影響水煤漿成漿性因素的實驗研究

田鋒

摘? ?要：要制備高濃度、低黏度、穩(wěn)定性和流動性優(yōu)良的水煤漿，影響因素很多，如煤質、粒徑分布、堆積效率、內水含量、分散劑等。采用3級W細∶W中∶W粗=5∶1∶4 級配下煤漿的黏度為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達到最好。通過平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級配的煤樣進行測定，50 μm粒徑堆積效率為0.7，黏度為732 mPa·s，效果最好。新型兩性離子分散劑與煤種的適配性較好，同時也可以通過改性和與其他添加劑復配來擴大與煤種的適配范圍。

關鍵詞：水煤漿;成漿性;影響因素;粒度級配;堆積效率;添加劑

水煤漿技術是一種用煤制清潔燃料的新型煤代油技術，既環(huán)保又節(jié)能，也可以發(fā)揮我國煤炭資源優(yōu)勢，是我國能源長期穩(wěn)定發(fā)展的戰(zhàn)略選擇和現(xiàn)實選擇[1]。

水煤漿是煤、水和少量的化學添加劑相混合成的一種粗分散體系物質，其中煤占60%～73%，水為30%～40%，化學添加劑為0.2%～1.0%。常溫水煤漿和石油一樣可以進行儲存、霧化、泵送和相對穩(wěn)定的燃燒。由于水煤漿燃燒熱值高，綠色環(huán)保，可用于工業(yè)鍋爐、供熱站、導熱油鍋爐和工業(yè)窯爐代油。在礦區(qū)，也可以將低價煤炭加工成高價水煤漿，同時水煤漿也是工業(yè)上合成甲醇、二甲醚和合成氨的重要原材料。因此，水煤漿是代替重油、石油和天然氣的新型燃料，備受世界各國關注[2]。

要制備高濃度、低黏度、穩(wěn)定性和流動性優(yōu)良的水煤漿，影響因素很多，除煤質、粒徑分布、堆積效率、內水含量、分散劑以外，還與溫度、穩(wěn)定劑、pH調節(jié)值、磨礦和制漿工藝等有關。

1? ? 煤質特性對水煤漿成漿性的影響

1.1? 粒度級配對水煤漿成漿性的影響

要制備高濃度水煤漿，主要途徑之一是減小煤粒間隙。應用與煤種相匹配的粒度級配，制漿質量分數(shù)可提高3%～7%，可以改善漿體的穩(wěn)定性和流動性[3-4]。濃度相同粒度級配不同的漿體黏度差異較大，適應性較好的粒度級配可以降低水煤漿黏度，增加流動性。因煤質不同，常用的煤粒粒徑分布有：2級級配法和3級級配法。趙世永等[5]對神府煤的粒度分布對成漿性的影響進行了研究，結果顯示用小于25 μm與大于75 μm的煤粉粒徑進行兩級級配，各份量均為50%，煤漿的穩(wěn)定性和黏度均較好。

如表1所示，在保證質量分數(shù)為66%時，小于25 μm，25～75 μm和大于75 μm的3級級配試驗中，W細∶W中∶W粗? =5∶1∶4 級配下水煤漿的黏度為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達到最佳。

1.2? 堆積效率對水煤漿成漿性的影響

Boylu等[4]在制漿過程中的粒度級配，實現(xiàn)合理的粒度分布不僅可以使小煤粒占據(jù)大煤粒的空間達到較高的堆積效率，良好的粒度級配還可使分散劑較好地吸附在煤粒表面，從而制得高質量濃度的水煤漿，并改善水煤漿的穩(wěn)定性。

粒度分布對黏度的影響可通過平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級配的煤樣進行測定。表觀黏度的測定結果（在100 r/min的剪切速度下）如表2所示。所有實驗的進行須使用固含量為55%的漿體。

在表2中不同分布的3種煤樣中，堆積效率隨平均顆粒直徑的增加而增加。當平均顆粒直徑相同時，3種不同的煤樣的堆積效率變化相似，但黏度值變化較大。與顆粒平均直徑為50 μm，黏度為732 mPa·s的Siberia煤相比，低級配的Istanbul-Agacli煤的黏度卻為903 mPa·s。對于顆粒平均直徑不同的煤樣也同樣如此，顆粒平均直徑為19 μm，Siberia煤的黏度為2 182 mPa·s，而Soma煤的黏度達到2 632 mPa·s，Istanbul-Agacli煤的黏度為2 976 mPa·s。制備低黏度的漿體均可以使用顆粒平均直徑更大的不同煤樣，但平均粒徑主要由粒度分布決定。原因是微小顆粒制備的漿體的堆積效率低，低堆積效率的煤漿黏度較高，堆積效率較低的煤形成一種相當緊密的結構。因此，由煤組成的懸浮液流體不能輕易地進入煤的表面原子的空隙。即使流體進入了這些空隙，也很難在里面移動。因此，增加運動過程中的內部摩擦力會形成更大的阻力，進而引起黏度的增加。顯現(xiàn)出更大堆積效率的顆粒具有更大的空隙，進而有較低的黏度和更好的流動性。然而，由于在燃燒過程中遇到的沉降和粒度范圍限制的問題，顆粒直徑不能增加太多。

2? ? 水煤漿添加劑對水煤漿成漿性的影響

我國水煤漿技術普遍存在的問題是分散劑與煤種匹配性差，一種添加劑只對某些煤種有作用，對其他煤種沒有明顯的分散降黏作用[6]，成本較高。木質素系分散劑存在的問題是制漿黏度大、投加量多，腐殖酸系分散劑存在的問題是穩(wěn)定性差，而其他非離子型分散劑和聚羧酸類分散劑存在的問題是價格昂貴，制漿成本高。通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，多種分散劑復配使用既可以提高水煤漿質量分數(shù)，又可以降低黏度，減少分散劑用量。常見復配方式為非離子-陰離子型復配，非離子-非離子型復配，陰離子-陰離子型復配。相比而言，非離子-陰離子型復配所制得的添加劑性能最佳，如聚氧乙烯醚和木質素磺酸鹽的復配等[7]。

提高分散劑分散效果的另一種途徑是改性。常見的化學改性方式有接枝共聚、磺化、縮合、磺甲基化、化學氧化等[8]。Zhou等[9]以造紙黑液磺化改性后作為分散劑，發(fā)現(xiàn)磺酸基含量越高和分子質量越大，分散劑分散性能越好。目前出現(xiàn)的一些新型添加劑，如生物質添加劑、兩性離子添加劑等，具有良好的性能，例如對水質要求不高[10]，在酸性堿性溶液中均可使用，幾乎可以與其他所有類型添加劑復配。朱雪丹等[11]以聚乙二醇、丙烯酸為主要原料，通過合成的方法制備了一種含有陰陽離子的新型兩性聚羧酸系水煤漿分散劑。該分散劑既具有分散性，又具有穩(wěn)定功能。用此分散劑對神府煤做成漿性研究，結果顯示，當制漿質量分數(shù)為65%時，分散劑用量為干基煤質量的0.5%，水煤漿表觀黏度僅為920 mPa·s。采用兩性離子型添加劑、改性技術、復配等是未來水煤漿添加劑發(fā)展的趨勢[12]。

3? ? 結語

（1）通過實驗發(fā)現(xiàn)，在3級W細∶W中∶W粗=5∶1∶4級配中，質量分數(shù)保持在66%，水煤漿的黏度降為1 000 mPa·s，穩(wěn)定性達到最佳。

（2）通過平均粒徑分別為19 μm、35 μm和50 μm的3種不同級配的煤樣進行測定。50 μm粒徑堆積效率為0.7，黏度為732 mPa·s，效果最好。制備低黏度的漿體均可以使用顆粒平均直徑更大的不同煤樣。

（3）新型兩性離子分散劑具有優(yōu)越性，與煤種的適配性較好，也可以通過改性，與其他添加劑復配來擴大與煤種的適配范圍。

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