低階煤在水煤漿領(lǐng)域的研究利用

魏生海 張瑜 張曉慧 徐宏偉 韋孫昌 謝欣馨 曾梅

摘 ?????要： 低階煤的開發(fā)利用是煤化工行業(yè)比較棘手的問題，將低階煤應(yīng)用于水煤漿領(lǐng)域解決了其資源化利用問題。從原煤改性、配煤、添加劑、制備工藝四個方面簡要總結(jié)了低階煤制備較高濃度水煤漿的研究現(xiàn)狀，并提出深入技術(shù)革新，開拓工業(yè)應(yīng)用是未來發(fā)展的重中之重。

關(guān) ?鍵 ?詞：低階煤;水煤漿;原煤改性;配煤;添加劑;制備工藝

中圖分類號：TQ544 ????文獻標識碼： A ????文章編號： 1671-0460（2019）06-1250-04

Abstract： The development and utilization of low rank coal is a thorny problem in coal chemical industry. The application of low rank coal in the field of coal water slurry solves the problem of resource utilization. In this paper， the research status of preparation of high concentration coal water slurry from low rank coal was briefly summarized from four aspects： raw coal modification， coal blending， additives and preparation process. It's pointed out that in-depth technological innovation and industrial application are the most important in future development.

Key words： Low rank coal; Coal water slurry; Raw coal modification; Coal blending; Additives; Preparation process

水煤漿的研究一直是煤氣化領(lǐng)域的熱點，其濃度的高低直接決定著氣化工藝能耗指標的高低，制備高濃度水煤漿對高氣化效率、低比煤耗、低比氧耗等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要。高濃度水煤漿的制備一直是水煤漿領(lǐng)域的難題，尤其對于難成漿的煤種來說，更是需要攻克的難點。

低階煤是公認的制漿性能較差的煤種，水分和灰分含量高，氧元素含量高，可磨性差，熱值低，制備的煤漿濃度低，在氣化領(lǐng)域無法滿足應(yīng)用要求。但是從我國煤炭資源儲備來看，低階煤的儲量是非常豐富的，約占全國已探明煤炭儲量的55%以上，尤其是褐煤，分布廣泛，儲量達1 303億t，如何將這些劣質(zhì)煤種開發(fā)利用實現(xiàn)其資源化利用成為研究者們探究的熱點。

近年來，學(xué)者們紛紛致力于低階煤制漿的研究，在優(yōu)質(zhì)煤種制漿的基礎(chǔ)上，根據(jù)高濃度水煤漿成漿要求，從原料、工藝、添加劑等方面著手，進行一系列的探究實驗，得到了較科學(xué)的改進方法。本文將主要圍繞以下五個方面對低階煤制漿進行介紹。

1 ?原煤改性對低階煤成漿性影響

從自身結(jié)構(gòu)來看，低階煤屬于芳香縮合程度低、支鏈上羧基、羥基等酸性含氧官能團較多的煤種，同時其孔隙率大，親水性強，這些特征使其不具備制備高濃度料漿的要求[1]。通過外界方法改變結(jié)構(gòu)組成，降低內(nèi)在水含量、氧含量和孔隙率，是提高其成漿性能行之有效的途徑。

目前對低階煤改性研究較多的方法有水熱提質(zhì)法、微波提質(zhì)法、化學(xué)改性法。水熱提質(zhì)法是開展研究較早的提質(zhì)方法，它主要通過高溫、高壓、水熱作用改變煤的結(jié)構(gòu)、組成及性質(zhì)，從而改善煤的成漿性能。

常鴻雁等對四種年輕煤在加壓水蒸氣下進行了脫氧改質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)處理后的煤樣氧含量降低，脫除率最高達20.7%，羧基和酚羥基含氧官能團含量也降低，最高脫除率分別達到78.5%和31.3%，同時煤樣的熱值和碳含量有所提高[2]。趙衛(wèi)東等研究了小龍?zhí)逗置汉陀《饶嵛鱽哅IP亞煙煤兩種低階煤改性后成漿性能，結(jié)果表明隨著水熱反應(yīng)終溫的升高，煤樣的煤階升高，氧含量和內(nèi)在水含量減少，煤/水界面接觸角升高，煤表面的親水性減弱，煤樣的成漿濃度大幅提升，比未改性前分別增加19.95%和24.90%[3]。

相比于水熱提質(zhì)法，微波提質(zhì)法起步較晚，在國內(nèi)的研究處于初級階段，但其快速高效性優(yōu)于水熱提質(zhì)法。近年來，學(xué)者們對它在成漿領(lǐng)域的應(yīng)用做了一些研究，比如楊虓等發(fā)現(xiàn)經(jīng)微波輻照，褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面含氧官能團減少，且在高濕環(huán)境下褐煤的復(fù)吸水分由 25. 58%下降至 21.65%[4]。任陽光等研究了微波對褐煤結(jié)構(gòu)組成的影響，并進行了煤樣成漿試驗，發(fā)現(xiàn)微波輻照時間越長，煤樣的含水率和表面含氧官能團含量逐漸降低，比表面積先升高后逐漸降低，平均孔徑和孔體積均先降低然后再逐漸升高，且定黏濃度由原煤的 51.3%上升到微波輻照 12 min 時的 54.58%[5]。

化學(xué)改性法是另一種新興改性方法，李響等用Span40、Span60、CTAB 、0號 Diesel 4 種化學(xué)物質(zhì)對神東低階煤進行表面改性，發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)對煤質(zhì)改性的主要原理是在其表面形成一層膜質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有強大的疏水性，可以有效地阻隔與水結(jié)合，促進與添加劑的結(jié)合能力，從而提高煤樣的成漿濃度[6]。

2 ?配煤對低階煤成漿性影響

除了原料改性外，配煤技術(shù)是從原料方面提高水煤漿濃度的另一種途徑。在低階煤制漿過程中加入成漿性較好的煤種，可以將水煤漿的濃度提高3%以上，不過不同的煤種其配煤效果存在差別，具體機理仍需進一步研究。

李寒旭等研究了配合煤對水煤漿性能的影響，結(jié)果表明配煤可有效提升難成漿煤樣的成漿濃度，因配合煤性質(zhì)和加入比例不同，配煤后成漿性能差異比較明顯，經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)配煤可以有效降低高灰熔點煤的灰熔點[7]。盛明在褐煤中加入半焦研究了其成漿性能，發(fā)現(xiàn)混配后水煤漿的成漿濃度比單獨成漿提9.08%[8]。蘇倩等以靈武煤田清水營礦煤為對象，研究了神木煤和末煤配煤后的成漿性能，結(jié)果表明清水營煤∶神木煤∶末煤=50∶40∶10時，其成漿濃度達59.18%，比清水營礦煤單獨制漿濃度提高了8.27%[9]。李艷昌等進行了六種成漿性能好的煤與難成漿神華煤的配煤實驗，發(fā)現(xiàn)配煤對神華煤成漿濃度的提高效果比較明顯，配煤使得煤漿體系達到優(yōu)劣結(jié)合的狀態(tài)，且不同煤種的配煤實驗存在差異[10]。他在另一篇文章中也驗證了此觀點，將性能好的不同煤種與性能差的不同煤種分別成漿，進行30種配煤實驗，得到不是每一種成漿性較好的煤與成漿性較差的煤都能得到較好的效果[11]。

3 ?添加劑對低階煤成漿性影響

添加劑的選擇是低階煤制備的關(guān)鍵，是影響煤樣成漿性的一個重要因素，添加劑的加入可以有效提高煤粒表面的親水性，增強煤粒表面的動電位，防止煤粒間的相互聚集，從而提高漿體的制漿濃度，改善漿體的制漿性能。

學(xué)者們對添加劑的研究比較深入，而且發(fā)現(xiàn)不同的添加劑對煤樣成漿性的影響不同，從表1可知，添加劑結(jié)構(gòu)差異明顯是造成水煤漿成漿性差別的主要原因，此外添加劑的加入不僅能提高水煤漿的濃度和穩(wěn)定性，同時還能改變水煤漿的流變特性。

4 ?制備工藝對低階煤成漿性影響

水煤漿制備技術(shù)是影響其成漿濃度的核心因素，一直以來，學(xué)者們都致力于新技術(shù)的開發(fā)研究。目前，水煤漿制備工藝主要分三種技術(shù)：一代棒磨技術(shù)、二代分級研磨制漿技術(shù)和三代間斷粒度級配制漿技術(shù)。棒磨技術(shù)是比較傳統(tǒng)的研磨技術(shù)，該技術(shù)工藝簡單、成本低，但由于制漿濃度低限制了其發(fā)展，在低階煤制漿領(lǐng)域，研究最多的技術(shù)就是分級研磨制漿技術(shù)和間斷粒度級配制漿技術(shù)。

分級研磨制漿技術(shù)與傳統(tǒng)棒磨技術(shù)不同，它由兩套研磨系統(tǒng)組成，一套為粗磨系統(tǒng)，另一套為細磨系統(tǒng)，工藝流程如圖1所示。

呂向陽[12] 對比了自主研發(fā)MK-1添加劑和市售AYK 、AZM 添加劑對低階煤成漿性的影響。 對變質(zhì)程度較低的煤種，MK-1 添加劑效果優(yōu)于 AYK 及 AZM，水煤漿相同濃度和黏度時，MK-1 添加劑比市售 AZM 添加劑的使用量少50%，降低經(jīng)濟成本。

徐志永，等[13] 木質(zhì)素磺酸鈉、萘系、氨基、聚羧酸4種分散劑對補連塔低階煤水煤漿的成漿性影響。 4種分散劑單獨成漿，萘系分散劑成漿性最好，萘系與木質(zhì)素磺酸鈉1：1復(fù)配，成漿效果明顯高于分散劑單獨成漿效果。

王傳成，等[14] 石油磺酸鹽（PS）、亞甲基萘磺酸鹽復(fù)合物（MC）、木質(zhì)素磺酸鹽（LS）3種添加劑對內(nèi)蒙古薛家灣褐煤和勝利煤田褐煤成漿性的影響。 不同添加劑對煤樣最大成漿濃度不同，且2種褐煤水煤漿成漿濃度均較低，在表觀黏度為1.0 Pa·s 下最大只有 52.06%;水煤漿的表觀黏度均隨濃度的增加而增加，在低濃度時，呈現(xiàn)牛頓流體的特征，高黏度時，呈現(xiàn)假塑性流體特征。

孫美潔，等[15] 2種不同分散劑類型（萘系和木質(zhì)素系）對褐煤水煤漿穩(wěn)定性的不同影響。 兩種分散劑的結(jié)構(gòu)差異較大，萘系相比于木質(zhì)素系而言，吸附膜厚度較小，改性煤粒產(chǎn)生的空間位阻較小，故其制備的水煤漿穩(wěn)定性較差。

趙俊梅，等[16] 3種不同分散劑（氨基磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鈉和萘系磺酸鹽）對低階煤成漿性的作用機理。 分散劑的分子結(jié)構(gòu)對分散性能有不同的影響，分散劑支鏈越多，吸附到煤顆粒上的能力越強，形成的空間阻力越大，靜電斥力越強，煤顆粒表面的zeta電位絕對值越大，分散性能越明顯。

苗真勇，等[17] 季銨鹽類Gemini表面活性劑和十二烷基三甲基溴化銨（SAA）分散助劑與萘磺酸鈉甲醛縮合物陰離子分散劑（NSF）復(fù)配對低階煤成漿性能的影響。 Gemini助劑的增協(xié)作用比SAA更明顯，可使低階煤成漿濃度提高2%以上;助劑與NSF分散劑復(fù)配過程中，增加了煤表面的吸附位點，提高NSF吸附量，增加漿體的分散穩(wěn)定性。

張桂玲，等[18] 以內(nèi)蒙古1號，2號低階煤為研究對象，對比了普通制漿技術(shù)與該技術(shù)的成漿情況。 采用該技術(shù)制漿降低了煤漿的平均粒徑，提高了堆積效率，且成漿濃度比常規(guī)制漿工藝提高了4%左右。

段清兵，等[19] 以兩種新疆低階煤為原料，考察了該技術(shù)對其成漿性的影響。 與傳統(tǒng)制漿相比，采用該技術(shù)后，兩種煤漿粒度<0.075 mm 的粒級質(zhì)量分數(shù)均提高了13%左右，成漿濃度分別提高3.14%、3.12%，且流動性和穩(wěn)定性大大改善。

周永濤，等[20] 實驗室中對比單磨機制漿工藝和三峰分形級配制漿工藝制取的水煤漿成漿性能，工業(yè)示范中對比投產(chǎn)后的運行效果。 實驗室研究：濃度提高 4.1%，且水煤漿流動性和穩(wěn)定性顯著改善;工業(yè)運行結(jié)果：水煤漿濃度由改造前的 61.7%提高至65.5%，比氧耗、比煤耗均降低，有效氣含量提高。

王文偉，等[21] 介紹了該技術(shù)在神華新疆化工有限公司的應(yīng)用情況。 水煤漿質(zhì)量分數(shù)提高3.3個百分點，析水率減少1.4個百分點，棒磨機產(chǎn)量提高 20%以上。

楊軍紅，等[22] 介紹了兗礦魯南化肥廠應(yīng)用該技術(shù)的情況。 與單棒磨機相比，水煤漿濃度從59.7%提高到61.9%，產(chǎn)量從51.8 t·h-1提高到74.2 t·h-1，且氣化指標也得到大大改善。

間斷粒度級配制漿技術(shù)強調(diào)“以破代磨”，將原煤破碎與超細研磨技術(shù)有機組合，增大粗煤粉中的組分顆粒，使較細煤粉完全填充到粗顆粒間的空隙中，實現(xiàn)粗顆粒峰和細顆粒峰的完全分離，達到水煤漿粒度的高效緊密堆積，工藝流程如圖2所示，目前，該技術(shù)主要以實驗室研究為主，未進行工業(yè)化應(yīng)用。

杜麗偉等以褐煤和精煤為原料，采用間斷級配制漿工藝研究混配煤的成漿性能，結(jié)果表明加入40%精煤與褐煤進行混配，在間斷級配制漿工藝下，水煤漿的成漿濃度最高達61. 24%，且漿體的流動性和穩(wěn)定性較好[23]。陳浩以新疆寬溝煤為試驗煤種，對比了不同工藝條件下的成漿性能，得出常規(guī)單磨機制漿工藝下，寬溝煤成漿濃度為51.6%，分級硏磨制漿工藝下，成漿濃度提高了3個百分點以上，間斷級配制漿工藝成漿濃度最高，提高了7個百分點[24]。

5 ?超聲波技術(shù)對低階煤成漿性影響

超聲波技術(shù)在醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但在水煤漿制備領(lǐng)域仍處于起步階段，國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的研究較少，但是從應(yīng)用前景來看，該技術(shù)還是有很大的發(fā)展空間。

超聲波技術(shù)制備水煤漿主要是通過超聲輻照從而改變漿體性質(zhì)，漿體的變化主要體現(xiàn)在煤粉級配明顯細化，表觀黏度降低，穩(wěn)定性和流變特性顯著改變等方面。郭照冰等以龐莊煤為研究對象，利用超聲技術(shù)對其成漿性進行探究，發(fā)現(xiàn)超聲輻射有很強的分散作用，煤粉的粒度分布更加合理，填充效率更高，煤粉對添加劑的飽和吸附量增大，整個漿體的性能明顯提升[25]。程軍等考察了不同超聲輻射對制漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)最佳的強化條件為超聲波頻率為10kHz，作用時間為1min，且漿體的平均粒徑比常規(guī)制漿要低，漿體呈現(xiàn)屈服假塑性流體[26]。

6 ?電磁場磁化技術(shù)對低階煤成漿性影響

電磁場磁化技術(shù)制漿主要通過磁化作用使制漿原料的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而改變物質(zhì)的成漿性能，不同的物質(zhì)對其磁化的磁場強度和機制不不同。

李寒旭等在0～4 000 Gs磁場強度范圍內(nèi)，考查了淮南、華亭和北宿煤的成漿情況，發(fā)現(xiàn)不同煤種磁化后制得的料漿與原煤相比，結(jié)果并不相同，而且每種煤磁化的條件也存在較大差異[27]。湯永新等對煤和水進行磁化后制漿，發(fā)現(xiàn)煤漿的吸水率降低，穩(wěn)定性增大，通過分析可知，當有外界磁場存在時，水中氧和氫之間結(jié)合鍵距離變長，表面張力降低，與煤的附著力增強，煤粒之間的靜電力增大，所以整個體系的穩(wěn)定性變好[28]。

7 ?結(jié) 論

低階煤的開發(fā)研究是一個漫長的過程，其在水煤漿領(lǐng)域的應(yīng)用是煤化工行業(yè)的重中之重，盡管從已有研究來看，不管是實驗室研究還是工業(yè)化應(yīng)用都取得一定的進展，但很多方面仍需加強和改進，比如深化原煤改性方法、探究新的高效添加劑、尋找新的制備工藝及促進工業(yè)化推廣等。在當前煤化工格局下，研究者們應(yīng)著力以市場需求為導(dǎo)向，真正開展有意義的研究，解決當前低階煤面臨的難題，推動煤化工行業(yè)的快速發(fā)展。

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