醇类助磨剂对水煤浆磨制效果的影响

刘 铭，叶明星，朱德正，蒋光勇，张月梦

安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南,232001

水煤浆制备技术是我国洁净煤技术的重要组成，主要用于气化或燃烧，其中气化水煤浆预计在2020年用量将达到2亿吨/每年。水煤浆由于其液态排渣的技术要求，一般选用低变质程度煤作为原料煤，然而低变质程度煤通常内水含量高，可磨性差，在磨制工段势必会增加能耗[1-3]。

水煤浆专用助磨剂是提高水煤浆磨制效率，实现企业节能降耗、高效运行的重要元素。研究表明，PSS和NSF的加入可以提高宗古达克高阶烟煤和伊斯坦布尔低阶褐煤的磨制效率，降低浆体黏度，同时，较细的煤粒也有助于在气化过程中碳的转化[4-5]。在水泥的磨制过程中通常也会加入一定量的助磨剂，三乙醇胺可以显著降低水泥颗粒表面的总表面能和黏附功，进而降低了水泥颗粒破碎过程中所需要消耗的能量，同时有利于颗粒的分散，提高了水泥的粉磨效率，经合成获得的多元混合醇醚性能更是优于三乙醇胺。煤中也含有部分无机矿物，且水煤浆添加剂与水泥减水剂的部分组分相同[6-8]。基于此，借鉴水泥磨制过程中加入助磨剂的方法，本文通过掺入两种醇类助磨剂，利用正交试验设计找出最佳磨制条件，并分析了助磨剂对水煤浆浆体特性的影响[9-10]。目前国内外学者针对水煤浆助磨剂的研究尚不深入，本次实验为水煤浆助磨剂的进一步开发提供实际参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验样品

实验选取神华煤，煤样的煤质分析结果如表1所示。

表1 煤样的工业分析和元素分析 wt%

实验使用水煤浆添加剂GSH为实验室自制，醇类助剂丙醇(YEC)，1-戊醇(YBC)采购获得。

1.2 水煤浆制备

设定制浆浓度为58%，将水、添加剂(添加量3‰)、助磨剂混合均匀后加入行星式球磨机，再取70 g粗磨的煤样放入，在不同条件下进行磨制。实验考察的因素及水平如表2所示。

表2 实验因素及水平

选用正交实验L9(34)安排实验(表3)。

表3 L9(34)正交实验设计表

1.3 水煤浆粒度分析及性能测试

取少量制备好的水煤浆，用BT-2003激光粒度仪进行分析测试，以D50为判断煤样磨制情况的标准。

将水煤浆倒入试管中若浆体呈细线性连续流动，则流动性为A；若浆体呈细间断流动，则流动性为B；若浆体无法流动，则为C，此时不成浆。

用保鲜膜封闭试管，每隔24小时测量析出水层的高度占总高度的百分比即为析水率。

水煤浆静置72小时后，将一定质量、粗细的玻璃棒插入水煤浆中，若玻璃棒自由下落，则为自由落棒；若用力按压才可下落，则为加压落棒；若无法按到试管底部，则为不落棒，此时浆体稳定性差，不符合水煤浆气化要求。

水煤浆的表观黏度(η100s-1)测试参照GBT 31426-2015 气化水煤浆标准执行。

2 结果与讨论

2.1 磨制条件的选择

依照表3实验方法依次进行实验，磨制出的水煤浆D50经分析测试结果如表4。

表4 水煤浆D50测试结果 μm

由表4可知，采用YEC作助磨剂，在实验条件4，6，8，9下无助磨效果，在其他实验条件下D50有效降低10%以上，其中在实验条件3下助磨效果最为明显，D50有效降低46%；采用YBC作助磨剂，在实验条件2，实验条件4-9下均无助磨效果，在实验条件1和3下，D50有效降低10%以上，其中，在实验条件1下，助磨效果最明显，D50降低34%。不同助磨剂最佳磨制条件的具体分析如下。

Ki：表示为任一列上水平号为i(i=1,2或3)时，所对应的粒度中位径之和。

R：称为极差，在任一列上R=max{K1,K2,K3}- min{K1,K2,K3}，见表5。

表5 空白样磨制条件分析 μm

由表5可知,RA>RB>RC，故影响水煤浆磨制主次因素为A(水的添加比例)>B(磨制时间)>C(球磨机转速)；试验以D50为判断依据，D50越小磨制效果越好，A因素列：K3

由表6可知,RA>RB>RC，影响水煤浆磨制的主次因素为A(YEC的添加比例)>B(磨制时间)>C(球磨机转速)；A因素列：K3

表6 YEC磨制条件分析 μm

由表7可知,RC>RA>RB，影响水煤浆磨制的主次因素为C(球磨机转速)>A(YBC的添加比例)>B(磨制时间)；A因素列：K2>K3>K1，B因素列：K3>K2>K1，C因素列：K2>K3>K1，最佳磨制方案为A1B1C1，即YBC添加量0.5‰，磨制时间3 min，磨机转速400 r/min。

表7 YBC磨制条件分析 μm

由上述分析可知，两种助磨剂在不同磨制条件下均可起到助磨作用，在选定的研究因素水平的边界条件达到最佳磨制效果。YBC与YEC均为饱和一元醇，但YEC的分子量更小，YEC比YBC适用助磨条件更为宽泛，且助磨效果更佳，但YBC的使用添加量更少，其助磨所需的磨制时间和磨制转速要求更低。由此可知，醇类助磨剂的分子量对水煤浆的磨制效果有直接的影响。

2.2 水煤浆性能分析

将YEC与YBC按正交实验表制得的助磨效果最佳的水煤浆分别与空白实验对比，结果见表8。

表8 浆体性能分析

由表8可知，YEC在3号实验条件下制得的浆体流动性变差，浆体表观黏度上升21%，浆体析水率降低，稳定性提高；YBC在1号实验条件下制得的浆体流动性变好，表观黏度降低26%，浆体析水率降低，稳定性提高。由此可知，助磨剂YBC更利于浆体性能的提高。

2.3 pH对浆体表观黏度的影响

为保护输送管道，工业上通常将水煤浆调节至弱碱性。通过添加NaOH将浆体pH调节至7～10，考察pH变化对添加助磨剂后浆体表观黏度的影响(图1)。

图1 pH对浆体表观黏度的影响

由图1可知，浆体的表观黏度随pH值的增加而降低，呈负线性相关的趋势，pH在7～10范围内，添加YEC的浆体表观黏度均高于空白样，而添加YBC的浆体表观黏度均低于空白样。将空白样、YEC、YBC制得浆体的表观黏度随pH变化的数据经线性拟合得式(1)—(3)。

Y=918.4-36.9X

(1)

Y=875.6-25.1X

(2)

Y=829.8-31.8X

(3)

其中，Y为浆体表观黏度，mPa·s；X为pH。

由上式(1)—(3)斜率可知，添加助磨剂后，浆体的表观黏度随pH增加的变化率减小。浆体表观黏度更加稳定，有利于浆体的输送。

3 结 语

(1)YEC可有效将D50有效降低46%，YBC可将D50降低34%，YEC适用的磨制条件更宽泛，YBC适用添加量仅为0.5‰，助磨所需磨时间更少和转速更低。

(2)YEC制得的浆体流动性降低，表观黏度升高21%，而YBC制得的浆体流动性变好，表观黏度降低26%，两者均可有效降低浆体析水率提高稳定性，YBC制得的浆体性能更佳。

(3)在pH为7～10范围内，相较空白样，添加YEC的浆体表观黏度升高，而添加YBC的浆体表观黏度降低，添加两种助磨剂后浆体表观黏度随pH的增加变化率减小。

(4)醇类助磨剂的分子量对助磨效果有直接影响，YEC助磨效果好，YBC制得浆体性能优，有着不同的特性，且均在选定因素水平的边界条件达到最佳效果，后期可基于醇类助磨剂的分子量选定重新选定因素水平，为继续开发高效复合助磨剂提供了实验基础。