磺甲基化腐植酸分散剂对不同煤制备水煤浆的适应性研究

2018-11-16张光华张万斌李俊国段清兵柳金秋

选煤技术 2018年4期

吴江，张光华，张万斌，3，杜伦，李俊国，段清兵，柳金秋

(1.陕西科技大学陕西省轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西西安 710021；2. 中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013；3. 陕西科技大学陕西省轻化工助剂化学与技术协同创新中心，陕西西安 710021)

水煤浆技术是20世纪80年代兴起的高效率、低污染的煤基液态燃料，是由含量分别为65%～70%的煤粉、29%～34%的水和≤1%的化学添加剂，经过一定的加工工艺制成的液体燃料[1]。水煤浆既保持煤炭的原有性质，又具有燃油一样的流动性与稳定性。水煤浆制备作为重要的洁净煤技术，在我国的能源战略中有着重要的地位[2]，而水煤浆制备技术的关键因素是水煤浆添加剂[3]。随着科技的发展，水煤浆技术已经趋于成熟，但我国水煤浆技术仍然存在着分散剂与煤种匹配性差的问题，而且制浆时对添加剂和水质的要求、对煤的品种和品质的要求都较高，所得水煤浆的稳定性偏低，黏度普遍偏大[4]。

中国腐植酸资源丰富，储量大、分布广、品位好[5]。作为有机物原料，广泛地应用于农、林、牧、石油、化工、建材、医药、卫生、环保等各个领域[6]。在腐植酸综合利用方面，虽然起步晚，但技术水平在世界上并不落后。中国从事腐植酸科学研究的高等院校、研究院所多达一百多个，取得了众多科研成果，一些技术产品已经达到国际领先水平。目前分散剂都存在着一些问题，例如：萘系分散剂污染严重、聚羧酸系分散剂价格昂贵、木质素分散剂分散性能差。腐植酸分散剂因为价格低廉，节能环保，分散性好，被广泛使用。另一方面，通过研究发现，腐植酸分子的基本结构是带侧链的芳香环、稠环、脂肪环和杂环的缩聚体系，这种体系是疏水的，但是它跟煤的结构相似，可以更好地吸附在一起[7]。目前以腐植酸作为水煤浆分散剂的研究很少，通常通过磺化、硝化、磺甲基化或者甲醛、尿素等交联对腐植酸进行改性[8]，主要是向腐植酸分子中引入亲水性长链和亲水性的官能团[9]。为了探究腐植酸分散剂对不同煤制备水煤浆的适应性等问题，试验采用自主研发的磺甲基化腐植酸分散剂对陕西榆林、新疆伊犁、内蒙通辽、陕西彬长等四个产地不同的煤进行了适应性测试。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试验试剂为自主研发的磺甲基化腐植酸。试验仪器包括XM-4型行星球磨机，FW-200型粉碎机，美国Brookfield公司R/S-SST Plus流变仪，法国 Formulaction公司Turbiscan Lab型稳定性分析仪，百特威BT2003激光粒度仪，国家水煤浆工程技术研究中心NXS-4C水煤浆黏度仪。

1.2 试验煤样

试验所用煤样取自陕西榆林煤、陕西彬长煤、新疆伊犁煤、内蒙通辽煤。煤质情况见表1。

表1 煤样的工业分析及元素分析

1.3 水煤浆的制备

采用干法制浆，先将球磨机磨好的不同粒径的煤粉混合均匀进行级配(表2)，煤粉粒径分布如图1所示。实验室水煤浆分散剂的用量一般为干燥基煤质量的1.0‰～10.0‰，将其与级配的煤粉、水混合，然后再机械搅拌10 min，转速600 r/min，即得试验所需的水煤浆。

表2 水煤浆级配

1.4 水煤浆性能测试分析

在测试温度为25 ℃时，采用NXS-4C水煤浆黏度仪测定水煤浆的表观黏度；按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定水煤浆流动度[10]。在测定温度为25 ℃时，采用R/S-SST Plus流变仪测定水煤浆的流变特性曲线；通过Turbiscan Lab型稳定性分析仪测定水煤浆的稳定性[11-12]。

图1 煤粉粒径分布

1.5 煤中含氧官能团测定

采用酸碱化学滴定法对煤样中所含有的主要含氧官能团进行含量测定，测定值见表3。

表3 煤中含氧官能团测定Table 3 Measured oxygen functional groups mmol/g

煤化程度越低，煤中氧碳比(O/C)越高，亲水基越多，内在水含量越高，煤的成浆性也越差。由表3可以看出，新疆伊犁煤的含氧官能团含量最高，内蒙通辽煤次之，陕西彬长煤含氧官能团含量最低，为1.824 mmol/g。

2 结果与讨论

2.1 分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响

将磺甲基化腐植酸(以下简称SHA)分散剂分别用于陕西榆林煤、陕西彬长煤、新疆伊犁煤、内蒙通辽煤制浆，水煤浆制浆浓度分别为63%、67%、59%、56%。考察分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响，试验结果如图2所示。

图2 分散剂用量对水煤浆表观黏度的影响

由图2可知，对于陕西榆林煤，当分散剂用量为0.6%时，黏度最小，最小值为536 mPa·s；对于陕西彬长煤，当分散剂用量为0.5%时，黏度最小，最小值为443 mPa·s；对于新疆伊犁煤，当分散剂用量为0.6%时，黏度最小，最小值为852 mPa·s；对于内蒙通辽煤，当分散剂用量为0.7%时，黏度最小，最小值为631 mPa·s。制浆黏度低，表明分散剂适用于该煤种，因此SHA分散剂更适用于陕西彬长煤。

2.2 分散剂用量对水煤浆流动度的影响

将SHA分散剂分别用于陕西榆林煤、陕西彬长煤、新疆伊犁煤、内蒙通辽煤制浆，制浆浓度分别为63%、67%、59%、56%。考察分散剂用量对水煤浆流动度的影响，试验结果如图3所示。

图3 分散剂用量对水煤浆流动度的影响

由图3可知，对于陕西榆林煤，当分散剂用量为0.6%时，流动度最大，最大值为133 mm；对于陕西彬长煤，当分散剂用量为0.5%时，流动度最大，最大值为156 mm；对于新疆伊犁煤，当分散剂用量为0.6%时，流动度最大，最大值为89 mm；对于内蒙通辽煤，当分散剂用量为0.7%时，流动度最大，最大值为98 mm。因流动度越大，流动性越好，故SHA分散剂更适用于陕西彬长煤。

2.3 分散剂对不同煤的润湿性影响

将四种煤样的煤粉各取0.8 g,分别压片，压力为600 MPa,保持2 min,然后使用接触角测量仪测定煤样分别在水和分散剂溶液下接触角的变化(表4)。

表4 煤样与水和分散剂溶液的接触角

由表4可知，陕西榆林煤和陕西彬长煤属于较疏水的煤。新疆伊犁煤和内蒙通辽煤较亲水，煤表面含氧官能团较多，成浆性也较差。

2.4 分散剂对水煤浆稳定性的影响

将SHA分散剂分别用于陕西榆林煤、陕西彬长煤、新疆伊犁煤、内蒙通辽煤制浆，水煤浆制浆浓度分别为63%、67%、59%、56%，分散剂用量分别为0.6%、0.5%、0.6%、0.7%。考察时间对水煤浆稳定性的影响，试验结果如图4所示。

图4 时间对水煤浆稳定性的影响

由图4可知，对于陕西榆林煤，当分散剂用量为0.6%时，水煤浆体系的不稳定性指数为0.39；对于陕西彬长煤，当分散剂用量为0.5%时，水煤浆体系的不稳定性指数为0.45；对于新疆伊犁煤，当分散剂用量为0.6%时，水煤浆体系的不稳定性指数为0.41；对于内蒙通辽煤，当分散剂用量为0.7%时，水煤浆体系的不稳定性指数为0.62。由此看出，内蒙通辽煤的水煤浆体系稳定性最差，陕西榆林煤的水煤浆体系稳定性最好。