，價(jià)格比約為3.5∶2∶1，三者在水煤漿制備過(guò)程中均起到一定的分散作用。其中，萘系是1種高效減水劑，其源于建筑行業(yè)水泥漿的制備，近年開始用于水煤漿的制備領(lǐng)域;萘系分子鏈骨架為剛性直鏈，帶有較多的磺酸基官能團(tuán)，主要依靠靜電斥力作用于煤顆粒表面，隨著分子量的增大，其分散性能增強(qiáng)[10];木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素均為植物制漿造紙行業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其中木質(zhì)素磺酸鈉存在于亞硫酸鹽制漿法的廢液中，官能團(tuán)主要為磺酸基；堿木素存在于燒堿法或硫酸鹽化學(xué)制漿法的廢液中，經(jīng)強(qiáng)堿處理后，官能團(tuán)主要為酚羥基、甲氧基和醇羥基等[11,12]。

神華新疆化工有限公司采用西門子GE水煤漿氣化工藝，規(guī)模為年產(chǎn)68萬(wàn)t烯烴，氣化裝置耗煤量為340 t/h，使用6臺(tái)棒磨機(jī)磨煤，現(xiàn)制漿原料為黑山煤和紅沙泉煤。由于地理位置和氣候的因素制約，2種原料煤的配比會(huì)隨著季節(jié)的變化產(chǎn)生一定的波動(dòng)。

為了確保氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行與降低經(jīng)濟(jì)成本，以下對(duì)萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素以及3種添加劑復(fù)配對(duì)神華新疆制漿用煤在不同配比條件下成漿性的影響進(jìn)行研究和探討，最終得出神華新疆煤最優(yōu)的分散劑添加方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)用煤為黑山煤和紅沙泉煤，其工業(yè)分析、元素分析及可磨指數(shù)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析及可磨指數(shù)

由表1可知，黑山煤屬于特低灰、特低硫、高揮發(fā)分較難磨煤，紅沙泉煤屬于低灰、低硫高揮發(fā)分中等可磨煤。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1水煤漿制備

實(shí)驗(yàn)采用干法制漿，1次制漿量為220 g。按照現(xiàn)場(chǎng)煤漿粒度分布，使用棒磨機(jī)將黑山煤和紅沙泉煤制得粒度合適的煤粉。根據(jù)設(shè)定濃度及分散劑比例計(jì)算出所需煤粉、水和分散劑的質(zhì)量并混合，利用攪拌器在800 r/min條件下攪拌 6 min后制成水煤漿樣品。測(cè)定水煤漿樣品的濃度、黏度并觀察其流動(dòng)性。水煤漿的粒度分布見表2。

綜上所述，在建構(gòu)化學(xué)生成課堂時(shí)，有很多備選途徑，但根本宗旨是一樣的，那就是激活學(xué)生思維，并結(jié)合學(xué)生的思維進(jìn)展推動(dòng)生成，這也將保護(hù)學(xué)生思維的主動(dòng)性和靈活性，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升.

表2 水煤漿的粒度分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2.2吸附量測(cè)定

通過(guò)測(cè)量煤水界面的接觸角來(lái)研究煤表面的親水性[13]。接觸角用德國(guó)KRUSS光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量。可由軟件控制測(cè)量動(dòng)、靜態(tài)接觸角并通過(guò)對(duì)液滴的外形分析，計(jì)算固體的表面自由能及液體的表面界面張力，通過(guò)抓取液滴在固體表面接觸的瞬間數(shù)碼照相來(lái)直接測(cè)量接觸角的大小。

1.2.3成漿性分析

氣化水煤漿成漿性分析包括煤漿的濃度、黏度和流動(dòng)性[5]。

水煤漿流動(dòng)性的測(cè)量方法有觀察法、數(shù)值法。觀察法可直觀描述漿體的流動(dòng)狀態(tài)，受主觀影響較大;數(shù)值法的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、易比對(duì)，直觀性較差，所以實(shí)驗(yàn)中將2種測(cè)量方法配合使用。

(1)觀察法。根據(jù)漿體的流動(dòng)特性，分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。 A:流動(dòng)連續(xù)，平滑不間斷;B:流動(dòng)較連續(xù)，流體表面不光滑;C:借助外力才能流動(dòng);D:泥狀不成漿，不能流動(dòng)。為了表示屬于某一等級(jí)范圍流動(dòng)性的較小差別，分別用“+”號(hào)和“-”號(hào)加以區(qū)分，“+”號(hào)表示某一等級(jí)中流動(dòng)性較好者;“-”號(hào)表示某一等級(jí)中流動(dòng)性較差者。

(2)數(shù)值法。將水煤漿注滿標(biāo)準(zhǔn)截錐圓模(上口徑36 mm，下口徑60 mm，深度60 mm)，提升截錐圓模，在流動(dòng)30 s后測(cè)定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑，并用最大直徑值來(lái)判斷水煤漿的流動(dòng)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)定不同分散劑對(duì)煤表面的接觸角

采用接觸角測(cè)量?jī)x，在分散劑溶液濃度的相同條件下，測(cè)定萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素3種分散劑對(duì)黑山煤和紅沙泉煤的表面接觸角，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同分散劑對(duì)煤顆粒表面的接觸角

接觸角是指在氣、液、固三相交界處，氣液界面的切線穿過(guò)液體與固液交界線之間的夾角，是潤(rùn)濕度的計(jì)量方法。當(dāng)液滴落在煤表面時(shí)，由于表面張力的作用，在煤表面迅速鋪展后停止，在停止時(shí)測(cè)量的接觸角表示液滴對(duì)煤的親和性。從圖1可看出，紅沙泉煤和黑山煤與水的接觸角分別為64.6°和83.6°;添加堿木素分散劑時(shí)，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為59.3°和75.8°;添加木質(zhì)素磺酸鈉時(shí)，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為53.2°和61.3°;添加萘系時(shí)，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為45.5°和50.4°。分散劑的加入可改變煤的親水性，使液滴與煤表面的接觸角變小，接觸角越小親水性越強(qiáng)，分散劑的分散效果越好。在使用不同分散劑時(shí)，黑山煤的接觸角均大于紅沙泉煤的接觸角，究其原因是由于煤的分子結(jié)構(gòu)不同從而導(dǎo)致其親疏水性不同[14]。

2.2 不同分散劑對(duì)煤最高成漿濃度的影響

在分散劑的添加比例為0.4%(干基添加劑/干基煤)條件下，將萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素分別作為分散劑，使用黑山煤和紅沙泉煤制漿，測(cè)定制得煤漿的最高成漿濃度，以煤漿黏度小于1 000 mpa·s，流動(dòng)性大于12 cm作為最高成漿濃度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表3。

表3 不同分散劑對(duì)黑山煤和紅沙泉煤最高成漿濃度的影響

在分散劑添加量相同條件下，分別以黑山煤和紅沙泉煤為原料制備水煤漿，使用不同分散劑制得水煤漿的最高成漿濃度不同，其中使用萘系作為分散劑時(shí)，黑山煤的最高成漿濃度為63.55%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為58.36%;使用木質(zhì)素磺酸鈉作為分散劑時(shí)，黑山煤的最高成漿濃度為62.65%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為57.76%;使用堿木素作為分散劑時(shí)，黑山煤的最高成漿濃度為61.31%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為56.39%。由此可以得出，對(duì)于神華新疆制漿用煤，3種分散劑的分散效果優(yōu)劣次序?yàn)檩料?、木質(zhì)素磺酸鈉、堿木素。

2.3 分散劑添加量對(duì)煤最高成漿濃度的影響

使用萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素作為添加劑，在添加量從0.2%升至0.6%時(shí)，分別考察黑山煤和紅沙泉煤的最高成漿濃度，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 分散劑添加量對(duì)黑山煤成漿濃度影響

圖3 分散劑添加量對(duì)紅沙泉煤成漿濃度影響

從圖2和圖3可看出，當(dāng)分散劑的添加量從0.2%升至0.4%時(shí)，黑山煤和紅山泉煤的最高成漿濃度提高了2個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)分散劑的添加量從0.4%升至0.6%時(shí)，煤漿的最高成漿濃度變化不明顯，表明黑山煤和紅山泉煤分散劑的最佳用量為0.4%。

2.4 不同分散劑對(duì)混煤制備水煤漿的影響

將紅沙泉煤和黑山煤摻混制成混煤作為制漿原料，分散劑的添加量為0.4%，當(dāng)紅沙泉煤所占比例為100%、80%、60%、40%、20%和0時(shí)，制得水煤漿的最高成漿濃度如圖4所示。

圖4 不同分散劑對(duì)黑山煤和紅沙泉煤摻混制得水煤漿最高濃度的影響

從圖4可知，隨著混煤中紅沙泉煤所占的比例降低，混煤的最高成漿濃度增大;紅沙泉煤的比例每降低20%，煤漿濃度提升約1個(gè)百分點(diǎn)。以煤漿的最高成漿濃度在59%以上為標(biāo)準(zhǔn)，使用萘系時(shí)，紅沙泉煤的最大摻混量為87%;使用木質(zhì)素磺酸鈉時(shí)，紅沙泉的最大添加量為75%;使用堿木素時(shí)，紅沙泉煤的最大添加量為54%。由于紅沙泉煤的成漿性較差，紅沙泉煤的配比增加會(huì)導(dǎo)致混煤的最高成漿濃度降低。

2.5 分散劑復(fù)配對(duì)摻混制備水煤漿的影響

氣化工藝要求煤漿濃度在59%以上，結(jié)合圖4得到的不同添加劑對(duì)黑山和紅沙泉混煤制得水煤漿最高濃度的影響規(guī)律，綜合考慮氣化漿的質(zhì)量要求和經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)確定紅沙泉煤摻混比例為40%～80%時(shí)，萘系和木質(zhì)素復(fù)配以及萘系和木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配對(duì)混煤的最高成漿濃度影響，結(jié)果見表4和表5。

表4 萘系和堿木素復(fù)配對(duì)混煤成漿性影響

表5 萘系和木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配對(duì)混煤成漿性影響

從表4可看出，萘系和堿木素的復(fù)配比例為5∶5、4∶6和3∶7時(shí)，紅沙泉煤在混煤中所占比例為40%和50%時(shí)，萘系和堿木素在3種配比情況下均可使混煤成漿濃度達(dá)59%以上;紅沙泉煤在混煤中所占比例為60%時(shí)，使用分散劑萘系和堿木素的配比為5∶5和4∶6，混煤成漿濃度可達(dá)59%以上;當(dāng)紅沙泉在混煤中比例達(dá)到70%時(shí)，萘系和木質(zhì)素在3種配比情況下，均無(wú)法使混煤成漿濃度達(dá)到59%。

從表5可看出，萘系和木質(zhì)素磺酸鈉的復(fù)配比例為4∶6、3∶7和2∶8時(shí)，紅沙泉煤在混煤中所占比例分別為50%、60%和70%時(shí)，萘系和木質(zhì)素磺酸鈉在3種配比情況下均可使混煤成漿濃度達(dá)59%以上;紅沙泉煤在混煤中所占比例為80%時(shí)，萘系和木質(zhì)素磺酸鈉配比為4∶6時(shí)，混煤成漿濃度可達(dá)59%以上。

3 結(jié) 論

(1)煤與水的接觸角表示煤和水的親和性，接觸角越小親水性越強(qiáng)，水滴與煤的接觸角最大，木質(zhì)素液滴的接觸角次之，萘系液滴的接觸角最小;將萘系、木質(zhì)素磺酸鈉和堿木素分別作為分散劑，分別使用黑山煤和紅沙泉煤制漿，以煤漿黏度小于1 000 mpa·s、流動(dòng)性大于12 cm為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，水煤漿最高成漿濃度從大到小為萘系、木質(zhì)素磺酸鈉、堿木素。從接觸角的測(cè)量結(jié)果和制漿試驗(yàn)均表明萘系的分散效果優(yōu)于木質(zhì)素磺酸鈉，堿木素的分散效果為三者中最差。

(2)考慮到分散劑的使用效果及制漿成本，在達(dá)到最佳效果時(shí)，分散劑加入量越少越好，當(dāng)分散劑的添加量從0.2%升至0.4%時(shí)，黑山煤和紅山泉煤的最高成漿濃度提高了2個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)分散劑的添加量從0.4%升至0.6%時(shí)，煤漿的最高成漿濃度變化不明顯，分散劑的最佳添加量為0.4%。

(3)將紅沙泉煤和黑山煤混合后作為制漿原料，當(dāng)紅沙泉煤所占比例從0升至100%時(shí)，隨著混煤中紅沙泉煤所占的比例升高，混煤的最高成漿濃度降低，紅沙泉煤的比例每升高20%，煤漿濃度降低約1個(gè)百分點(diǎn);其主要原因?yàn)榧t沙泉煤的最高成漿濃度比黑山煤的最高成漿濃度低5個(gè)百分點(diǎn)。

(4)萘系和木質(zhì)素的復(fù)配比例為5∶5、4∶6和7∶3，紅沙泉煤占混煤比例為40%～70%時(shí)，混煤最高成漿濃度為58.41%～60.39%;萘系和木質(zhì)素磺酸鈉的復(fù)配比例為4∶6、3∶7和2∶8，紅沙泉煤占混煤比例為50%～80%時(shí)，混煤最高成漿濃度為58.91%～60.45%。