醇類助磨劑對水煤漿磨制效果的影響

劉 銘，葉明星，朱德正，蔣光勇，張月夢

安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南,232001

水煤漿制備技術(shù)是我國潔凈煤技術(shù)的重要組成，主要用于氣化或燃燒，其中氣化水煤漿預(yù)計在2020年用量將達到2億噸/每年。水煤漿由于其液態(tài)排渣的技術(shù)要求，一般選用低變質(zhì)程度煤作為原料煤，然而低變質(zhì)程度煤通常內(nèi)水含量高，可磨性差，在磨制工段勢必會增加能耗[1-3]。

水煤漿專用助磨劑是提高水煤漿磨制效率，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗、高效運行的重要元素。研究表明，PSS和NSF的加入可以提高宗古達克高階煙煤和伊斯坦布爾低階褐煤的磨制效率，降低漿體黏度，同時，較細的煤粒也有助于在氣化過程中碳的轉(zhuǎn)化[4-5]。在水泥的磨制過程中通常也會加入一定量的助磨劑，三乙醇胺可以顯著降低水泥顆粒表面的總表面能和黏附功，進而降低了水泥顆粒破碎過程中所需要消耗的能量，同時有利于顆粒的分散，提高了水泥的粉磨效率，經(jīng)合成獲得的多元混合醇醚性能更是優(yōu)于三乙醇胺。煤中也含有部分無機礦物，且水煤漿添加劑與水泥減水劑的部分組分相同[6-8]?；诖?，借鑒水泥磨制過程中加入助磨劑的方法，本文通過摻入兩種醇類助磨劑，利用正交試驗設(shè)計找出最佳磨制條件，并分析了助磨劑對水煤漿漿體特性的影響[9-10]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對水煤漿助磨劑的研究尚不深入，本次實驗為水煤漿助磨劑的進一步開發(fā)提供實際參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗樣品

實驗選取神華煤，煤樣的煤質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析 wt%

實驗使用水煤漿添加劑GSH為實驗室自制，醇類助劑丙醇(YEC)，1-戊醇(YBC)采購獲得。

1.2 水煤漿制備

設(shè)定制漿濃度為58%，將水、添加劑(添加量3‰)、助磨劑混合均勻后加入行星式球磨機，再取70 g粗磨的煤樣放入，在不同條件下進行磨制。實驗考察的因素及水平如表2所示。

表2 實驗因素及水平

選用正交實驗L9(34)安排實驗(表3)。

表3 L9(34)正交實驗設(shè)計表

1.3 水煤漿粒度分析及性能測試

取少量制備好的水煤漿，用BT-2003激光粒度儀進行分析測試，以D50為判斷煤樣磨制情況的標準。

將水煤漿倒入試管中若漿體呈細線性連續(xù)流動，則流動性為A；若漿體呈細間斷流動，則流動性為B；若漿體無法流動，則為C，此時不成漿。

用保鮮膜封閉試管，每隔24小時測量析出水層的高度占總高度的百分比即為析水率。

水煤漿靜置72小時后，將一定質(zhì)量、粗細的玻璃棒插入水煤漿中，若玻璃棒自由下落，則為自由落棒；若用力按壓才可下落，則為加壓落棒；若無法按到試管底部，則為不落棒，此時漿體穩(wěn)定性差，不符合水煤漿氣化要求。

水煤漿的表觀黏度(η100s-1)測試參照GBT 31426-2015 氣化水煤漿標準執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨制條件的選擇

依照表3實驗方法依次進行實驗，磨制出的水煤漿D50經(jīng)分析測試結(jié)果如表4。

表4 水煤漿D50測試結(jié)果 μm

由表4可知，采用YEC作助磨劑，在實驗條件4，6，8，9下無助磨效果，在其他實驗條件下D50有效降低10%以上，其中在實驗條件3下助磨效果最為明顯，D50有效降低46%；采用YBC作助磨劑，在實驗條件2，實驗條件4-9下均無助磨效果，在實驗條件1和3下，D50有效降低10%以上，其中，在實驗條件1下，助磨效果最明顯，D50降低34%。不同助磨劑最佳磨制條件的具體分析如下。

Ki：表示為任一列上水平號為i(i=1,2或3)時，所對應(yīng)的粒度中位徑之和。

R：稱為極差，在任一列上R=max{K1,K2,K3}- min{K1,K2,K3}，見表5。

表5 空白樣磨制條件分析 μm

由表5可知,RA>RB>RC，故影響水煤漿磨制主次因素為A(水的添加比例)>B(磨制時間)>C(球磨機轉(zhuǎn)速)；試驗以D50為判斷依據(jù)，D50越小磨制效果越好，A因素列：K3

由表6可知,RA>RB>RC，影響水煤漿磨制的主次因素為A(YEC的添加比例)>B(磨制時間)>C(球磨機轉(zhuǎn)速)；A因素列：K3

表6 YEC磨制條件分析 μm

由表7可知,RC>RA>RB，影響水煤漿磨制的主次因素為C(球磨機轉(zhuǎn)速)>A(YBC的添加比例)>B(磨制時間)；A因素列：K2>K3>K1，B因素列：K3>K2>K1，C因素列：K2>K3>K1，最佳磨制方案為A1B1C1，即YBC添加量0.5‰，磨制時間3 min，磨機轉(zhuǎn)速400 r/min。

表7 YBC磨制條件分析 μm

由上述分析可知，兩種助磨劑在不同磨制條件下均可起到助磨作用，在選定的研究因素水平的邊界條件達到最佳磨制效果。YBC與YEC均為飽和一元醇，但YEC的分子量更小，YEC比YBC適用助磨條件更為寬泛，且助磨效果更佳，但YBC的使用添加量更少，其助磨所需的磨制時間和磨制轉(zhuǎn)速要求更低。由此可知，醇類助磨劑的分子量對水煤漿的磨制效果有直接的影響。

2.2 水煤漿性能分析

將YEC與YBC按正交實驗表制得的助磨效果最佳的水煤漿分別與空白實驗對比，結(jié)果見表8。

表8 漿體性能分析

由表8可知，YEC在3號實驗條件下制得的漿體流動性變差，漿體表觀黏度上升21%，漿體析水率降低，穩(wěn)定性提高；YBC在1號實驗條件下制得的漿體流動性變好，表觀黏度降低26%，漿體析水率降低，穩(wěn)定性提高。由此可知，助磨劑YBC更利于漿體性能的提高。

2.3 pH對漿體表觀黏度的影響

為保護輸送管道，工業(yè)上通常將水煤漿調(diào)節(jié)至弱堿性。通過添加NaOH將漿體pH調(diào)節(jié)至7～10，考察pH變化對添加助磨劑后漿體表觀黏度的影響(圖1)。

圖1 pH對漿體表觀黏度的影響

由圖1可知，漿體的表觀黏度隨pH值的增加而降低，呈負線性相關(guān)的趨勢，pH在7～10范圍內(nèi)，添加YEC的漿體表觀黏度均高于空白樣，而添加YBC的漿體表觀黏度均低于空白樣。將空白樣、YEC、YBC制得漿體的表觀黏度隨pH變化的數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合得式(1)—(3)。

Y=918.4-36.9X

(1)

Y=875.6-25.1X

(2)

Y=829.8-31.8X

(3)

其中，Y為漿體表觀黏度，mPa·s；X為pH。

由上式(1)—(3)斜率可知，添加助磨劑后，漿體的表觀黏度隨pH增加的變化率減小。漿體表觀黏度更加穩(wěn)定，有利于漿體的輸送。

3 結(jié) 語

(1)YEC可有效將D50有效降低46%，YBC可將D50降低34%，YEC適用的磨制條件更寬泛，YBC適用添加量僅為0.5‰，助磨所需磨時間更少和轉(zhuǎn)速更低。

(2)YEC制得的漿體流動性降低，表觀黏度升高21%，而YBC制得的漿體流動性變好，表觀黏度降低26%，兩者均可有效降低漿體析水率提高穩(wěn)定性，YBC制得的漿體性能更佳。

(3)在pH為7～10范圍內(nèi)，相較空白樣，添加YEC的漿體表觀黏度升高，而添加YBC的漿體表觀黏度降低，添加兩種助磨劑后漿體表觀黏度隨pH的增加變化率減小。

(4)醇類助磨劑的分子量對助磨效果有直接影響，YEC助磨效果好，YBC制得漿體性能優(yōu)，有著不同的特性，且均在選定因素水平的邊界條件達到最佳效果，后期可基于醇類助磨劑的分子量選定重新選定因素水平，為繼續(xù)開發(fā)高效復(fù)合助磨劑提供了實驗基礎(chǔ)。