影响水煤浆成浆性因素的实验研究

田锋

摘   要：要制备高浓度、低黏度、稳定性和流动性优良的水煤浆，影响因素很多，如煤质、粒径分布、堆积效率、内水含量、分散剂等。采用3级W细∶W中∶W粗=5∶1∶4 級配下煤浆的黏度为1 000 mPa·s，稳定性达到最好。通过平均粒径分别为19 μm、35 μm和50 μm的3种不同级配的煤样进行测定，50 μm粒径堆积效率为0.7，黏度为732 mPa·s，效果最好。新型两性离子分散剂与煤种的适配性较好，同时也可以通过改性和与其他添加剂复配来扩大与煤种的适配范围。

关键词：水煤浆;成浆性;影响因素;粒度级配;堆积效率;添加剂

水煤浆技术是一种用煤制清洁燃料的新型煤代油技术，既环保又节能，也可以发挥我国煤炭资源优势，是我国能源长期稳定发展的战略选择和现实选择[1]。

水煤浆是煤、水和少量的化学添加剂相混合成的一种粗分散体系物质，其中煤占60%～73%，水为30%～40%，化学添加剂为0.2%～1.0%。常温水煤浆和石油一样可以进行储存、雾化、泵送和相对稳定的燃烧。由于水煤浆燃烧热值高，绿色环保，可用于工业锅炉、供热站、导热油锅炉和工业窑炉代油。在矿区，也可以将低价煤炭加工成高价水煤浆，同时水煤浆也是工业上合成甲醇、二甲醚和合成氨的重要原材料。因此，水煤浆是代替重油、石油和天然气的新型燃料，备受世界各国关注[2]。

要制备高浓度、低黏度、稳定性和流动性优良的水煤浆，影响因素很多，除煤质、粒径分布、堆积效率、内水含量、分散剂以外，还与温度、稳定剂、pH调节值、磨矿和制浆工艺等有关。

1    煤质特性对水煤浆成浆性的影响

1.1  粒度级配对水煤浆成浆性的影响

要制备高浓度水煤浆，主要途径之一是减小煤粒间隙。应用与煤种相匹配的粒度级配，制浆质量分数可提高3%～7%，可以改善浆体的稳定性和流动性[3-4]。浓度相同粒度级配不同的浆体黏度差异较大，适应性较好的粒度级配可以降低水煤浆黏度，增加流动性。因煤质不同，常用的煤粒粒径分布有：2级级配法和3级级配法。赵世永等[5]对神府煤的粒度分布对成浆性的影响进行了研究，结果显示用小于25 μm与大于75 µm的煤粉粒径进行两级级配，各份量均为50%，煤浆的稳定性和黏度均较好。

如表1所示，在保证质量分数为66%时，小于25 µm，25～75 µm和大于75 µm的3级级配试验中，W细∶W中∶W粗  =5∶1∶4 级配下水煤浆的黏度为1 000 mPa·s，稳定性达到最佳。

1.2  堆积效率对水煤浆成浆性的影响

Boylu等[4]在制浆过程中的粒度级配，实现合理的粒度分布不仅可以使小煤粒占据大煤粒的空间达到较高的堆积效率，良好的粒度级配还可使分散剂较好地吸附在煤粒表面，从而制得高质量浓度的水煤浆，并改善水煤浆的稳定性。

粒度分布对黏度的影响可通过平均粒径分别为19 μm、35 μm和50 μm的3种不同级配的煤样进行测定。表观黏度的测定结果（在100 r/min的剪切速度下）如表2所示。所有实验的进行须使用固含量为55%的浆体。

在表2中不同分布的3种煤样中，堆积效率随平均颗粒直径的增加而增加。当平均颗粒直径相同时，3种不同的煤样的堆积效率变化相似，但黏度值变化较大。与颗粒平均直径为50 μm，黏度为732 mPa·s的Siberia煤相比，低级配的Istanbul-Agacli煤的黏度却为903 mPa·s。对于颗粒平均直径不同的煤样也同样如此，颗粒平均直径为19 μm，Siberia煤的黏度为2 182 mPa·s，而Soma煤的黏度达到2 632 mPa·s，Istanbul-Agacli煤的黏度为2 976 mPa·s。制备低黏度的浆体均可以使用颗粒平均直径更大的不同煤样，但平均粒径主要由粒度分布决定。原因是微小颗粒制备的浆体的堆积效率低，低堆积效率的煤浆黏度较高，堆积效率较低的煤形成一种相当紧密的结构。因此，由煤组成的悬浮液流体不能轻易地进入煤的表面原子的空隙。即使流体进入了这些空隙，也很难在里面移动。因此，增加运动过程中的内部摩擦力会形成更大的阻力，进而引起黏度的增加。显现出更大堆积效率的颗粒具有更大的空隙，进而有较低的黏度和更好的流动性。然而，由于在燃烧过程中遇到的沉降和粒度范围限制的问题，颗粒直径不能增加太多。

2    水煤浆添加剂对水煤浆成浆性的影响

我国水煤浆技术普遍存在的问题是分散剂与煤种匹配性差，一种添加剂只对某些煤种有作用，对其他煤种没有明显的分散降黏作用[6]，成本较高。木质素系分散剂存在的问题是制浆黏度大、投加量多，腐殖酸系分散剂存在的问题是稳定性差，而其他非离子型分散剂和聚羧酸类分散剂存在的问题是价格昂贵，制浆成本高。通过大量实验发现，多种分散剂复配使用既可以提高水煤浆质量分数，又可以降低黏度，减少分散剂用量。常见复配方式为非离子-阴离子型复配，非离子-非离子型复配，阴离子-阴离子型复配。相比而言，非离子-阴离子型复配所制得的添加剂性能最佳，如聚氧乙烯醚和木质素磺酸盐的复配等[7]。

提高分散剂分散效果的另一种途径是改性。常见的化学改性方式有接枝共聚、磺化、缩合、磺甲基化、化学氧化等[8]。Zhou等[9]以造纸黑液磺化改性后作为分散剂，发现磺酸基含量越高和分子质量越大，分散剂分散性能越好。目前出现的一些新型添加剂，如生物质添加剂、两性离子添加剂等，具有良好的性能，例如对水质要求不高[10]，在酸性碱性溶液中均可使用，几乎可以与其他所有类型添加剂复配。朱雪丹等[11]以聚乙二醇、丙烯酸为主要原料，通过合成的方法制备了一种含有阴阳离子的新型两性聚羧酸系水煤浆分散剂。该分散剂既具有分散性，又具有稳定功能。用此分散剂对神府煤做成浆性研究，结果显示，当制浆质量分数为65%时，分散剂用量为干基煤质量的0.5%，水煤浆表观黏度仅为920 mPa·s。采用两性离子型添加剂、改性技术、复配等是未来水煤浆添加剂发展的趋势[12]。

3    结语

（1）通过实验发现，在3级W细∶W中∶W粗=5∶1∶4级配中，质量分数保持在66%，水煤浆的黏度降为1 000 mPa·s，稳定性达到最佳。

（2）通过平均粒径分别为19 μm、35 μm和50 μm的3种不同级配的煤样进行测定。50 μm粒径堆积效率为0.7，黏度为732 mPa·s，效果最好。制备低黏度的浆体均可以使用颗粒平均直径更大的不同煤样。

（3）新型两性离子分散剂具有优越性，与煤种的适配性较好，也可以通过改性，與其他添加剂复配来扩大与煤种的适配范围。

[参考文献]

[1]岑可法，邱坤赞，朱燕群.我国能源展望及新能源的开发利用[J].大众用电，2005（1）：3-4.

[2]董   平，单忠健.先进的水煤浆技术是现实可靠的“以煤代油”技术[J].选煤技术，2002（6）：1-4.

[3]刘志红，成   建.选煤厂煤泥制水煤浆多峰级配技术[J].煤炭工程，2009（1）：65-67.

[4]BOYLU F，DINCER H，ATESOK G. Effect of coal particle size distribution，volume fraction and rank on the rheology of coal–water slurries[J].Fuel Processing Technology，2004（1）：241-250.

[5]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.

[6]李艳昌，周志强，程   军，等.煤的理化特性对其成浆性能的影响[J].煤炭转化，2009，32（3）：35-39.

[7]戴财胜，杨红波.复合型水煤浆添加剂的合成与性能研究[J].煤化工，2008，36（1）：41-43.

[8]刘彩芳.水煤浆添加剂及工业废液与煤种的适配规律研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[9]MINGSONG Z，QIAN K，BING P，et al. Evaluat ion of treated black liquor used as dispersant of concen trated coal waters lurry[J].Fuel，2010，89（3）：716-723.

[10]王世荣，李高翔，刘东志，等.表面活性剂化学[M].北京：化学工业出版社，2005.

[11]朱雪丹，张光华，来智超，等.两性聚羧酸系水煤浆分散剂的合成及性能研究[J].选煤技术，2010，2（1）：20-23.

[12]刘明强，刘建忠，王传成，等.水煤浆添加剂研究与发展动向[J].现代化工，2011（7）：8-11.