影響水煤漿成漿性因素的實(shí)驗(yàn)研究

田鋒

摘? ?要：要制備高濃度、低黏度、穩(wěn)定性和流動(dòng)性?xún)?yōu)良的水煤漿，影響因素很多，如煤質(zhì)、粒徑分布、堆積效率、內(nèi)水含量、分散劑等。采用3級(jí)W細(xì)∶W中∶W粗=5∶1∶4 級(jí)配下煤漿的黏度為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達(dá)到最好。通過(guò)平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級(jí)配的煤樣進(jìn)行測(cè)定，50 μm粒徑堆積效率為0.7，黏度為732 mPa·s，效果最好。新型兩性離子分散劑與煤種的適配性較好，同時(shí)也可以通過(guò)改性和與其他添加劑復(fù)配來(lái)擴(kuò)大與煤種的適配范圍。

關(guān)鍵詞：水煤漿;成漿性;影響因素;粒度級(jí)配;堆積效率;添加劑

水煤漿技術(shù)是一種用煤制清潔燃料的新型煤代油技術(shù)，既環(huán)保又節(jié)能，也可以發(fā)揮我國(guó)煤炭資源優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)能源長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略選擇和現(xiàn)實(shí)選擇[1]。

水煤漿是煤、水和少量的化學(xué)添加劑相混合成的一種粗分散體系物質(zhì)，其中煤占60%～73%，水為30%～40%，化學(xué)添加劑為0.2%～1.0%。常溫水煤漿和石油一樣可以進(jìn)行儲(chǔ)存、霧化、泵送和相對(duì)穩(wěn)定的燃燒。由于水煤漿燃燒熱值高，綠色環(huán)保，可用于工業(yè)鍋爐、供熱站、導(dǎo)熱油鍋爐和工業(yè)窯爐代油。在礦區(qū)，也可以將低價(jià)煤炭加工成高價(jià)水煤漿，同時(shí)水煤漿也是工業(yè)上合成甲醇、二甲醚和合成氨的重要原材料。因此，水煤漿是代替重油、石油和天然氣的新型燃料，備受世界各國(guó)關(guān)注[2]。

要制備高濃度、低黏度、穩(wěn)定性和流動(dòng)性?xún)?yōu)良的水煤漿，影響因素很多，除煤質(zhì)、粒徑分布、堆積效率、內(nèi)水含量、分散劑以外，還與溫度、穩(wěn)定劑、pH調(diào)節(jié)值、磨礦和制漿工藝等有關(guān)。

1? ? 煤質(zhì)特性對(duì)水煤漿成漿性的影響

1.1? 粒度級(jí)配對(duì)水煤漿成漿性的影響

要制備高濃度水煤漿，主要途徑之一是減小煤粒間隙。應(yīng)用與煤種相匹配的粒度級(jí)配，制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高3%～7%，可以改善漿體的穩(wěn)定性和流動(dòng)性[3-4]。濃度相同粒度級(jí)配不同的漿體黏度差異較大，適應(yīng)性較好的粒度級(jí)配可以降低水煤漿黏度，增加流動(dòng)性。因煤質(zhì)不同，常用的煤粒粒徑分布有：2級(jí)級(jí)配法和3級(jí)級(jí)配法。趙世永等[5]對(duì)神府煤的粒度分布對(duì)成漿性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示用小于25 μm與大于75 μm的煤粉粒徑進(jìn)行兩級(jí)級(jí)配，各份量均為50%，煤漿的穩(wěn)定性和黏度均較好。

如表1所示，在保證質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%時(shí)，小于25 μm，25～75 μm和大于75 μm的3級(jí)級(jí)配試驗(yàn)中，W細(xì)∶W中∶W粗? =5∶1∶4 級(jí)配下水煤漿的黏度為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

1.2? 堆積效率對(duì)水煤漿成漿性的影響

Boylu等[4]在制漿過(guò)程中的粒度級(jí)配，實(shí)現(xiàn)合理的粒度分布不僅可以使小煤粒占據(jù)大煤粒的空間達(dá)到較高的堆積效率，良好的粒度級(jí)配還可使分散劑較好地吸附在煤粒表面，從而制得高質(zhì)量濃度的水煤漿，并改善水煤漿的穩(wěn)定性。

粒度分布對(duì)黏度的影響可通過(guò)平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級(jí)配的煤樣進(jìn)行測(cè)定。表觀黏度的測(cè)定結(jié)果（在100 r/min的剪切速度下）如表2所示。所有實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行須使用固含量為55%的漿體。

在表2中不同分布的3種煤樣中，堆積效率隨平均顆粒直徑的增加而增加。當(dāng)平均顆粒直徑相同時(shí)，3種不同的煤樣的堆積效率變化相似，但黏度值變化較大。與顆粒平均直徑為50 μm，黏度為732 mPa·s的Siberia煤相比，低級(jí)配的Istanbul-Agacli煤的黏度卻為903 mPa·s。對(duì)于顆粒平均直徑不同的煤樣也同樣如此，顆粒平均直徑為19 μm，Siberia煤的黏度為2 182 mPa·s，而Soma煤的黏度達(dá)到2 632 mPa·s，Istanbul-Agacli煤的黏度為2 976 mPa·s。制備低黏度的漿體均可以使用顆粒平均直徑更大的不同煤樣，但平均粒徑主要由粒度分布決定。原因是微小顆粒制備的漿體的堆積效率低，低堆積效率的煤漿黏度較高，堆積效率較低的煤形成一種相當(dāng)緊密的結(jié)構(gòu)。因此，由煤組成的懸浮液流體不能輕易地進(jìn)入煤的表面原子的空隙。即使流體進(jìn)入了這些空隙，也很難在里面移動(dòng)。因此，增加運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的內(nèi)部摩擦力會(huì)形成更大的阻力，進(jìn)而引起黏度的增加。顯現(xiàn)出更大堆積效率的顆粒具有更大的空隙，進(jìn)而有較低的黏度和更好的流動(dòng)性。然而，由于在燃燒過(guò)程中遇到的沉降和粒度范圍限制的問(wèn)題，顆粒直徑不能增加太多。

2? ? 水煤漿添加劑對(duì)水煤漿成漿性的影響

我國(guó)水煤漿技術(shù)普遍存在的問(wèn)題是分散劑與煤種匹配性差，一種添加劑只對(duì)某些煤種有作用，對(duì)其他煤種沒(méi)有明顯的分散降黏作用[6]，成本較高。木質(zhì)素系分散劑存在的問(wèn)題是制漿黏度大、投加量多，腐殖酸系分散劑存在的問(wèn)題是穩(wěn)定性差，而其他非離子型分散劑和聚羧酸類(lèi)分散劑存在的問(wèn)題是價(jià)格昂貴，制漿成本高。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多種分散劑復(fù)配使用既可以提高水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，又可以降低黏度，減少分散劑用量。常見(jiàn)復(fù)配方式為非離子-陰離子型復(fù)配，非離子-非離子型復(fù)配，陰離子-陰離子型復(fù)配。相比而言，非離子-陰離子型復(fù)配所制得的添加劑性能最佳，如聚氧乙烯醚和木質(zhì)素磺酸鹽的復(fù)配等[7]。

提高分散劑分散效果的另一種途徑是改性。常見(jiàn)的化學(xué)改性方式有接枝共聚、磺化、縮合、磺甲基化、化學(xué)氧化等[8]。Zhou等[9]以造紙黑液磺化改性后作為分散劑，發(fā)現(xiàn)磺酸基含量越高和分子質(zhì)量越大，分散劑分散性能越好。目前出現(xiàn)的一些新型添加劑，如生物質(zhì)添加劑、兩性離子添加劑等，具有良好的性能，例如對(duì)水質(zhì)要求不高[10]，在酸性堿性溶液中均可使用，幾乎可以與其他所有類(lèi)型添加劑復(fù)配。朱雪丹等[11]以聚乙二醇、丙烯酸為主要原料，通過(guò)合成的方法制備了一種含有陰陽(yáng)離子的新型兩性聚羧酸系水煤漿分散劑。該分散劑既具有分散性，又具有穩(wěn)定功能。用此分散劑對(duì)神府煤做成漿性研究，結(jié)果顯示，當(dāng)制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%時(shí)，分散劑用量為干基煤質(zhì)量的0.5%，水煤漿表觀黏度僅為920 mPa·s。采用兩性離子型添加劑、改性技術(shù)、復(fù)配等是未來(lái)水煤漿添加劑發(fā)展的趨勢(shì)[12]。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在3級(jí)W細(xì)∶W中∶W粗=5∶1∶4級(jí)配中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在66%，水煤漿的黏度降為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

（2）通過(guò)平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級(jí)配的煤樣進(jìn)行測(cè)定。50 μm粒徑堆積效率為0.7，黏度為732 mPa·s，效果最好。制備低黏度的漿體均可以使用顆粒平均直徑更大的不同煤樣。

（3）新型兩性離子分散劑具有優(yōu)越性，與煤種的適配性較好，也可以通過(guò)改性，與其他添加劑復(fù)配來(lái)擴(kuò)大與煤種的適配范圍。

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