水煤漿流變特性影響因素及相關(guān)研究

楊國(guó)輝

(大型煤氣化及煤基新材料國(guó)家工程研究中心，山東 滕州 277527)

水煤漿是一種非均相、非牛頓型流體，由煤粉、水、添加劑混合而成，是煤潔凈利用的重要部分。煤的制漿性能受到多種因素影響，如煤的變質(zhì)程度、煤的表面親水特性、煤的孔隙度、煤中的礦物質(zhì)成分等[1-4]。隨著優(yōu)質(zhì)煤種的逐漸減少，目前，多采用低變質(zhì)程度的煤制備水煤漿，普遍出現(xiàn)煤漿濃度較低、穩(wěn)定性較差等情況。

低變質(zhì)程度的煤種由于煤的氧/碳比較高，孔隙度發(fā)達(dá)，可自由流動(dòng)的水較少，因此制備的煤漿濃度偏低。部分煤種由于煤質(zhì)的原因，存在煤漿流態(tài)較差的情況，即煤漿穩(wěn)定性較差。煤種成漿濃度低，通過適量增加添加劑用量的方法來提高煤漿濃度，但添加劑的用量過高會(huì)導(dǎo)致煤漿流態(tài)變差，穩(wěn)定性得不到保障，影響煤漿在管道中的輸送[5-10]。

1 水煤漿流變性能簡(jiǎn)介

煤漿屬于典型的非均相固液混合物，其中煤漿的流變性能反應(yīng)其穩(wěn)定性。煤漿的形態(tài)分為賓漢塑性體、脹塑性體、假塑性體等多種非牛頓型流體。煤漿在低剪切速率條件下，保持較高的粘度，有利于煤漿的穩(wěn)定性，確保維持一段時(shí)間不分層。在高剪切速率條件下，保持較低的粘度，有利于煤漿的流動(dòng)性及霧化，避免因粘度高導(dǎo)致跑漿等情況的發(fā)生。煤漿在不同剪切速率條件下(通常指10～100 s-1區(qū)間)，其粘度區(qū)間分布不宜過窄，否則會(huì)導(dǎo)致煤漿穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)硬沉淀，影響煤漿的穩(wěn)定輸送。

通常情況，剪切速率10 s-1條件下煤漿粘度應(yīng)在700 mPa·s以上，剪切速率100 s-1條件下，煤漿粘度大于380 mPa·s。10～100 s-1的區(qū)間粘度值應(yīng)相差300 mPa·s以上，否則影響煤漿的穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致煤漿分層，煤漿的流變性能同時(shí)受到煤粉粒度級(jí)配、煤顆粒的表面特性、添加劑種類及用量等多種因素的影響。

2 水煤漿流變特性機(jī)理

水煤漿屬于復(fù)雜的多相懸浮體系，施加剪切應(yīng)力產(chǎn)生的速率梯度受到其物理結(jié)構(gòu)變化的影響，反過來其物理結(jié)構(gòu)又會(huì)因剪切作用而引起變化，因此水煤漿的流變特性呈現(xiàn)多樣性[11-12]。

從目前的研究看，水煤漿涵蓋了牛頓流體和幾乎各種類型的非牛頓流體。煤水混合物流變機(jī)理對(duì)于流變特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為：無論是靜止還是剪切狀態(tài)，一部分水用來浸潤(rùn)煤粉顆粒表面，并形成一層被顆粒表面吸附而不能參與流動(dòng)的薄液體層；在漿體受到剪切作用后，顆粒間原有的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞并在高剪切速率條件下形成沿剪切方向的層狀顆粒排列，即煤粉顆粒排列由隨機(jī)的排列結(jié)構(gòu)狀態(tài)向沿剪切方向的層狀有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其排列有序狀態(tài)與施加的剪切應(yīng)力有關(guān)；在有序排列的煤粉層中，顆粒與顆粒間的水分不參與剪切流動(dòng)；在受到剪切作用并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，剪切變形主要發(fā)生在有規(guī)律排列的煤粉顆粒層與層之間的水層中，而煤粉顆粒層上吸附的水分變形很小。由于具有較高的固含量、相對(duì)較小的煤粉顆粒以及添加劑的加入使得煤粉顆粒與水緊密結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，多數(shù)水煤漿表現(xiàn)出典型的非牛頓型流體特性。水煤漿的非牛頓流體特性通常具有如下特點(diǎn)：非單項(xiàng)性，即流變特性要用多個(gè)參數(shù)來表示；非單值性，粘度隨著剪切速率發(fā)生變化；非可逆性，粘度與剪切作用持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即表現(xiàn)出一定的觸變性[13-14]。多數(shù)工業(yè)用水煤漿存在屈服應(yīng)力，在低剪切速率和高剪切速率條件下，均呈現(xiàn)牛頓流體特性，在中等剪切速率條件下呈現(xiàn)剪切稀化特性，只有極少數(shù)呈現(xiàn)脹流性流體特性[15]。

3 水煤漿流變特性影響因素

影響水煤漿流變特性的因素主要有煤種煤質(zhì)及其理化特性、水煤漿的濃度、水煤漿的粒度分布情況、添加劑的種類及用量。以上影響因素對(duì)水煤漿的漿態(tài)影響較大，工業(yè)應(yīng)用中影響煤漿的儲(chǔ)存、輸送及霧化等。

3.1 煤種煤質(zhì)的影響

從煤的碳、氫、氧、氮等元素分析，O/C值對(duì)煤的成漿性影響最大，比值越大，成漿性越差。極性官能團(tuán)含量越高，表面電性越強(qiáng)，從而減弱了煤表面對(duì)陰離子添加劑的吸附，成漿性較差。低變質(zhì)程度的煤主要結(jié)構(gòu)單元為苯環(huán)、萘環(huán)、菲環(huán)等，中等煤化程度的煤主要結(jié)構(gòu)有菲環(huán)、蒽環(huán)和芘環(huán)。低變質(zhì)程度的煤內(nèi)水含量較高，比表面積也相對(duì)較高，因而比高變質(zhì)程度的煤成漿性差。

內(nèi)蒙古地區(qū)煤樣(SLWS)變質(zhì)程度較低，在工業(yè)煤漿制備中遇到的主要問題在于其煤漿流變特性較差，不同剪切速率條件下煤漿的粘度區(qū)間窄，析水率較高，影響煤漿的儲(chǔ)存及輸送。

采用添加劑S-1、S-2對(duì)煤樣SLWS進(jìn)行制漿試驗(yàn)，濃度可達(dá)到57%。用漏斗法測(cè)定煤漿流動(dòng)性，分別為0.56 mL/s、0.61 mL/s，但煤漿的穩(wěn)定性較差，在量筒中靜止24 h，析水率達(dá)8.31%、9.26%。使用NXS-4C型水煤漿粘度計(jì)，測(cè)量水煤漿在不同剪切速率下的粘度，測(cè)試結(jié)果見表1和圖1。

表1 煤樣SLWS粘度測(cè)試結(jié)果

圖1 不同添加劑時(shí)煤漿粘度隨剪切速率的變化趨勢(shì)

由以上圖表得出：采用添加劑S-1、S-2對(duì)煤樣SLWS進(jìn)行制漿試驗(yàn)，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間均較窄，分別為563～296.7 mPa·s及559～280.1 mPa·s。煤漿粘度區(qū)間較窄，且100 s-1條件下煤漿粘度較低，均小于300 mPa·s，導(dǎo)致煤漿不穩(wěn)定，容易發(fā)生分層沉淀，堵塞煤漿輸送管道，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行。

根據(jù)以上情況，采用配煤的方法來改善煤漿穩(wěn)定性。采用SLWS與內(nèi)蒙YPH煤樣配煤，SLWS與YPH的比例為2∶1、1∶1、1∶2。在煤漿濃度57%的條件下，采用添加劑S-1對(duì)以上比例的混煤進(jìn)行制漿試驗(yàn)，粘度結(jié)果見表2和圖2。

圖2 不同配煤比例時(shí)煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢(shì)

表2 混煤粘度測(cè)試結(jié)果

由以上圖表得出：SLWS與YPH煤樣不同比例混配后，采用添加劑S-1開展制漿試驗(yàn)，隨著YPH煤樣比例的增加，煤漿粘度區(qū)間明顯變大。其中，SLWS與YPH煤樣1∶2混配后，10～100 s-1剪切速率條件下，煤漿粘度區(qū)間范圍較為合理(811～420.4 mPa·s)，且剪切速率100 s-1條件下煤漿粘度大于380 mPa·s，相對(duì)比較適中(420.5 mPa·s)。SLWS與YPH煤樣2∶1、1∶1、1∶2混配后，靜止24 h，煤漿析水率分別為7.33%、6.20%、4.17%，1∶2混配后煤漿析水率低于5.0%，其穩(wěn)定性良好。

3.2 煤漿粒度配比的影響

煤漿粒度的配比情況對(duì)流變特性影響較大，從而影響煤漿的穩(wěn)定性，主要為析水率偏高。以下從榆林某甲醇廠氣化車間三臺(tái)磨煤機(jī)(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))制備煤漿的粒度情況分析，具體粒度數(shù)據(jù)見表3。

表3 三臺(tái)磨機(jī)煤漿粒度分布情況

榆林某甲醇廠氣化車間三臺(tái)磨煤機(jī)(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))制備煤漿粘度見表4和圖3。由圖表得出：1號(hào)、2號(hào)磨機(jī)磨制煤粉粒度較為合理，小于200目的煤粉比例約44%，3號(hào)磨機(jī)制漿小于200目的煤粉比例約38%，大顆粒煤粉相對(duì)較多。

圖3 煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢(shì)(三臺(tái)磨機(jī))

表4 三臺(tái)磨機(jī)取樣煤漿粘度測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)煤漿析水率、粘度測(cè)試結(jié)果顯示：1號(hào)、2號(hào)磨機(jī)煤漿靜止24 h析水率均小于5.0%，分別為3.62%、3.77%。3號(hào)磨機(jī)生產(chǎn)的煤漿粘度區(qū)間較窄(647～351.2 mPa·s)，靜止24 h析水率7.79%，出現(xiàn)少量硬沉淀，煤漿穩(wěn)定性較差，影響煤漿在管道中的穩(wěn)定輸送。

由此可見，小于200目煤粉比例在40%～50%之間較為合理。煤粉小于200目的比例低于40%，會(huì)影響煤漿的流變特性，析水率偏高，其穩(wěn)定性偏差，影響煤漿輸送的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 添加劑的影響

添加劑對(duì)煤漿穩(wěn)定性影響較大，不同煤種適用的添加劑不同，單一的添加劑難以滿足所有煤種對(duì)制漿的要求。尤其是陜蒙地區(qū)難制漿的煤種，煤質(zhì)較差，煤種制漿濃度偏低。采用常規(guī)木質(zhì)素等為主的添加劑時(shí)，通過增加添加劑用量的方法，提高煤漿濃度作用不明顯，且煤漿穩(wěn)定性較差。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)帶漿、跑漿的問題，造成生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。通過木質(zhì)素、萘系、聚烯烴磺酸鹽、聚氧乙烯醚等進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配后的添加劑制漿濃度得到提高，且煤漿穩(wěn)定性較好，煤漿流變特性得到改善。

以內(nèi)蒙古地區(qū)ZLW煤樣為例，采用木質(zhì)素等常規(guī)添加劑(代號(hào)A11)進(jìn)行制漿，其煤漿濃度較低(約54%)，增加添加劑用量至煤基的0.35%，煤漿濃度提升不明顯(約55%)，且工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)跑漿、帶漿的情況，煤漿穩(wěn)定性較差。更換以木質(zhì)素、萘系、聚烯烴磺酸鹽、聚氧乙烯醚等復(fù)配后的添加劑(代號(hào)B02)后，制漿濃度提升至56.5%，且煤漿流變特性較好，穩(wěn)定性適中。

測(cè)試結(jié)果具體見表5。

表5 煤樣ZLW粘度測(cè)試結(jié)果

由圖4和表5得出：采用常規(guī)添加劑A11、復(fù)配添加劑B02對(duì)煤樣ZLW進(jìn)行制漿試驗(yàn)。常規(guī)添加劑A11在用量增加后，制漿濃度55%的條件下，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間均較窄，為602～311.1 mPa·s，煤漿粘度區(qū)間較窄，且100 s-1條件下煤漿粘度偏低，為311.1 mPa·s，煤漿靜止24 h出現(xiàn)大量軟沉淀，析水率測(cè)試結(jié)果偏高，為5.66%，煤漿穩(wěn)定性偏差，容易發(fā)生分層沉淀，堵塞煤漿輸送管道，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

圖4 煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢(shì)(不同添加劑)

根據(jù)以上情況，采用復(fù)配添加劑來改善煤漿流變特性及穩(wěn)定性。采用B02復(fù)配添加劑，制漿濃度提升至56.5%。煤漿流變特性得到改善，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間為829～403.2 mPa·s，煤漿粘度區(qū)間較為合理，且100 s-1條件下煤漿粘度比較適中(403.2 mPa·s)，煤漿靜止24 h僅出現(xiàn)少量軟沉淀，測(cè)試析水率為3.91%，穩(wěn)定性明顯得到改善。

4 結(jié) 語

(1)影響水煤漿流變特性的因素很多，主要有煤種煤質(zhì)、煤粉粒度級(jí)配、添加劑的適配性等因素。

(2)針對(duì)陜蒙地區(qū)有些煤種煤質(zhì)較差的情況，通過尋找合適的煤種，摸索合適的配煤比例，其流變特性可得到改善，煤種制漿穩(wěn)定性得到提高。

(3)煤粉粒度級(jí)配是影響水煤漿流變特性的因素之一，小于200目的煤粉比例在40%～50%之間，同等制漿條件下，水煤漿流變特性比較適中。

(4)添加劑的適配性也是重要影響因素，尤其是一些煤種煤質(zhì)較差的難制漿煤種，通過優(yōu)選性能較好的添加劑，煤種制漿后的流變特性可得到改善，穩(wěn)定性得到提高，從而保證水煤漿在煤漿管道中的穩(wěn)定輸送。