新疆準(zhǔn)東煤制水煤漿提濃的添加劑及其適應(yīng)性研究

孫友文，李樂倫，劉 穎，魏國棟，俎 宇，王石維，孫 慧，陳 艷

（1.兗礦新疆煤化工有限公司，新疆 烏魯木齊 832000；2.寧波中科遠(yuǎn)東催化工程技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315040）

0 引 言

我國是一個“富煤、少油、缺氣”的國家［1］，在全國已探明化石能源儲量中，煤炭儲量占94%，石油和天然氣儲量僅占6%，煤炭在我國化石能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤炭資源儲量豐富，預(yù)測煤炭資源儲量達(dá)3 900×108t，累計已探明儲量2 136×108t，是我國最大的整裝煤田。準(zhǔn)東煤田以褐煤和長焰煤等低階煤為主，其煤質(zhì)介于年輕煙煤與褐煤之間，主要煤質(zhì)特點［2］為：高氧碳比，煤顆粒表面含氧官能團多、親水性好，屬成漿性能較差的煤種，制備的水煤漿濃度低。

水煤漿應(yīng)用技術(shù)是煤炭資源高效清潔利用的有效途徑之一。水煤漿通常是由55%～65%的煤、35%～45%的水和少量添加劑組成的煤基流體燃料和氣化原料［3-4］，其利用途徑主要有燃燒放熱和氣化，目前我國水煤漿的應(yīng)用呈南方及沿海城市以燃燒放熱為主、北方及主要產(chǎn)煤區(qū)以氣化為主的特點［5］。水煤漿應(yīng)用技術(shù)中，水煤漿作為漿體燃料和氣化原料，漿體的濃度與運行成本有著非常大的關(guān)系——研究表明，水煤漿濃度哪怕提高1%，都可帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益。

水煤漿氣化過程中，如果水煤漿濃度太低，即進入氣化爐的原料中水分太多，氣化過程中會消耗大量熱量用于水的汽化，導(dǎo)致氣化裝置煤耗、氧耗偏高，所產(chǎn)粗煤氣中有效氣含量偏低，明顯影響氣化裝置的運行效能；而影響水煤漿質(zhì)量的三大因素是原料煤煤質(zhì)特征、煤漿粒度分布和制漿添加劑。因此，低階煤制水煤漿的提濃研究，尤其是不同煤種制水煤漿提濃的添加劑之適應(yīng)性研究具有非常重要的意義。

1 試驗條件及方法

在新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤田不同礦區(qū)選取具有代表性的6種不同變質(zhì)程度的低階煤，開展添加不同種類添加劑的水煤漿提濃試驗（單種煤制漿），以評價實驗室合成出的不同種類添加劑在合適的粒度級配下對水煤漿的提濃作用，以及不同種類添加劑與不同煤種在成漿性方面的適應(yīng)性及匹配性，以期找出與各煤種適配的添加劑，使準(zhǔn)東煤的成漿濃度在原基礎(chǔ)上平均提高2%以上。

1.1 試驗原料

本試驗原料煤為新疆準(zhǔn)東煤田6個不同礦區(qū)的煤粉，6個煤樣（代號）的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)見表1（硫含量采用紅外光譜法測得），6個煤樣灰分之煤基氧化物含量分析數(shù)據(jù)見表2。

表1 6個煤樣的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù) %

表2 6個煤樣灰分之煤基氧化物含量分析數(shù)據(jù) %

由表1可以看出：6個煤樣的氧元素含量高低順序為MC≈BS＞YM＞BP＞LHG＞HS，6個煤樣的碳元素含量高低順序為HS＞BP＞MC≈YM＞LHG＞BS，6個煤樣的氧碳比（O／C）高低順序為BS＞MC≈YM＞LHG≈BP＞HS；6個煤樣的灰分高低順序為LHG＞BS＞BP＞MC≈YM＞HS?？梢缘贸?，煤樣HS／BP／LHG的變質(zhì)程度高于煤樣YM／BS／MC的變質(zhì)程度，以此組具有代表性的6種不同變質(zhì)程度的新疆準(zhǔn)東煤作為研究對象，能更全面地反映準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)特性，利于更全面地指導(dǎo)水煤漿提濃添加劑及其適應(yīng)性研究工作的開展。

由表2可以看出：6個煤樣灰分中的氧化物主要成分為SiO2、Al2O3、CaO，6個煤樣的這3種主要成分含量合計高低順序為LHG＞MC＞BP＞YM＞BS＞HS?；曳种械难趸锖繉λ簼{的粘度有較大的影響，進而影響煤漿的流動性及成漿性。

1.2 試驗所用添加劑

試驗所用水煤漿添加劑主要采用實驗室自行合成且經(jīng)過配方優(yōu)化的合成添加劑，其代號分別為110830、110831、110832、110833、061704、051802、110817、110818、110819、102303；為比較不同添加劑在新疆準(zhǔn)東煤制漿中的提濃效果，還挑選了市場上應(yīng)用效果較好的木質(zhì)素配方添加劑，包括AYSHMZS、TJSSMZS、SQMZS和QLJYMZS。

1.3 試驗方法

1.3.1 煤漿的制備及試驗所用儀器設(shè)備

實驗室煤漿的制備：煤粉制備采用GJ-2B雙缽密封式制樣粉碎機，每個料缽中分別加入100 g預(yù)破碎并烘干好的小顆粒煤，研磨得到一定粒度分布的煤粉；稱取150 g煤粉，測定煤粉的固含量，以干基量計算并稱量制漿所需的水和添加劑，將水、添加劑、煤粉混合攪拌潤濕，然后用電動攪拌器攪拌漿體，攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)定為800 r／min、攪拌時間設(shè)定為3 min，得到狀態(tài)均勻的水煤漿漿體。

本試驗主要使用的儀器設(shè)備：DHG-9070A型鼓風(fēng)干燥箱，JJ-1A恒速電動熱攪拌器，Sartorius BSA2202S-0.01 g電子天平，Sartorius MA37紅外水分測定儀，NXS-4CP型恒溫水煤漿粘度計，Bettersize2600智能激光粒度儀。

試驗通過調(diào)整添加劑配比、添加劑量、水量等條件，得到不同濃度、粘度、流動性、析水率以及穩(wěn)定性的水煤漿樣品，測試所得漿體樣品的濃度以及恒溫40℃時的粘度，從而評價不同水煤漿樣品的流動性和穩(wěn)定性。

1.3.2 水煤漿質(zhì)量的評價方法

1.3.2.1 水煤漿流動性的評價方法

將攪拌均勻的水煤漿樣品流過內(nèi)徑為11 mm的玻璃管，記錄流過50 mL水煤漿樣品的耗時，并目測漿體流動的連續(xù)性。評價標(biāo)準(zhǔn)：漿體流過玻璃管的耗時在12 s以內(nèi)，表明水煤漿具有優(yōu)良的流動性，可以很好地滿足生產(chǎn)需要，記錄為B級；耗時12～16 s，表明水煤漿的流動性稍差，一定程度內(nèi)也可滿足生產(chǎn)需要，記錄為C級；耗時超過16 s，表明水煤漿的流動性較差，不能滿足生產(chǎn)需要，記錄為D級。各等級內(nèi)水煤漿流動性更細(xì)微的差別以“+”、“-”號表示（“+”表示在該等級內(nèi)流動性更好一些，“-”號表示在該等級內(nèi)流動性更差一些）。

1.3.2.2 水煤漿穩(wěn)定性的評價方法

將100 mL量筒收集到的50 mL以上水煤漿用保鮮膜封口，靜置24 h，之后放入玻璃棒，觀察玻璃棒自由下落的狀態(tài)，結(jié)合手動放入的按壓感，按以下四種分類標(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)記：無析水，玻璃棒能夠快速地自由下落到量筒底部，漿體分布均勻、無沉淀，漿體軟，漿體狀態(tài)未發(fā)生改變，表明水煤漿的穩(wěn)定性好，記錄為A級；漿體析水＜5%，玻璃棒能夠快速地自由下落，漿體分布均勻、基本上無沉淀或有極少量軟沉淀，漿體軟，漿體狀態(tài)基本上未發(fā)生改變，表明水煤漿的穩(wěn)定性較好，記錄為B級；漿體析水＞5%，漿體分布不均勻，沉淀現(xiàn)象嚴(yán)重，有軟沉淀，攪拌后能再生成均勻的漿體，表明水煤漿的穩(wěn)定性較差，記錄為C級；漿體分布明顯不均，析水多，沉淀堅硬，攪拌后不能再生成均勻的漿體，表明水煤漿的穩(wěn)定性差，記錄為D級。各等級內(nèi)水煤漿穩(wěn)定性更細(xì)微的差別以“+”、“-”號表示（“+”表示在該等級內(nèi)穩(wěn)定性更好一些，“-”號表示在該等級內(nèi)穩(wěn)定性更差一些）。

1.3.3 準(zhǔn)東煤的粒度分布

通過改變制樣粉碎機的兩個不銹鋼缽體里的煤樣添加量和制樣的粉碎時間（煤樣添加量越少、粉碎時間越長，所得煤粉粒度越小），得到一定粒度分布的煤樣煤粉。將一定粒度的煤樣煤粉與水、添加劑混合攪拌制成煤漿，進行成漿性分析，測試其流動性良好的情況下煤漿濃度的最大值，并對成漿最優(yōu)的煤粉用激光粒度儀進行粒度分析，探索適合準(zhǔn)東煤煤樣的粒度雙峰級配，得到效果較好的粒度級配。6個準(zhǔn)東煤煤樣成漿最優(yōu)的煤粉粒度級配分布見表3。

表3 6個煤樣成漿最優(yōu)的煤粉粒度級配分布 %

2 不同種類添加劑的水煤漿提濃試驗

分別以新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤田6種低階煤——YM、BS、MC、HS、BP、LHG為煤樣，制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加實驗室自行合成的110830、110831、110832、110833、061704、051802、110817、110818、110819、102303等合成添加劑，同時挑選市場上應(yīng)用效果較好的木質(zhì)素配方添加劑AYSHMZS、TJSSMZS、SQMZS、QLJYMZS作為對比試驗添加劑，進行準(zhǔn)東煤制水煤漿提濃的添加劑適應(yīng)性試驗研究。

2.1 不同添加劑之YM煤的成漿性試驗

以低階煤YM為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.15%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以TJSSMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之YM煤的成漿性試驗結(jié)果見表4。可以看出，低階煤YM制成的水煤漿添加實驗室合成添加劑，水煤漿濃度最高可達(dá)59.60%，較添加木質(zhì)素添加劑TJSSMZS的水煤漿濃度高2.75%，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低，流動性和穩(wěn)定性等級為B或B+，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性較好。

表4 不同添加劑之YM煤的成漿性試驗結(jié)果

2.2 不同添加劑之BS煤的成漿性試驗

以低階煤BS為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.15%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以SQMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之BS煤的成漿性試驗結(jié)果見表5?？梢钥闯觯碗A煤BS制成的水煤漿添加實驗室合成添加劑，水煤漿濃度最高可達(dá)59.05%，較添加木質(zhì)素添加劑SQMZS的水煤漿濃度高2.53%，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低（除添加110817添加劑制得的水煤漿粘度稍高外），流動性和穩(wěn)定性等級在B級以內(nèi)，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性較好。

表5 不同添加劑之BS煤的成漿性試驗結(jié)果

2.3 不同添加劑之MC煤的成漿性試驗

以低階煤MC為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.15%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以TJSSMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之MC煤的成漿性試驗結(jié)果見表6?？梢钥闯?，低階煤MC制成的水煤漿添加實驗室合成添加劑，水煤漿濃度最高可達(dá)62.62%，較添加木質(zhì)素添加劑TJSSMZS的水煤漿濃度高3.16%，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低，流動性和穩(wěn)定性等級在B級以內(nèi)，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性較好。

表6 不同添加劑之MC煤的成漿性試驗結(jié)果

2.4 不同添加劑之HS煤的成漿性試驗

以低階煤HS為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.10%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以QLJYMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之HS煤的成漿性試驗結(jié)果見表7?？梢钥闯觯趯⒑铣商砑觿┝坑?.15%降至0.10%的情況下，低階煤HS制成的水煤漿濃度最高可達(dá)66.91%，漿體濃度很高，較添加木質(zhì)素添加劑QLJYMZS的水煤漿濃度高2.71%，優(yōu)勢明顯，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低，流動性和穩(wěn)定性等級均為B+，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性良好，能很好地滿足生產(chǎn)需要。

表7 不同添加劑之HS煤的成漿性試驗結(jié)果

2.5 不同添加劑之BP煤的成漿性試驗

以低階煤BP為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.15%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以AYSHMZS和QLJYMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之BP煤的成漿性試驗結(jié)果見表8?？梢钥闯觯碗A煤BP制成的水煤漿濃度最高可達(dá)65.06%，較添加木質(zhì)素添加劑AYSHMZS和QLJYMZS的煤漿濃度分別高出1.0%和1.31%，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低，除添加110832和110831添加劑制得的水煤漿穩(wěn)定性等級為C級以外，添加其他合成添加劑制得的水煤漿流動性和穩(wěn)定性等級均在B級以內(nèi)，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性尚好。

表8 不同添加劑之BP煤的成漿性試驗結(jié)果

2.6 不同添加劑之LHG煤的成漿性試驗

以低階煤LHG為煤樣制成合適粒度級配的水煤漿，分別添加0.15%的不同合成添加劑，進行成漿性試驗，同時以TJSSMZS為添加劑進行對比試驗，不同添加劑之LHG煤的成漿性試驗結(jié)果見表9?？梢钥闯?，低階煤LHG制成的水煤漿濃度最高可達(dá)65.02%，較添加木質(zhì)素添加劑TJSSMZS的水煤漿濃度高2.41%，優(yōu)勢明顯，且添加實驗室合成添加劑制得的水煤漿粘度較低，除添加110830和110832添加劑制得的水煤漿穩(wěn)定性等級為C級以外，添加其他合成添加劑制得水煤漿的流動性和穩(wěn)定性等級均在B級以內(nèi)，表明漿體的流動性和穩(wěn)定性尚好。

表9 不同添加劑之LHG煤的成漿性試驗結(jié)果

3 不同種類添加劑與不同煤種的適應(yīng)性研究

為探究不同種類添加劑與不同煤種的適應(yīng)性，將實驗室合成的6種添加劑——110817、110818、110819、110831、110832、110833分別按順序用代號A、B、C、D、E、F表示，分別添加到Y(jié)M、BS、MC、HS、BP這5種低階煤中制成水煤漿，測試最優(yōu)添加劑添加量下每種添加劑對應(yīng)煤樣制得水煤漿的最大濃度，將不同添加劑在不同煤樣中的成漿濃度按照由大到小的順序排列，YM煤的成漿濃度試驗結(jié)果為E＞D＞C＞A＞B＞F，BS煤的成漿濃度試驗結(jié)果為A＞B＞C＞D＞E＞F，MC煤的成漿濃度試驗結(jié)果為D＞B＞A＞E＞C＞F，HS煤的成漿濃度試驗結(jié)果為B＞D＞A＞E＞C＞F，BP煤的成漿濃度試驗結(jié)果為F＞E＞D＞A＞B＞C?？梢钥闯?，不同分子結(jié)構(gòu)的添加劑，在不同煤樣上應(yīng)用具有不同的成漿效果，添加劑的提濃作用對于每一種煤的規(guī)律并不完全一致，也就是說，每一種煤有自身對應(yīng)適合的添加劑，只有針對性地進行試驗研究和評價，才能找到各煤樣適配的添加劑，以實現(xiàn)最大限度提高水煤漿濃度的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

通過對新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤田多種煤樣開展水煤漿提濃的添加劑試驗研究，結(jié)果表明，實驗室合成的多種添加劑，在較小的添加量條件下，就能較好地提升新疆準(zhǔn)東地區(qū)低階煤制水煤漿的濃度，且制得的水煤漿粘度較低，漿體的流動性和穩(wěn)定性總體上表現(xiàn)較好，能很好地滿足生產(chǎn)需要；同時，通過不同種類添加劑與不同煤種的適應(yīng)性研究試驗，找到了適合每種煤樣制備性能最優(yōu)水煤漿的合成添加劑，這對新疆準(zhǔn)東低階煤及我國低階煤的高效清潔利用具有積極的意義。