水炭浆成浆性能研究

苏婷，高雯雯，宋永辉，时明亮

（1.榆林学院化学与化工学院,陕西榆林719000；2.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055）

水炭浆成浆性能研究

苏婷1，高雯雯1，宋永辉2，时明亮2

（1.榆林学院化学与化工学院,陕西榆林719000；2.西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055）

研究了水炭浆的成浆条件以及浆体的基本性能。将兰炭末原料研磨筛分为三个粒度等级(D1＞200目，D2为100～200目，D3为60～100目)。得出以木质素磺酸钠(SL)和TPEG作为分散剂，羧甲基纤维素钠(CMC)作为稳定剂，可制备出水炭浆。设定水炭浆浓度为56%，粒度组成为D1：D2：D3=80%:12%:8%，添加剂的总量占干料总量的1.5%，SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%时所制备的水炭浆粘度为518 mPa·s，流动性良好，稳定性长达30 d，是性能优良的水炭浆制品。

水炭浆；添加剂；浆体性能

水煤浆是一种非常成熟的新型高效清洁的煤基流体燃料，一般由65%左右的煤粉、30%左右的水和1%左右的添加剂混合制成。为提高水煤浆的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度，一般要求在74～300 μm之间[1]。在水煤浆的研究过程中，添加剂的选择及颗粒的粒度分配比较关键。赵世永[2]、李静[3]等考察了粒度级配方案对浆体成浆性和稳定性的实验研究，袁善录[4]、李耀东[5]等使用不同的添加剂对煤样进行的成浆实验中均证实了这两个因素对浆体性能有着显著的影响。同时作为石油工业副产物的石油焦，也被制成水焦浆用作代油燃料，制备高浓低粘的高稳定性水焦浆是研究过程中的一大挑战。

兰炭是煤炭热解后的固体产物，我国每年会产出大量的兰炭成品，同时副产利用率极低的兰炭粉末。基于水煤浆和水焦浆的研究经验，对水炭浆进行相关的探索。因为兰炭是一种疏水性物质，不易与水成浆，且越细的兰炭末颗粒其表面积越大，越容易自发凝结，要想成功制备水炭浆，添加剂的选择成为关键因素。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用原料为神木孙家岔煤矿的低变质粉煤(C-SJC)热解所得的兰炭末（BC-SJC）。原料的元素分析和工业分析结果如表1所示。由表1可知，兰炭的挥发分含量、水分、氧、氢含量以及低位热值与低变质煤相比均有所降低，而灰分含量和固定碳含量增高。高灰分不利于燃烧和气化，并且灰分中的可溶性矿物离子Ca2+、Mg2+、Al3+等会对兰炭表面的亲水性、电化学性能、添加剂的选择产生较大的影响[6]，但适量的灰分可以提高颗粒间的空间位阻，起到降低制浆粘度、增强稳定性的作用。

成浆的难易程度以及最大成浆浓度可以根据经验做出初步判断，如式（1）、式（2）所示。

式中：Mad─空气干燥基水分，%；

HGI─哈氏可磨性指数；

C─可制浆浓度，%；

D─难易指标。

表1 原料的工业分析和元素分析Table1 The proximate analysis and elemental analysis of raw materials

由表2中的结果可以看出，兰炭末的HGI较高，说明兰炭末更容易研磨，研磨的程度直接影响颗粒的粒级分布进而影响浆体的各种性能，同时原料的破碎研磨也是浆体制备过程中耗能最高的一个环节。经验上用兰炭末可以制备中等浓度的水炭浆，重点是需要解决添加剂的问题。

表2 成浆性预测Table2 The prediction of slurry character

1.2 制备方法

实验采用干法磨矿制浆。将定量烘干兰炭放入球磨机碾磨两小时后进行筛分，按照粒度D1＞200目、D2为100～200目和D3为60～100目的等级分装备样。选取三种粒度的质量比例，准确称取混合料50 g，加入到一定配比的添加剂水溶液中，采用搅拌器以1 000 r/min的转速搅拌一定时间后获得水炭浆产品，静置3 min后分别进行粘度、流动性的检测，吸水率和稳定性的测试需要在数天内连续观察测量记录。

1.3 性能表征

浆体的表观粘度采用NDJ-8S旋转粘度计测定。实验测量时，取50 mL浆体，选用3#转子，转速为30 r/min，1 min后读数记录，读取5次数据，以平均值作为浆体最终的粘度数值。

流动性采用目视法。取用50 mL浆体，倒入固定在一定高度的锥形漏斗中，观察浆体从漏斗中自由通过的连续程度。连续流动为A，间断流动为B，不流动为C，并以"+、-"表示更细微的差别[7]。

稳定性采用落棒法进行测量，浆体置于50 mL试样瓶内，盖紧瓶塞，每隔一天进行落棒实验，以出现硬沉淀现象为止，用天数表示稳定性的好坏，时间越长，稳定性越好。

2 实验结果与讨论

2.1 添加剂种类的选择

实验选择阴离子分散剂木质素磺酸钠(SL)和腐植酸钠(NA)，非离子分散剂TPEG，稳定剂选择羧甲基纤维素钠(CMC)和聚丙烯酰胺(PAM)，将其单独或者组合试验进行兰炭末的成浆性能研究。根据粒度筛分，选用不同粒级兰炭末颗粒的粒度组成质量比为D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，添加剂的总量选择占干兰炭末质量的1.8%，水炭浆浓度设定为56%。具体的添加剂选择方案及水炭浆性能见表3所示。

结合图1的粘度值，由表3中第1第2组数据可以看出，选择CMC作为稳定剂，以阴离子分散剂SL和非离子分散剂TPEG分别作为浆体分散剂时，均可制得粘度较小、流动性较好的水炭浆，虽然稳定性较低，但可成浆就说明所选择的添加剂具有一定的合理性。

表3 不同添加剂种类的浆体性能Table3 The slurry properties with different additives

图1 不同添加剂浆体粘度Fig.1 The slurry viscosity with different additives

在后续的实验中，为了实现良好的浆体性能，将分散剂进行复配使用，第3组数据中以SL和NA按比例复配后的浆体流动性稍差，所以选择SL和TPEG进行复配。第4、5、6组数据中，浆体的粘度都满足要求，流动性也连续流畅，只第6组数据中浆体的稳定性差。从第4、5组数据可知，以SL和TPEG进行复配，与CMC一起作为添加剂制浆的途径切实可行。分散剂采用润湿分散、静电斥力分散以及空间位阻分散等作用，使得兰炭颗粒在水中很好的分散开来，而稳定剂的作用是使已分散的兰炭颗粒、水、和其他分散的兰炭颗粒之间形成一种网格结构，阻止已分散的兰炭颗粒沉淀，他们有着各自的分工，相互之间也可能受到影响，介于第6组数据中稳定性差的问题，再进行两组对比实验，选择PAM作为稳定剂。根据第7、8组数据得出，两个浆体的粘度很小，但是流动性和稳定性都很差，不满足要求，放弃PAM作为稳定剂的方案。从整个数据中可以得出，以SL、TPEG为分散剂，CMC为稳定剂是较好的选择，在后续的实验中选择此种复配方案。

2.2 粒度组成

在水炭浆的制备过程中，兰炭末筛分为三个粒度级别，最细粒度的兰炭末质量比例D1选择70%、75%、80%、85%四个数值，其余两个粒度级别的质量按1∶1的比例平分。水炭浆浓度设定为56%，添加剂的总量占干料总量的1.8%，具体比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。具体实验按表4进行。

表6 不同添加剂总量浆体Table6 The slurry properties with different additives amount

表4 不同粒度配比的浆体性能Table4 The slurry properties with different Particle size

表4数据显示，D1在70%以上所制备的水炭浆浆体流动性、稳定性良好。总体上细颗粒的含量越多，稳定性越好。细颗粒含量的增加，颗粒的堆积效率提高，颗粒堆积时空隙较少，减少了颗粒沉积的空间，稳定性自然增加，同时，研究堆积效率与粒度分布的关系，也有利于提高水炭浆的浓度[8]。表4中，4种粒度组成制备的水炭浆的表观粘度数值均在800 mPa.s以上并且相差不大，80%的粒度组成制备的水炭浆的粘度相对最小，稳定性、流动性良好，虽然85%的粒度组成所制备的水炭浆的稳定性具有优势，但在原料研磨以及筛分过程中，细颗粒的能耗相对较高，综合考虑，选择80%的粒度组成作为实验初选的方案是合理的。

随后以最细颗粒80%的质量组成为基础，探究其他两个粒度的分配对水炭浆性能的影响。添加剂总量为干料总量的1.8%，水炭浆浓度设定为56%，具体比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。

由表5可知，粒度组成质量比为D1∶D2∶D3= 80%∶12%∶8%时，水炭浆的粘度最小，稳定性和流动性最好，是浆体性能相对最优的条件，所以最终确定这一粒度组成作为基础工艺条件。

表5 不同粒度配比的浆体性能Table5 The slurry properties with different Particle size

2.3 添加剂量的确定

粒度组成D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，设定水炭浆浓度为56%，改变添加剂总量为分别占干料总量的1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，而SL∶TPEG∶CMC的比例初定为7∶3∶5，具体实验结果见表6。

由表6中可以看出，制浆时不使用添加剂，单纯是级配兰炭末颗粒与水溶液的混合物，刚开始搅拌时表观上呈现浆体状，也可以适当流动，但静置后在不到一天的时间内固体颗粒沉积，混合物出现严重分层现象，无从谈及浆体性能，所以制备水炭浆必须使用添加剂。而当添加剂的总量达到3%、4%时，明显无法成浆，混合物呈粥样状，搅拌过程中阻力较大，静置2 d后混合物上层析出的黄色液体可能是添加剂的混合物水溶液，说明添加剂也并非越多越好。添加剂的总量控制在1.0%和2.0%的时候，可制备出粘度较低，稳定性良好，而且流动性较好的浆体，由此初步确定添加剂总量的范围在1%～2%之间，前期探索实验选择的1.8%的添加剂总量属于合理范围。

随着对添加剂作用机理的深入研究，同时由于添加剂的成本较高，在后期的实验中应该尽力减少添加剂的总量，提高水炭浆的浓度，尝试将添加剂的总量持续降低，保持在(1±0.2)%左右。

本次实验先尝试降低添加剂总量至1.5%。兰炭末颗粒组成为D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，设定水炭浆浓度为56%，改变三种添加剂的质量比例，探索浆体性能相对较优的添加剂配比方案，具体实验如表7所示。

图2 不同添加剂浆体粘度Fig.2 The slurry viscosity with different additives ratio

表7 不同添加剂浆体性能Table7 The slurry properties with different additives ratio

根据图2的粘度数值，由表7可知，选用的10种添加剂比例所制备的水炭浆各项浆体性能指标良好，尤其稳定性都比较好，最长可达一月之久，这表明添加剂种类和总量的选择基本正确。数据1、2虽粘度稍高，但也在合理范围，只是流动性稍差，稳定性相对最短，同样数据6除了粘度值稍高之外，其他性能都表现良好，在以其他添加剂比例所制备水炭浆的性能均较优良的情况下，可以弃之不用。剩余的其他7组数据，其实都可作为性能优良的水炭浆制备方案，在择优选用的原则下，可使用第8组数据的配比进行制备，以获得低粘度高稳定性且流动性好的水炭浆制品。

3 结论

本文选用兰炭末作为原料，鉴介水煤浆及水焦浆的制备工艺，探索水炭浆的制备方法。根据HGI预估，水炭浆的制备可以实现。性能优良的水炭浆制备关键在于添加剂的选择和兰炭末颗粒的粒度组成。实验设定水炭浆浓度为56%。

（1）阴离子分散剂SL和NA，非离子分散剂TPEG均可作为水炭浆的分散剂使用，为了达到更好的分散效果，采用了复合配比方案，最终选用SL+TPEG作为分散剂，稳定剂确定为CMC。

（2）选择好添加剂的种类之后，初步选定兰炭末的粒度组成为D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，经过进一步的实验探索后，确定粗粒子的比例，最终选择D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%的粒度组成。

（3）添加剂的总量占干料量的比例根据实验需要确定在1%-2%之间，实验初选添加剂的量为1.8%，可以制备性能优良的水炭浆制品，降低添加剂的用量至1.5%后，浆体性能良好。同时确定三种添加剂之间的具体配比为SL∶TPEG∶CMC=0.74%∶0.38%∶0.38%，可制备出低粘高稳强流动性的水炭浆制品。

［1］庾晋.我国水煤浆技术综述[J].煤气与热力,2003,23（7）:429-431.

［2］赵世永,张晋陶.粒度配比对神府煤水煤浆稳定性的影响[J].煤炭工程,2006（12）:88-90.

［3］李静,董慧茹,刘国文改善粒度级配提高大同水煤浆的稳定性[J].北京化工大学学报,2002,29（1）:93-97.

［4］袁善录,戴爱军制备高浓度水煤浆的影响因素探讨[J].应用化工, 2007,36（12）:1242-1251.

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［6］高夫燕.基于石油焦的浆体燃料制备及特性研究[D].浙江：浙江大学,2013.

［7］张群彩,杨东杰,等.改性木质素磺酸盐水煤浆添加剂对神华煤制浆性能的影响[J].精细化工，2006,23(3):246-249.

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Study on Properties of Blue-Coke Water Slurry

SU Ting1,GAO Wen-wen1,SONG Yong-hui2,SHI Ming-liang2
（1.School of Chemistry＆Chemical Engineering,Yulin University,Shaanxi Yulin 719000,China；2.School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Shaanxi Xi'an 710055,China）

The slurry conditions and basic properties of blue-coke water slurry were studied in this paper.After grinding and screening,the raw material was divided into three particle sizes(D1＞200 mesh,D2=100～200 mesh,D3=60～100 mesh).The blue-coke water slurry was prepared by using sodium lignosulfonate(SL)and TPEG as dispersant and carboxy methyl cellulose sodium(CMC)as the stabilizer.The slurry concentration was set as 56%,the additives accounted for 1.5%of the total amount of dry material,and SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%,particle size was D1：D2：D3=80%:12%:8%,the prepared slurry had good performance with the viscosity of 518 mPa·s,the good fluidity and the 30 days stability.

Blue-coke water slurry;Additives;Properties of slurry

TQ 530

A

1671-0460（2017）03-0400-04

榆林新材料制备及深加工自动化-水炭浆的制备及应用基础研究，项目号：2015CXY-01。

2017-01-13

苏婷（1984-），女，陕西省榆林市人，讲师，硕士，2011年毕业于西安建筑科技大学化学工艺专业，研究方向：煤化工。专任教师。E-mail：st1010ivy@126.com。

高雯雯（1985-），女，讲师，硕士，研究方向：兰炭废水处理。E-mail：154167822@qq.com。