超凈煤燃液的制備技術研究

楊國輝，李 磊，尹洪清，王振華

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東滕州 277527)

目前，煤炭的大規模開發利用帶來了生態環境破壞和污染物排放等問題，對可持續發展和人身健康構成了嚴重的影響[1-3]。研究表明，燃煤污染物是導致霧霾的重要因素之一。生態環境的日益惡化對我國能源生產和消費結構將會產生倒逼機制，煤炭潔凈利用技術的推廣和應用必將受到高度重視[4]。《大氣污染防治行動計劃》等的出臺，對環保的要求日益嚴格，煤炭的潔凈化利用面臨巨大壓力和挑戰[5-8]。為了大力推進生態文明建設，推動能源生產和消費革命，確保國家能源安全，煤炭作為我國的主要能源，煤炭潔凈化利用是實現能源生產和消費革命的重要內容，是實現區域生態文明建設的重要舉措。

雖然我國煤炭潔凈利用發展迅速，超超臨界發電技術廣泛應用于發電領域，多種新型煤氣化技術應用在煤炭轉化領域，大型煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烴等裝置已進入工業示范階段。我國已掌握多項煤炭潔凈利用核心技術，實現部分替代石油。但煤炭潔凈利用整體水平不高，發展受到技術、政策和資金的限制[9]，而超潔凈煤及微粉化超潔凈煤燃液為煤炭高效、清潔利用提供了新途徑，具有較高的經濟、社會和環保效益[10]。

超潔凈煤是灰分質量分數不超過1%的潔凈煤，是以洗精煤為原料，通過化學清洗、分離和過濾生產制得。微粉化超潔凈煤是超凈煤經過微粉化處理生產制得，其粒徑特別小，一般小于10 μm[11-13]。微粉化超凈煤燃液(以下簡稱燃液)是超凈煤經過微粉化處理并與水和添加劑按一定比例混合成的漿體，外觀與原油相似，可替代柴油燃料用于直噴式燃煤發動機，應用于柴油機發電和運輸行業，為煤炭高效、清潔利用提供了一種新途徑，是提高我國能源利用效率、減少環境污染的重要途徑之一[14-17]。

以實驗室化學法制備的超潔凈煤為原料，選擇合適的制備設備和工藝，調整篩選及優化添加劑[18-21]，制備出平均粒徑為7 μm左右、質量分數為50%、黏度約500 mPa·s的超凈煤燃液。

1 試驗原料

超潔凈煤：以山東和陜西地區的4種原煤經化學方法處理，干基灰分質量分數分別為0.88%、0.79%、0.95%、0.85%。

添加劑：聚氧乙烯系非離子添加劑，相對分子質量為4 000～12 000；煤焦油系分散劑；脂肪族系分散劑，相對分子質量為8 000～30 000。

2 試驗方法及步驟

超凈煤燃液制備所需的主要設備為行星式球磨機，超凈煤燃液分析測試所用的儀器主要為水煤漿黏度計、激光粒度儀等。

試驗稱取定量的超潔凈煤，按一定比例將超潔凈煤、水與添加劑加入行星式球磨機內，控制轉速制備超凈煤燃液。水與超潔凈煤同比例加入，實驗室制備后經過濾裝置制得成品燃液。實驗室燃液制備流程示意見圖1。

圖1 實驗室燃液制備流程示意

參照氣化水煤漿和鍋爐燃用水煤漿性質分析方法，對超凈煤燃液進行性質分析。其中，超凈煤燃液黏度是影響漿體儲存、運輸及霧化噴燃性能的重要因素。燃液穩定性是指在運輸和儲存過程中，可保持其物性均勻的一種性質，超凈煤燃液為滿足存放、運輸等應用需要，應嚴格控制其水分的析出，穩定保持7 d。

按照GB/T 18856.2—2002測試燃液濃度，按照GB/T 18856.4—2002測定超凈煤燃液黏度。燃液粒度分布是影響其流變性、穩定性及燃燒性的重要因素，粒徑的測定采用GB/T 19077.1—2008粒度分析-激光衍射法。燃液流動性測試采用漏斗法：使用120 mL長頸漏斗測定，根據燃液流經漏斗的時間來計算流動速率，以此判斷燃液流動性。穩定性測定：一定量均勻的燃液試樣置于容器中，在規定的條件下靜置7 d，以軟、硬沉淀評價燃液的穩定性。

3 試驗結果分析

3.1 粒度結果分析

采用行星式球磨機制備超凈煤燃液，根據球磨機相關參數及試驗探索，選擇合適粒度的磨球和填充比例來制備超凈煤燃液。試驗設定在球磨機轉速900 r/min的條件下，控制磨制時間分別為10 min、15 min、20 min、25 min、30 min，對超凈煤燃液進行粒度測試。燃液平均粒徑與磨制時間的關系見圖2。

圖2 燃液平均粒徑與磨制時間的關系

由圖2可知：以山東及陜西地區原煤制備的的4種超潔凈煤(XL、BD、JJT、SLWS)為原料，選定磨球填量及粒度級配，球磨機轉速900 r/min的條件下，以上4種超凈煤的磨制時間為30 min，超凈煤燃液的平均粒徑約7 μm，可作為內燃機、燃氣透平的燃料，具有污染低、燃燒效率高等優點。

3.2 添加劑的篩選

添加劑可改善煤表面的疏水性，其用量對超凈煤燃液的黏度、穩定性影響較大。因超凈煤燃液對灰分要求較高，在進行相關試驗時，應優先考慮使用非離子添加劑，其核心是在超凈煤燃液黏度、濃度、穩定性適中的前提下，篩選出較優的添加劑并確定其用量。

3.2.1 非離子添加劑的篩選

以山東及陜西地區超凈煤XL、JJT為原料，其灰分質量分數均小于1.0%，設定超凈煤燃液質量分數為50%，研究非離子添加劑RJF、SEW、YGC、JSS、TW對超凈煤燃液性能的影響，結果見表1、表2及圖3、圖4(非離子添加劑用量為0.2%～2.5%)。因為超凈煤燃液靜態穩定性需要觀察7 d 漿體的狀態，表中只列出靜置5 d、6 d、7 d后超凈煤燃液的漿體狀態。

由表1可知：超潔凈煤XL燃液在質量分數50%的條件下，非離子SEW添加劑制備燃液穩定性最好，靜置7 d后僅出現部分軟沉淀。由于非離子添加劑SEW和超凈煤XL表面的極性區域存在著以氫鍵相結合的有利條件，除了以疏水基親煤、親水基朝水的正向吸附外，還存在著反吸附和多層吸附，因此，超潔凈煤XL燃液穩定性良好。

表1 非離子添加劑對XL超凈煤燃液穩定性的影響

表2 非離子添加劑對JJT超凈煤燃液穩定性的影響

由表2可知：超潔凈煤JJT燃液在質量分數50%的條件下，非離子SEW添加劑制備燃液穩定性最好，靜置7 d后僅出現部分軟沉淀，穩定性良好。

對于超潔凈煤XL、JJT燃液，非離子添加劑SEW制備灰分質量分數小于1.0%的超凈煤燃液，穩定性較優。

圖3 非離子添加劑對XL超凈煤燃液黏度的影響

圖4 非離子添加劑對JJT超凈煤燃液黏度的影響

由圖3、圖4可知：在燃液質量分數50%的條件下，隨著非離子RJF、SEW添加劑用量的增加，超潔凈煤XL、JJT燃液的黏度均逐漸降低。當添加劑用量超過2.0%時，超潔凈煤XL、JJT燃液的黏度降低不明顯，主要是由于當煤的表面達到飽和吸附后，增加添加劑達不到分散的效果。

相比以上其他非離子添加劑，SEW添加劑親水性相對較強，使煤粒子能均勻分散到水溶液中，可以形成穩定的體系，但用量仍較高。超潔凈煤XL、JJT燃液的黏度適中，即在剪切速率100 s-1、黏度500 mPa·s的條件下，SEW添加劑的用量較高，分別為2.0%、2.5%。由此說明，由于超凈煤灰分含量極低，其質量分數小于1.0%；在制備過程中，超凈煤表面可能改性，非離子添加劑制備超凈煤燃液，降低黏度的效果不明顯，且價格較高，以下考慮離子添加劑對超凈煤燃液的影響。

3.2.2 離子添加劑的篩選

以超凈煤XL、JJT為原料，設定燃液質量分數為50%，研究離子添加劑MJY、NX、JXT、ZFZ等對超凈煤燃液性能的影響，結果見表3、表4、圖5、圖6(離子添加劑用量為0.2%～1.2%)，表中只列出靜置5 d、6 d、7 d后超凈煤燃液的漿體狀態。

表3 離子添加劑對XL超凈煤燃液穩定性的影響

由表3可知：在XL超凈煤燃液質量分數50%的條件下，MJY、JXT等離子添加劑制備超潔凈煤XL燃液，靜置6 d后出現少量硬沉淀，7 d后出現硬沉淀，穩定性均較差。主要是由于超凈煤XL灰分含量極低，以上離子添加劑極性較強，超凈煤燃液疏松結構遭到破壞，不能維持穩定結構性能，則產生硬沉淀。

表4 離子添加劑對JJT超凈煤燃液穩定性的影響

由表4可知：在JJT超凈煤燃液質量分數50%的條件下，MJY、NX等離子添加劑制備超潔凈煤JJT燃液，靜置6 d后出現少量硬沉淀或大量軟沉淀，7 d后出現硬沉淀，穩定性均較差。由此說明，以上離子添加劑對維持超凈煤燃液結構的穩定性效果較差。

由圖5、圖6可知：超凈煤XL、JJT燃液質量分數為50%時，其黏度適中，即在剪切速率100 s-1、黏度500 mPa·s的條件下，JXT添加劑對燃液降低黏度的效果相對較好，其用量約為0.5%，主要是由于JXT相對分子質量約15 000，親水基團及親煤基團比例適中，且磺酸基可有效改善煤表面的親水效果，減少煤顆粒間的阻力，對低灰煤制漿分散效果較好。MJY添加劑相對分子質量較高，NX、ZFZ添加劑相對分子質量較低，與超凈煤XL、JJT匹配性較差，故其用量稍高，分別為1.0%、0.8%、1.2%。

圖5 離子添加劑對XL超凈煤燃液黏度的影響

圖6 離子添加劑對JJT超凈煤燃液黏度的影響

以上離子型添加劑制備XL、JJT超凈煤燃液，穩定性均較差。因此，考慮使用復配添加劑制備超凈煤燃液。

3.3 添加劑的復配

非離子添加劑經過篩選，SEW制備XL、JJT超凈煤燃液，穩定性相對較優；離子添加劑JXT分散降低黏度的效果較好，用量較低，但穩定性較差。因此，考慮使用JXT與非離子SEW添加劑復配，制備XL、JJT超潔凈煤燃液，其質量分數均為50%。JXT添加劑用量為0.5%，非離子SEW添加劑用量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，則形成配方1、配方2、配方3、配方4，其試驗結果見表5、表6及圖7。

表5 不同配方添加劑對XL超凈煤燃液穩定性的影響

由表5可知：添加劑配方2制備XL超凈煤燃液，在燃液質量分數50%的條件下，其穩定性良好，靜置7 d后僅出現部分軟沉淀。其余3種配方添加劑靜置7 d后出現大量軟沉淀或少量硬沉淀，這說明配方2的JXT與非離子SEW添加劑5∶4復配，協同作用效果較好，XL超凈煤燃液漿體狀態良好，穩定性優良。配方1非離子SEW添加劑占的比例較低，疏水基團的比例相對較低，不能很好地吸附在煤粒表面，從而使親水基團懸浮在溶液中，空間位阻效應增大，漿體狀態較差，穩定性較差。配方3、配方4非離子SEW添加劑比例較高，疏水基團比例較高，與聚烯烴磺酸鹽JXT的協同作用較差，故漿體穩定性較差。

表6 不同配方添加劑對超凈煤燃液JJT穩定性的影響

由表6可知：添加劑配方2制備JJT燃液，在燃液質量分數50%的條件下，其穩定性良好，靜置7 d后僅出現部分軟沉淀。其余3種配方添加劑靜置7 d后出現大量軟沉淀或少量硬沉淀。由此說明，JXT與非離子SEW添加劑5∶4復配，協同作用效果較好，XL、JJT超凈煤燃液漿體狀態良好，穩定性優良。

圖7 不同配方添加劑對XL、JJT超凈煤燃液黏度的影響

由圖7可知：添加劑配方2、配方3、配方4制備超凈煤XL、JJT燃液，在燃液質量分數50%的條件下，燃液黏度適中，即在剪切速率100 s-1時黏度小于500 mPa·s，燃液流動性良好，主要是由于聚烯烴磺酸鹽與非離子SEW添加劑產生協同效應，降低黏度的效果良好。

復配添加劑中JXT與非離子SEW添加劑最佳協同復配比5∶4，制備XL、JJT超凈煤燃液不僅黏度適中，而且穩定性良好。

4 結語

以超凈煤XL、JJT、水、復合添加劑為原料，設定球磨機相關參數，在球磨機轉速900 r/min、磨制時間30 min的條件下，制備的超凈煤燃液平均粒徑在7 μm左右。

在XL、JJT超凈煤燃液質量分數50%的條件下，通過添加劑的篩選與優化，引入聚烯烴磺酸鹽并與非離子添加劑復配，復配添加劑中聚烯烴磺酸鹽JXT與非離子SEW添加劑最佳協同復配比5∶4，在剪切速率100 s-1時黏度約500 mPa·s，穩定性適中，靜置7 d后僅出現部分軟沉淀，可替代柴油燃料用于直噴式燃煤發動機，是減少環境污染的重要途徑之一。

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