煤的特性对水煤浆性质的影响

中国矿业大学化工学院 王 敬 王红林 刘亚菲

煤的特性对水煤浆性质的影响

中国矿业大学化工学院 王 敬 王红林 刘亚菲

水煤浆是国际上20世纪70年代末发展起来的一种以煤代油的新型燃料，具有燃烧效率高、负荷易调控、节能和保护环境等优点。自20世纪80年代以来，相关学者对水煤浆技术进行了广泛地开发与研究，并取得了一系列成果。本文，笔者就水煤浆性质和煤特性对其的影响进行了简要阐述，对改善煤的成浆性具有一定的参考价值。

一、水煤浆的性质

水煤浆和一般的煤泥水不同，它是一种燃料，作为均匀悬浮流体，除了水煤浆中煤的固有特性（发热量、灰熔点、含硫量等）外，还具有流体特性（浓度、流变性、稳定性等）。

水煤浆技术中包括制浆煤种的选择，要求选择成浆性好的煤，煤的成浆性是指将煤制备成水煤浆的难易程度。水煤浆的流变性十分复杂，在低浓度时可能表现为牛顿流体或假塑性流体；浓度稍高产生絮团后，可能表现为宾汉流体；更高的浓度下又可能出现胀塑性流体；当加入添加剂后，煤粉和水紧密结合，形成网状结构，成为均一体，表现为非牛顿流体的性质。水煤浆是一种固液两相混合物，容易发生固液分离现象；通常要求在贮、运过程中不产生硬沉淀。水煤浆能维持不产生硬沉淀的性能，称为水煤浆的稳定性。由于水煤浆的性质之间相互制约，故难以满足各性能同时达到要求。例如，水煤浆浓度较大则黏度大，流动性差；浓度低有利于输送、雾化和燃烧，但会使稳定性变差。结合水煤浆的性质，因此选择制浆用煤时需要考虑以下几项影响因素。

二、水煤浆性质的影响因素

1. 煤表面性质对水煤浆性质的影响。煤的表面性质如内在水分、含氧官能团、表面吸水特性、接触角等，对其成浆性有重要影响，国内外做了大量研究对此进行探讨。

煤的内在水分是指吸附或凝聚在煤颗粒内部的毛细管或孔隙中的结合水，是影响成浆性能的关键因素，内在水分越高,煤浆性能越差，浓度也越低。内在水分高，说明煤粒表面吸附水分子的能力强，一方面影响表面活性剂的吸附，另一方面也反映了煤的孔隙结构易于赋存水分，这样就会减少煤浆中作为流动介质的水量，所以表观黏度增高，成浆性能降低。煤中的含氧官能团主要包括羟基、羧基和羰基，易形成氢键而亲水，所以煤中含氧官能团越多亲水性越强，内在水分含量越大，成浆性越差。大量研究表明，煤的表面吸水特性对水煤浆流变性的影响较大。接触角是润湿程度的量度，在水煤浆的研制中，经常用接触角来度量煤的疏水性；尉迟唯等研究煤、水接触角与煤的成浆性及煤变质程度的关系时发现，煤的成浆性随疏水性的增加而增加。煤的表面电性可以影响煤颗粒的分散性，表面电性越高，煤颗粒的分散性较好，水煤浆黏度越低，因此人们在应用中把某些金属离子作为稳定剂，用来降低煤颗粒的表面电性，改善煤浆的稳定性。

由此可见，煤的内在水分、含氧官能团、表面吸水特性和接触角等参数越大，煤的亲水性越好，成浆性越差；煤的表面电性降低，可以改善煤浆的稳定性。

2. 矿物质对水煤浆性质的影响。煤中矿物质对水煤浆的性质有较大的影响，研究它对优化水煤浆制备工艺和完善制浆技术有重要意义。由于煤表面性质的差异，矿物质含量和组成影响着煤的成浆性，但关于矿物质对水煤浆特性的影响至今尚无统一结论。例如石英、方解石和黄铁矿等矿物质密度大，在浆体中易下沉，破坏体系的结构，降低浆体的稳定性。矿物质表面的δ电位较高，增加了颗粒间的静电作用,可以使体系黏度降低。黏土矿物质因其吸水膨胀性会使煤浆的表观黏度升高，不利于制浆；但黏土矿物颗粒间的静电斥力较强，在浆体中易形成网状结构而使水煤浆有很好的触变性，但在外力作用时结构易破坏，黏度下降。另外，一些矿物质如硫酸盐矿物可以溶出多价离子，会降低煤颗粒表面电动电位的绝对值和活性剂的分散效能。此外，煤中矿物质也会影响其可磨性，可磨性好的煤可提高堆积效率，使煤的成浆性增大。总之，矿物质对水煤浆特性的影响很大，人们可以根据这些规律，优化水煤浆制备工艺，提高水煤浆的质量。

3. 孔结构对水煤浆性质的影响。煤是一种复杂的多孔性固体，孔结构可以分为大孔、中孔和微孔，并且煤的孔隙率越发达，则煤的比表面积越大。相关研究表明，不同变质程度的煤，其孔结构特性对水煤浆性质的影响较为复杂。

相同变质程度的煤，孔体积大的吸附的内在水分多，在相同固体粉煤量的条件下，使浆体的黏度增加，从而制约高浓度煤浆的制备。一般来说，煤的大孔结构对煤成浆性的影响较显著；而微孔有效孔体积的大小主要与浆体的存储性质有关，微孔有效孔体积较大时会加速浆体软沉淀转变成硬沉淀，从而影响浆体的长期存储性能。不同变质程度的煤，其孔结构特性对水煤浆性质的影响较为复杂。根据煤的表面性质可知，较小的总孔体积的煤有较高的成浆性。另外，煤阶越低并且孔隙越发达的煤种制浆越困难。

4. 煤岩组成对水煤浆性质的影响。煤显微组分的成煤过程不同，其结构和性质也存在差异，从而对水煤浆的性质造成不同影响。经过研究发现，镜质组和惰质组对煤浆成浆性和稳定性有显著影响，而壳质组仅影响浆体的稳定性；三种煤岩组分之间的交互作用不明显，各自影响其制浆效果。从结构和性质方面来说，镜质组的挥发分和H、N含量较高，C、S含量较低，总氧含量高但含氧官能团数量低，且芳香度、芳香氢和环缩合度较低；而惰质组的灰分、C含量较高，总氧含量低而其含氧官能团数量高，并且芳香度、芳香氢和环缩合度较高。此外，不同煤岩组分中矿物质的含量、种类及赋存状态也存在差异。

惰质组是多孔结构，使得煤的比表面积、孔体积和最高内在水分含量都很高，故所制浆的黏度较大；而从惰质组孔隙中的矿物质溶出的金属离子会改变煤表面的双电层结构，影响添加剂的作用，对成浆过程造成不利影响。镜质组的密度较小，同样质量时体积就较大，用来起分散作用的水量相对减少，所以制浆的黏度较大，成浆性差。一般来说，成浆性随惰质组含量的增加和镜质组含量的减少而先增加后减少，所以两组分协同作用制浆时，在惰质组和镜质组比例合适的情况下才可以制得低黏度、高浓度的水煤浆。

三、结论

水煤浆技术是我国现阶段适宜的代油、环保及节能技术，在能源发展计划中具有重要的战略意义。影响制备高性能水煤浆的因素很多，除了本文提到的煤特性因素外，添加剂的选择、制浆条件也对煤成浆性能产生重要影响。煤的成浆性能是由多种因素共同决定的，应该综合考虑各因素的影响，从而制得高浓度、低黏度、稳定性好的高性能水煤浆。