配煤對(duì)正寧煤成漿性能的影響

張鵬會(huì)，李艷春，胡浩斌，韓明虎

(隴東學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000)

我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富，長(zhǎng)期以來(lái)一直是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和重要化工原料。發(fā)展以煤為原料制取石油類產(chǎn)品的煤化工技術(shù)，實(shí)施石油替代戰(zhàn)略，是關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展和能源安全的重大課題。正寧縣地處鄂爾多斯盆地西南邊緣，位于甘肅省慶陽(yáng)市東南部、子午嶺西麓，這里煤炭資源富集，是該市作為“東翼”主戰(zhàn)場(chǎng)和建設(shè)億噸級(jí)大煤田的主要區(qū)域，已探明煤炭?jī)?chǔ)量18.48億t。正寧煤為低灰、低硫、高熱值不粘煤，可用作動(dòng)力用煤、民用煤以及化工用煤，但目前主要用于直接燃燒，因此資源利用率不高，煙塵、二氧化硫、氮氧化物等排放量大，是引起霧霾和PM2.5的主要因素之一。因此，該地區(qū)發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)勢(shì)在必行。

水煤漿是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型燃料，不僅具有煤的特征，而且具有低污染、低成本、便于輸送和儲(chǔ)存、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但是，在水煤漿制備過(guò)程中，影響水煤漿成漿性的因素十分復(fù)雜，包括煤質(zhì)因素、粒度分布特征、分散劑分子的結(jié)構(gòu)特征、制漿工藝、溫度和成漿濃度等因素[3-4]，其中，煤質(zhì)因素是制約水煤漿性質(zhì)的主要因素。為此，本研究針對(duì)影響水煤漿性質(zhì)的煤質(zhì)因素進(jìn)行了研究，以為該地區(qū)煤制備水煤漿及加工應(yīng)用提供理論依據(jù)。

對(duì)于難成漿煤如何制取高質(zhì)量分?jǐn)?shù)、流動(dòng)性好的煤漿是目前制漿領(lǐng)域重點(diǎn)研究的課題之一。目前，對(duì)于難成漿煤種，往往通過(guò)粒度級(jí)配、添加劑研發(fā)及改進(jìn)制漿工藝等方面加以解決，也可以通過(guò)配入一定比例的易成漿煤種，達(dá)到改善其成漿性能的目的。配煤方法簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)[5]。因此，依據(jù)已有的研究[6]，本研究選取環(huán)縣煤和正寧煤，依照不同的比例配煤制漿，并分析了配煤制漿對(duì)水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粘度及穩(wěn)定性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

試驗(yàn)儀器主要有：GYFX-610全自動(dòng)工業(yè)分析儀器、ZDHW-4000A漢顯全自動(dòng)量熱儀、KZDL-8A快速智能定硫儀、密封式制樣器，NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)與哈氏可磨性指數(shù)測(cè)定儀。試劑為NDF添加劑(南京大學(xué))。

1.2 煤漿的制備

取一定量已破碎的煤樣在105 ℃的密閉環(huán)境中烘焙一定時(shí)間，采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)烘干后的煤粉進(jìn)行篩分，得到不同粒度的干煤粉；取一定量的烘干煤粉和添加劑，置于250 mL的燒杯中，加入一定量的水，在1 200 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌一定時(shí)間，靜置片刻后取出。在制漿過(guò)程中，每次制備100 g水煤漿，攪拌過(guò)程中攪拌頭距燒杯底部0.5 cm。

1.3 煤漿粘度測(cè)定

煤漿粘度的測(cè)定采用NDJ -8S型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)，測(cè)試條件：采用3#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為60 r/min，測(cè)試溫度為20±1℃。

1.4 煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗(yàn)方法》中的干燥箱干燥法進(jìn)行測(cè)定。

1.5 煤質(zhì)分析

一般認(rèn)為內(nèi)在水分<8%、灰分<13%的煤適宜制取水煤漿。由表1可知，正寧煤的內(nèi)在水分和灰分符合制備水煤漿的要求。煤的內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)管或孔隙中的水分，其以物理化學(xué)方式與煤相結(jié)合[7]。正寧煤內(nèi)在水分較低(1.21%)，表明煤的孔隙結(jié)構(gòu)中難以賦存水分，可使其水煤漿體系中流動(dòng)介質(zhì)水量增加，粘度降低，成漿性能提高。正寧煤屬低灰煤，故其制成的水煤漿中水的相對(duì)體積較小，流動(dòng)的自由水較少，最終使煤漿粘度降低。

表1 煤樣的煤質(zhì)分析

根據(jù)哈氏可磨性指數(shù)與煤樣工業(yè)分析的關(guān)系，可得到煤樣的成漿指標(biāo)計(jì)算公式[8]：

D=7.5-0.051HGI+0.223Mad+0.025 7Oad2，

式中：D為成漿指標(biāo)；HGI為可磨指數(shù)；Mad為內(nèi)水含量；Oad為氧元素含量。

根據(jù)上述公式，求得正寧煤的成漿指標(biāo)D=7.23，屬于難成漿的煤種。單純用正寧煤制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的可能性較小，會(huì)影響水煤漿的應(yīng)用，因此在工業(yè)上應(yīng)考慮利用配煤來(lái)提高水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.6 水煤漿穩(wěn)定性測(cè)定

采用析水法測(cè)定水煤漿的穩(wěn)定性[9]：將待測(cè)水煤漿放入密閉容器中，靜置4、8、12、24、36、48、60、72 h，使煤漿中煤顆粒沉降，水煤漿分成兩部分，吸出上層清液，稱量質(zhì)量，再計(jì)算析水率：

析水率=上層清液質(zhì)量/水煤漿總質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑用量對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

圖1為添加劑用量與水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粘度的關(guān)系曲線。由圖1可知，隨著添加劑用量的增加，煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在增加，但幅度較?。徽扯葎t先下降，當(dāng)添加劑用量超過(guò)0.5%后，粘度趨于穩(wěn)定，幾乎不變。分析認(rèn)為，隨著添加劑用量的增大，吸附在煤表面的添加劑使得煤粒子間相互排斥力增大，有效阻止了煤粒子的聚集，從而使煤漿的粘度降低；當(dāng)煤粒子吸附的添加劑達(dá)到飽和后，多余的添加劑存在于煤粒子之間，使煤漿的粘度進(jìn)一步下降，并維持在一定范圍內(nèi)。如果持續(xù)增加添加劑，多余部分則會(huì)被多層吸附在煤表面，呈反向排列，其極性部分指向空間，使煤表面的負(fù)電荷減少[10-11]，影響水煤漿的成漿性能。

2.2 不同粒度煤粉單獨(dú)制漿

利用0.27、0.08、0.048 mm(50、180、300目)的煤粉單獨(dú)制漿來(lái)研究不同粒度煤粉對(duì)其成漿性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.27 mm煤粉不適合單獨(dú)成漿，0.08 mm和0.048 mm的煤粉分別制取同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煤漿的結(jié)果見圖2。由圖2可知，0.08 mm和0.048 mm的煤粉制取煤漿時(shí)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到64%時(shí)，0.08 mm煤粉所得煤漿的粘度已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的水煤漿粘度(1 000 mPa·s)的要求；0.048 mm的煤粉可以制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水煤漿，但煤粉在磨制過(guò)程中要消耗大量的電能，才能達(dá)到理想的粒度。

圖1 添加劑量對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

圖2 不同粒度對(duì)水煤漿粘度的影響

2.3 粒度級(jí)配煤試驗(yàn)

為研究制漿的最佳粒度配比，將0.27 mm煤粉分別與0.08 mm和0.048 mm的煤粉按不同的比例混合，制取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的水煤漿，制漿過(guò)程中的粘度變化如圖3所示。從圖3可以看出，制取相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煤漿時(shí)，粒度的配比對(duì)煤漿的粘度影響很大。隨著細(xì)煤粉含量的增加，煤漿的粘度急劇下降，當(dāng)細(xì)煤粉含量達(dá)到60%～70%時(shí)，粘度趨于最小值；當(dāng)細(xì)煤粉超過(guò)70%時(shí)，所得煤漿的粘度反而上升，流動(dòng)性變差。因此，粒度粗細(xì)不一的煤粉需搭配合理，才能提高填充效率，制取高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水煤漿。制漿時(shí)細(xì)煤粉所占比例應(yīng)控制在60%～70%間。

2.4 煤用量對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

按最優(yōu)的粒度級(jí)配，選用0.27 mm和0.08 mm的煤粉制備煤漿，考察煤用量與水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粘度的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，隨著煤用量的增加，水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粘度都在不斷增加。當(dāng)煤用量為70%時(shí)，水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.9%，而此時(shí)粘度達(dá)到了3 650 mPa·s，原因是濃度升高，使煤粒之間距離縮短，漿體間的空隙率下降，故煤粒間接觸幾率增大，相互作用增強(qiáng)，易發(fā)生團(tuán)聚，從而增加了懸浮流動(dòng)摩擦力，使煤漿粘度增加。一般要求水煤漿的粘度要低于1 200 mPa·s，而工業(yè)應(yīng)用的水煤漿粘度通常為1 000 mPa·s[12]。另外，煤用量過(guò)大，添加劑不能有效地分散，無(wú)法起到降粘和穩(wěn)定的作用。因此煤的用量以66%為宜。

圖3 粒度級(jí)配對(duì)水煤漿粘度的影響

圖4 煤用量對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

2.5 配煤對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

不同比例的環(huán)縣配煤制備水煤漿的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 配煤對(duì)水煤漿質(zhì)量指標(biāo)的影響

由圖5可見，配煤能提高正寧煤制漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨著環(huán)縣煤比例的增加，所制備的煤漿的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)了68%；粘度總體是隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì)，但是當(dāng)環(huán)縣煤比例為40%時(shí)，出現(xiàn)較大波動(dòng)，所制備的煤漿粘度為1 100 mPa·s。配煤對(duì)水煤漿的影響與煤種表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)分布及煤表面的疏水性等因素的相互作用有復(fù)雜的關(guān)系。只有選擇合適的煤種、合適的比例相配，才能有效提高煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]。當(dāng)正寧煤與環(huán)縣煤的配比為3∶7時(shí)，所制煤漿可滿足工業(yè)應(yīng)用的水煤漿粘度的要求，此時(shí)煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到68%，較單純的正寧煤制漿提高了近4個(gè)百分點(diǎn)。

2.6 水煤漿的穩(wěn)定性

析水率反映了水煤漿的穩(wěn)定性，析水率越低，表明水煤漿穩(wěn)定性越好。圖6給出了單煤(正寧煤)和配煤(正寧煤和環(huán)縣煤)制漿在制漿粘度為1 000 mPa·s左右時(shí)的析水率比較圖。從圖6可以看出，隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種煤漿的析水率都在增大，穩(wěn)定性降低。然而，隨著水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，析水率卻在下降，表明配煤制漿的穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)椋谂涿褐茲{過(guò)程中，不同煤顆粒分子、水分子和添加劑分子相互作用形成結(jié)構(gòu)單元，大量結(jié)構(gòu)單元能組成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能有效阻止煤顆粒的團(tuán)聚沉淀[14]；另一方面，水煤漿中的固體含量增加時(shí)，使煤粉顆粒間的相互作用力增強(qiáng)，空隙減少，從而降低了煤顆粒的沉降速度，提高了水煤漿的穩(wěn)定性。因此，水煤漿濃度越高，其穩(wěn)定性越好[15]。

圖6 不同水煤漿的析水率對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)以上研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)正寧煤屬難成漿的煤種，當(dāng)添加劑用量為0.8%，0.08 mm煤粉占60%～70%時(shí)，煤用量為66%時(shí)，可以制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.3%的水煤漿。

(2)當(dāng)正寧煤與環(huán)縣煤的配比為3∶7，所制煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到68%，較單純的正寧煤制漿提高了近4個(gè)百分點(diǎn)。

(3)對(duì)水煤漿的穩(wěn)定性研究表明，水煤漿濃度越高，析水率越低，穩(wěn)定性就會(huì)越好。配煤制備的水煤漿72 h后的析水率比單煤的低，為10.2%。

[1] Ma S D, Zhao P, Guo Y, et al. Synthesis, characterization and application of polycarboxylate additive for coal water slurry[J]. Fuel, 2013, 111: 648-652.

[2] Zhu J F, Zhang G H, Li J G, et al. Synthesis, adsorption and dispersion of a dispersant based on starch for coal-water slurry[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2013, 422: 165-171.

[3] 尉遲唯, 李保慶, 李 文, 等. 煤質(zhì)因素對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 35 (2): 146-154.

[4] 阮 偉, 劉建忠, 虞育杰, 等. 煤質(zhì)特性與配煤對(duì)成漿性的影響[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012, 32(2): 165-169.

[5] Huang Z H, Wang H W, Chen H Y. Study on combustion chararteristics of compression ignition engine fueled with dimethyl ether[J]. Journal of Automobile Engineering, 2000, 213(3): 647-652.

[6] 蓋 軻, 張鵬會(huì), 陳東平, 等. 影響環(huán)縣煤制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的因素研究[J]. 選煤技術(shù), 2014(1): 16-18.

[7] 謝克昌. 煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[8] 朱雪丹. 粒度級(jí)配對(duì)神府煤成漿性能的影響[J]. 潔凈煤技術(shù), 2014, 20(4): 1-4.

[9] 趙國(guó)華, 段鈺鋒, 徐 峰,等. 高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2008,23(2): 201-205.

[9] 冉寧慶, 戴郁菁, 朱 光, 等. 亞甲基萘磺酸-苯乙烯磺酸-馬來(lái)酸鹽對(duì)水煤漿的分散作用研究[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 1999, 35(5): 643-647.

[10] 沈 健, 稽根定, 黃 艷, 等. 測(cè)接觸角法確定偶聯(lián)劑的最佳用量[J]. 無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 8(3): 321-322.

[11] 全國(guó)煤炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 18855-2008水煤漿技術(shù)條件[S]．北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008．

[12] 胡亞軒, 劉建忠, 王睿坤, 等. 配煤對(duì)水煤漿性質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(2): 31-38.

[13] 劉明強(qiáng)，劉建忠，王睿坤, 等. 熱解溫度對(duì)褐煤半焦成漿特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(8): 36-43.

[14] Turian R M, Ma T W, Hsuf L G. Characterization, settling, and rheology of concentrated fine particulate mineral slurries[J]. Powder Technology, 1997, 93: 219-233.