磺甲基化腐植酸分散劑對不同煤制備水煤漿的適應性研究

吳 江，張光華，張萬斌，3，杜 倫，李俊國，段清兵，柳金秋

(1.陜西科技大學 陜西省輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西 西安 710021；2. 中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；3. 陜西科技大學 陜西省輕化工助劑化學與技術協同創新中心，陜西 西安 710021)

水煤漿技術是20世紀80年代興起的高效率、低污染的煤基液態燃料，是由含量分別為65%～70%的煤粉、29%～34%的水和≤1%的化學添加劑，經過一定的加工工藝制成的液體燃料[1]。水煤漿既保持煤炭的原有性質，又具有燃油一樣的流動性與穩定性。水煤漿制備作為重要的潔凈煤技術，在我國的能源戰略中有著重要的地位[2]，而水煤漿制備技術的關鍵因素是水煤漿添加劑[3]。隨著科技的發展，水煤漿技術已經趨于成熟，但我國水煤漿技術仍然存在著分散劑與煤種匹配性差的問題，而且制漿時對添加劑和水質的要求、對煤的品種和品質的要求都較高，所得水煤漿的穩定性偏低，黏度普遍偏大[4]。

中國腐植酸資源豐富，儲量大、分布廣、品位好[5]。作為有機物原料，廣泛地應用于農、林、牧、石油、化工、建材、醫藥、衛生、環保等各個領域[6]。在腐植酸綜合利用方面，雖然起步晚，但技術水平在世界上并不落后。中國從事腐植酸科學研究的高等院校、研究院所多達一百多個，取得了眾多科研成果，一些技術產品已經達到國際領先水平。目前分散劑都存在著一些問題，例如：萘系分散劑污染嚴重、聚羧酸系分散劑價格昂貴、木質素分散劑分散性能差。腐植酸分散劑因為價格低廉，節能環保，分散性好，被廣泛使用。另一方面，通過研究發現，腐植酸分子的基本結構是帶側鏈的芳香環、稠環、脂肪環和雜環的縮聚體系，這種體系是疏水的，但是它跟煤的結構相似，可以更好地吸附在一起[7]。目前以腐植酸作為水煤漿分散劑的研究很少，通常通過磺化、硝化、磺甲基化或者甲醛、尿素等交聯對腐植酸進行改性[8]，主要是向腐植酸分子中引入親水性長鏈和親水性的官能團[9]。為了探究腐植酸分散劑對不同煤制備水煤漿的適應性等問題，試驗采用自主研發的磺甲基化腐植酸分散劑對陜西榆林、新疆伊犁、內蒙通遼、陜西彬長等四個產地不同的煤進行了適應性測試。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試驗試劑為自主研發的磺甲基化腐植酸。試驗儀器包括XM-4型行星球磨機，FW-200型粉碎機，美國Brookfield公司R/S-SST Plus流變儀，法國 Formulaction公司Turbiscan Lab型穩定性分析儀，百特威BT2003激光粒度儀，國家水煤漿工程技術研究中心NXS-4C水煤漿黏度儀。

1.2 試驗煤樣

試驗所用煤樣取自陜西榆林煤、陜西彬長煤、新疆伊犁煤、內蒙通遼煤。煤質情況見表1。

表1 煤樣的工業分析及元素分析

1.3 水煤漿的制備

采用干法制漿，先將球磨機磨好的不同粒徑的煤粉混合均勻進行級配(表2)，煤粉粒徑分布如圖1所示。實驗室水煤漿分散劑的用量一般為干燥基煤質量的1.0‰～10.0‰，將其與級配的煤粉、水混合，然后再機械攪拌10 min，轉速600 r/min，即得試驗所需的水煤漿。

表2 水煤漿級配

1.4 水煤漿性能測試分析

在測試溫度為25 ℃時，采用NXS-4C水煤漿黏度儀測定水煤漿的表觀黏度；按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》測定水煤漿流動度[10]。在測定溫度為25 ℃時，采用R/S-SST Plus流變儀測定水煤漿的流變特性曲線；通過Turbiscan Lab型穩定性分析儀測定水煤漿的穩定性[11-12]。

圖1 煤粉粒徑分布

1.5 煤中含氧官能團測定

采用酸堿化學滴定法對煤樣中所含有的主要含氧官能團進行含量測定，測定值見表3。

表3 煤中含氧官能團測定Table 3 Measured oxygen functional groups mmol/g

煤化程度越低，煤中氧碳比(O/C)越高，親水基越多，內在水含量越高，煤的成漿性也越差。由表3可以看出，新疆伊犁煤的含氧官能團含量最高，內蒙通遼煤次之，陜西彬長煤含氧官能團含量最低，為1.824 mmol/g。

2 結果與討論

2.1 分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響

將磺甲基化腐植酸(以下簡稱SHA)分散劑分別用于陜西榆林煤、陜西彬長煤、新疆伊犁煤、內蒙通遼煤制漿，水煤漿制漿濃度分別為63%、67%、59%、56%。考察分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 分散劑用量對水煤漿表觀黏度的影響

由圖2可知，對于陜西榆林煤，當分散劑用量為0.6%時，黏度最小，最小值為536 mPa·s；對于陜西彬長煤，當分散劑用量為0.5%時，黏度最小，最小值為443 mPa·s；對于新疆伊犁煤，當分散劑用量為0.6%時，黏度最小，最小值為852 mPa·s；對于內蒙通遼煤，當分散劑用量為0.7%時，黏度最小，最小值為631 mPa·s。制漿黏度低，表明分散劑適用于該煤種，因此SHA分散劑更適用于陜西彬長煤。

2.2 分散劑用量對水煤漿流動度的影響

將SHA分散劑分別用于陜西榆林煤、陜西彬長煤、新疆伊犁煤、內蒙通遼煤制漿，制漿濃度分別為63%、67%、59%、56%。考察分散劑用量對水煤漿流動度的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 分散劑用量對水煤漿流動度的影響

由圖3可知，對于陜西榆林煤，當分散劑用量為0.6%時，流動度最大，最大值為133 mm；對于陜西彬長煤，當分散劑用量為0.5%時，流動度最大，最大值為156 mm；對于新疆伊犁煤，當分散劑用量為0.6%時，流動度最大，最大值為89 mm；對于內蒙通遼煤，當分散劑用量為0.7%時，流動度最大，最大值為98 mm。因流動度越大，流動性越好，故SHA分散劑更適用于陜西彬長煤。

2.3 分散劑對不同煤的潤濕性影響

將四種煤樣的煤粉各取0.8 g,分別壓片，壓力為600 MPa,保持2 min,然后使用接觸角測量儀測定煤樣分別在水和分散劑溶液下接觸角的變化(表4)。

表4 煤樣與水和分散劑溶液的接觸角

由表4可知，陜西榆林煤和陜西彬長煤屬于較疏水的煤。新疆伊犁煤和內蒙通遼煤較親水，煤表面含氧官能團較多，成漿性也較差。

2.4 分散劑對水煤漿穩定性的影響

將SHA分散劑分別用于陜西榆林煤、陜西彬長煤、新疆伊犁煤、內蒙通遼煤制漿，水煤漿制漿濃度分別為63%、67%、59%、56%，分散劑用量分別為0.6%、0.5%、0.6%、0.7%。考察時間對水煤漿穩定性的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 時間對水煤漿穩定性的影響

由圖4可知，對于陜西榆林煤，當分散劑用量為0.6%時，水煤漿體系的不穩定性指數為0.39；對于陜西彬長煤，當分散劑用量為0.5%時，水煤漿體系的不穩定性指數為0.45；對于新疆伊犁煤，當分散劑用量為0.6%時，水煤漿體系的不穩定性指數為0.41；對于內蒙通遼煤，當分散劑用量為0.7%時，水煤漿體系的不穩定性指數為0.62。由此看出，內蒙通遼煤的水煤漿體系穩定性最差，陜西榆林煤的水煤漿體系穩定性最好。

3 結論

(1)通過對陜西榆林、新疆伊犁、內蒙通遼、陜西彬長煤的黏度、流動度、穩定性綜合分析可知，SHA分散劑更適用于陜西彬長煤，適用于煤階較高的煤。

(2)煤中羧基和酚羥基等含氧官能團的含量對煤成漿后的質量分數影響較大，含氧官能團數量越多，煤表面越親水，成漿性越差。

(3)煤樣O/C對煤成漿的質量分數影響很大，O/C比越高，煤成漿的質量分數越小。這是因為煤的內水含量、煤表面的親水官能團較多。