水煤浆添加剂的研究现状及发展趋势

张 静

（1.北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

引 言

水煤浆是由不同粒度分布的煤粉、水和添加剂按照一定比例制成的混合浆体，具有一定的流动性和稳定性。煤粉颗粒为疏水性物质，比表面积较大，与水不能形成稳定的浆体，需要加入一定量的添加剂来改善煤粉颗粒的表面性质，增强其表面的亲水性，提高水煤浆的成浆性能。

水煤浆按用途可分为气化水煤浆和燃料水煤浆。气化水煤浆兴起于20 世纪70 年代，主要作为气化原料，用于生产合成氨、甲醇等化工产品，要求原料煤具有较好的反应活性和较低的灰熔融性温度；燃料水煤浆主要用作燃料，要求原料煤具有较高的灰熔融性温度，防止结焦。根据工艺特点，气化水煤浆原料煤多为褐煤等低阶煤，煤岩显微组分中惰质组含量高，煤中孔隙分布较多，比表面积较大，导致亲水性较差，成浆性较差，因此对水煤浆分散剂的要求较高[1]。燃料水煤浆原料煤需满足低硫、低灰、高发热量和高灰熔融性温度等要求，制浆企业往往会使用一种或多种原料煤配煤进行制浆，因此要求燃料水煤浆添加剂具有良好的煤种适应性，还需具备良好的稳定性以满足一定距离运输的稳定性要求。

无论是气化水煤浆还是燃料水煤浆，均需要具备良好的成浆性能，但近年来成浆性能较差的低阶煤被广泛用于制备水煤浆，因此要求水煤浆添加剂具有更好的降黏作用和保持稳定性的作用。本文介绍了水煤浆添加剂的分类、研究现状及发展趋势，可供参考。

1 水煤浆添加剂的分类

按功能不同，水煤浆添加剂主要分为分散剂、稳定剂及辅助剂。分散剂的作用机理是提高煤粉颗粒表面的亲水性、增强颗粒间的静电斥力等。分散剂的主体结构、聚合度、磺化度、羟值等结构性质与煤粉颗粒表面物化性质的匹配性影响水煤浆的成浆性能。成品水煤浆通常需要储存一定时间或远距离输送，这就要求水煤浆在储存或运输中能够保持稳定。水煤浆稳定剂的主要作用是其极性基团通过氢键或共价键等键合作用，使煤粉颗粒、稳定剂及水结合形成具有一定强度的三维空间结构，使煤粉颗粒悬浮在浆体中，不发生硬沉淀[2]。水煤浆辅助剂需根据添加的分散剂和稳定剂的种类及浆体状态适当添加，以改善浆体流变特性、提高浆体浓度和增强煤浆抗剪切能力等。

2 水煤浆分散剂的研究现状

水煤浆分散剂主要分为阴离子型、非离子型及阳离子型，利用化学改性方法，通过增加羧基、羟基、磺酸基等亲水性官能团或聚合接枝不同结构类型的侧链结构来提高分散剂的性能。近年来，水煤浆分散剂的研究以改性、复配为主。

2.1 阴离子型分散剂

目前，工业上广泛应用的阴离子型分散剂主要有木质素系、萘系、腐殖酸系和聚丙烯酸系分散剂等及其改性产品。

2.1.1 木质素系

木质素系分散剂主要来源于造纸废液，来源广泛且价格低廉，但其分散性能差，直接作为水煤浆分散剂性能不突出，通常通过磺化、接枝共聚等改性方法提高其分散性能。

侯益铭等[3]以造纸黑液为原料，丙酮、甲醛为改性剂，通过磺化、缩合反应制得改性产品木质素磺酸钠分散剂，在最佳合成条件下制得的煤浆的最大定黏质量分数达65%以上。张冉冉等[4]以木质素磺酸钠为基体、过硫酸钾为引发剂，与不同相对分子质量的烯丙基聚氧乙烯醚进行聚合反应，制备出的分散性能最优的接枝共聚产品具有良好的降黏效果，使水煤浆稳定性明显增强。王国房[5]以脂肪族化合物为改性剂对碱木质素进行改性，制备出的水煤浆分散剂的分散性能明显优于萘系分散剂，在相同的掺量下，成本可降低20%以上。

2.1.2 萘系

萘系分散剂是水煤浆行业使用量最大、应用最广泛的分散剂，特点是降黏作用好、流型好及适应煤种宽，但稳定性差、价格较高。

传统的萘系分散剂的合成方法主要是磺化反应、水解反应、缩合反应和中和反应，目前萘系分散剂的研究方向主要为改性磺化反应和接枝改性。刘尚莲[6]采用传统的萘系分散剂合成方法，在萘磺酸甲醛混合物的萘环上引入羟基基团，得到分散性能较好的产品。秦琦等[7]通过磺化-水解-缩合方法制得的萘磺酸甲醛缩合物，在降黏方面性能优于市售的萘磺酸甲醛缩合物系分散剂。

2.1.3 腐殖酸系

腐殖酸系分散剂主要来源于腐殖酸，通过氢氧化钠法和碳酸钠法萃取得到，腐植酸系分散剂分子链上既含有非极性的芳香基团，又含有极性的酚羟基、羧基、羟基、磺酸基等，因此腐植酸系分散剂及其改性产品兼具分散和稳定等功能。

以腐殖酸盐为基体，通过磺甲基化、磺化、化学氧化、缩聚改性和接枝共聚等化学改性方法引入其他功能性官能团，可进一步提高其分散性能。吴江等[8]通过在腐殖酸分子上引入β-萘磺酸钠，制备出的新型腐殖酸系分散剂的分散性、稳定性均优于传统的腐殖酸系分散剂。张光华等[9]以腐殖酸、烯丙基磺酸钠、二甲基二烯丙基氯化铵等为原料，制备出一种新型的两性离子型腐殖酸接枝共聚物分散剂，比腐殖酸接枝共聚物分散剂降黏效果更好，浆体的静态稳定性明显增强。李斌[10]通过溶液接枝共聚法制备出的腐殖酸丙烯酸接枝共聚物分散剂，具有分散性好、合成成本低、稳定性高的优点。

2.1.4 聚丙烯酸系

丙烯酸含有羧基、活性双键两种官能团，可通过溶液聚合反应引入各类亲水、亲油基团，合成一系列性能优良而又独具特色的表面活性剂。理论上利用丙烯酸及其衍生物可以合成各种类型的水煤浆添加剂，煤种适应范围较广。

杨纯等[11]以丙烯酸聚乙二醇酯、丙烯酸、苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯酸、苯乙烯等作为共聚单体制备聚丙烯酸系水煤浆分散剂，其结构灵活，具有较强的煤种适应性。朱书全等[12]以丙烯酸为原料，采用共聚反应等制备的聚丙烯酸系分散剂产品，对煤种适应性强、用量少、分散性和稳定性好。吴晓华[13]根据自由基聚合相关理论，设计聚丙烯酸系添加剂的合成方案，通过正交实验确定各影响因素的最佳合成条件，制浆结果表明：聚丙烯酸系添加剂制得的水煤浆均表现屈服胀塑性，其对不同煤化程度煤种制浆的静态稳定性能优越，对表面亲水性稍强、灰分含量相对较高的煤种制得的水煤浆的动态稳定性优于萘系添加剂所制。

2.2 非离子型分散剂

非离子型分散剂的特点是能兼作稳定剂，主要有聚氧乙烯醚和聚氧乙烯/聚丙乙烯嵌段聚醚两大类，具有亲水亲油性和相对分子质量易于调节控制的优点，不受水质及煤中可溶物的影响。

刘瑶瑶等[14]采用非离子型分散剂壬基酚聚氧乙烯醚制备低阶煤水煤浆，壬基酚聚氧乙烯醚中疏水官能团与煤表面的C-C/C-H 官能团结合，使煤表面的C-C/C-H 官能团含量减少，含氧官能团比例增大，可明显提高煤表面亲水性，对低阶煤水煤浆有较好的分散降黏效果。苏毅等[15]采用黏度分析法研究了烷基酚聚氧乙烯醚的成浆性能，结果表明：当烷基酚聚氧乙烯醚分子中烷基的长度与亲水链聚氧乙烯醚链长度适中时，能表现出良好的分散性能，其中壬烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的成浆性能较好，随着烷基酚聚氧乙烯醚分子中烷基链上碳原子数的增加或减少，成浆能力均有所下降。

2.3 阳离子型分散剂

阳离子型分散剂成本高，并且由于煤粉颗粒表面电负性，少量阳离子型分散剂不足以改善煤表面的润湿性，故在水煤浆制备中并不常用。

2.4 复配型分散剂

将不同种类的分散剂根据其特点按照一定比例进行复配，一方面可以提高制浆性能，另一方面可以降低成本，目前复配型水煤浆分散剂主要以木质素系和萘系分散剂复配为主。木质素系分散剂制备的水煤浆稳定性好，但是黏度较高，萘系分散剂具有优秀的降黏能力，但是浆体稳定性差。

柳青[16]将商用的木质素磺酸钠（SL）和萘系分散剂（NSF）进行复配制浆，当n(SL)∶n(NSF)=2∶1 时，水煤浆表现出较低的表观黏度及较好的稳定性，优于采用单独分散剂制备的水煤浆，表明在复配协同增效的作用下，能制备出性能更加优良的水煤浆。孙美洁等[17]利用Turbiscan Lab 稳定性分析仪研究了萘系分散剂与木质素系分散剂对褐煤水煤浆稳定性的影响，结果表明，添加木质素系与萘系复配的分散剂制备的水煤浆的稳定性优于单独使用萘系分散剂所制。李敏等[18]通过比较单独萘系添加剂和复配添加剂所制得的水煤浆的性能，发现使用复配添加剂制得的水煤浆的分散性、稳定性较高，可制得假塑性流体，而且成本低、经济效益好。

3 水煤浆稳定剂的研究现状

水煤浆稳定剂主要分为无机稳定剂和有机稳定剂两类，大多数水煤浆稳定剂是有机高分子化合物。无机稳定剂主要有各种可溶性盐类，如氯化钠、碳酸钠等，有机稳定剂主要分为合成有机高分子稳定剂和天然高分子及其改性稳定剂。合成有机高分子稳定剂主要有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇等，天然高分子及其改性稳定剂主要有阿拉伯胶、改性纤维素、多聚糖等。

程京艳等[19]利用阿拉伯胶和金属离子交联的稳定剂对大同煤进行成浆性实验，结果表明，在加入有机稳定剂的同时加入无机稳定剂金属离子，彼此间可形成交联作用，加强浆体的网络结构，进而提高浆体的稳定性和黏度，其成本低廉，效果稳定。张明旭等[20]的研究表明，选煤厂煤泥水处理工艺环节添加的一定量的高分子絮凝剂聚丙烯酰胺，有利于水煤浆的稳定性。白小波[21]发明了一种高效水煤浆稳定剂，由乙二胺四乙酸钠、羟乙基纤维素、纤维素酶等原料制成，可使水煤浆黏度增大，增强浆体的稳定性。

4 水煤浆辅助剂的研究现状

水煤浆辅助剂主要有消泡剂、杀菌剂、pH 调节剂等。当分散剂具有较强的起泡性能时需要补加消泡剂；有机类分散剂受细菌影响，需要杀菌剂来保证分散剂的稳定；水煤浆分散剂在弱碱性溶液环境中制备的水煤浆性能更好，可通过pH 调节剂调节体系的pH值。郑福尔等[22]通过对比采用不同pH 值印染废水水样和自来水制备出的水煤浆浆体的稳定性，发现水样pH 值越高，水煤浆的静态稳定性越好，这是因为通过调节水煤浆体系的pH 值，减缓了煤中含氧活性基团的水化、离解或小分子溶出对水煤浆体系暂时平衡状态的破坏，使制得的水煤浆的静态稳定性有所提高。

5 水煤浆添加剂的发展趋势

受原料煤变质程度、孔隙率、可磨性、煤岩组分及煤表面性质等煤质因素影响，目前制浆常用的低阶煤很难制备出高浓度且性能良好的水煤浆，通过添加一定量的水煤浆添加剂能显著提高水煤浆的浓度、稳定性、流动性，降低表观黏度，其中水煤浆分散剂对水煤浆成浆性能的影响最大，不同水煤浆分散剂对不同煤种的作用效果不同，一种分散剂很难与所有煤种都达到最佳匹配，因此需要寻找与煤种适配的分散剂，降低分散剂成本。推广利用含油废水、焦化废水、印染废水等工业废水制备水煤浆添加剂，可实现废弃资源再利用，具有较高的环保意义，是未来水煤浆添加剂的发展趋势。但工业废水成分复杂，各种组分对制浆、水煤浆燃烧特性等的影响还有待进一步研究。