張鵬會，李艷春，胡浩斌，韓明虎

(隴東學院 化學化工學院,甘肅 慶陽 745000)

我國煤炭資源相對豐富，長期以來一直是我國的基礎能源和重要化工原料。發(fā)展以煤為原料制取石油類產(chǎn)品的煤化工技術，實施石油替代戰(zhàn)略，是關系到我國經(jīng)濟長期穩(wěn)定發(fā)展和能源安全的重大課題。正寧縣地處鄂爾多斯盆地西南邊緣，位于甘肅省慶陽市東南部、子午嶺西麓，這里煤炭資源富集，是該市作為“東翼”主戰(zhàn)場和建設億噸級大煤田的主要區(qū)域，已探明煤炭儲量18.48億t。正寧煤為低灰、低硫、高熱值不粘煤，可用作動力用煤、民用煤以及化工用煤，但目前主要用于直接燃燒，因此資源利用率不高，煙塵、二氧化硫、氮氧化物等排放量大，是引起霧霾和PM2.5的主要因素之一。因此，該地區(qū)發(fā)展?jié)崈裘杭夹g勢在必行。

水煤漿是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型燃料，不僅具有煤的特征，而且具有低污染、低成本、便于輸送和儲存、燃燒效率高等優(yōu)點[1-2]。但是，在水煤漿制備過程中，影響水煤漿成漿性的因素十分復雜，包括煤質(zhì)因素、粒度分布特征、分散劑分子的結構特征、制漿工藝、溫度和成漿濃度等因素[3-4]，其中，煤質(zhì)因素是制約水煤漿性質(zhì)的主要因素。為此，本研究針對影響水煤漿性質(zhì)的煤質(zhì)因素進行了研究，以為該地區(qū)煤制備水煤漿及加工應用提供理論依據(jù)。

對于難成漿煤如何制取高質(zhì)量分數(shù)、流動性好的煤漿是目前制漿領域重點研究的課題之一。目前，對于難成漿煤種，往往通過粒度級配、添加劑研發(fā)及改進制漿工藝等方面加以解決，也可以通過配入一定比例的易成漿煤種，達到改善其成漿性能的目的。配煤方法簡易、經(jīng)濟[5]。因此，依據(jù)已有的研究[6]，本研究選取環(huán)縣煤和正寧煤，依照不同的比例配煤制漿，并分析了配煤制漿對水煤漿的質(zhì)量分數(shù)、粘度及穩(wěn)定性的影響。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

試驗儀器主要有：GYFX-610全自動工業(yè)分析儀器、ZDHW-4000A漢顯全自動量熱儀、KZDL-8A快速智能定硫儀、密封式制樣器，NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)粘度計與哈氏可磨性指數(shù)測定儀。試劑為NDF添加劑(南京大學)。

1.2 煤漿的制備

取一定量已破碎的煤樣在105 ℃的密閉環(huán)境中烘焙一定時間，采用標準篩對烘干后的煤粉進行篩分，得到不同粒度的干煤粉；取一定量的烘干煤粉和添加劑，置于250 mL的燒杯中，加入一定量的水，在1 200 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌一定時間，靜置片刻后取出。在制漿過程中，每次制備100 g水煤漿，攪拌過程中攪拌頭距燒杯底部0.5 cm。

1.3 煤漿粘度測定

煤漿粘度的測定采用NDJ -8S型旋轉(zhuǎn)式粘度計，測試條件：采用3#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為60 r/min，測試溫度為20±1℃。

1.4 煤漿質(zhì)量分數(shù)的測定

煤漿質(zhì)量分數(shù)根據(jù)國標GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗方法》中的干燥箱干燥法進行測定。

1.5 煤質(zhì)分析

一般認為內(nèi)在水分<8%、灰分<13%的煤適宜制取水煤漿。由表1可知，正寧煤的內(nèi)在水分和灰分符合制備水煤漿的要求。煤的內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細管或孔隙中的水分，其以物理化學方式與煤相結合[7]。正寧煤內(nèi)在水分較低(1.21%)，表明煤的孔隙結構中難以賦存水分，可使其水煤漿體系中流動介質(zhì)水量增加，粘度降低，成漿性能提高。正寧煤屬低灰煤，故其制成的水煤漿中水的相對體積較小，流動的自由水較少，最終使煤漿粘度降低。

表1 煤樣的煤質(zhì)分析

根據(jù)哈氏可磨性指數(shù)與煤樣工業(yè)分析的關系，可得到煤樣的成漿指標計算公式[8]：

D=7.5-0.051HGI+0.223Mad+0.025 7Oad2，

式中：D為成漿指標；HGI為可磨指數(shù)；Mad為內(nèi)水含量；Oad為氧元素含量。

根據(jù)上述公式，求得正寧煤的成漿指標D=7.23，屬于難成漿的煤種。單純用正寧煤制備高質(zhì)量分數(shù)水煤漿的可能性較小，會影響水煤漿的應用，因此在工業(yè)上應考慮利用配煤來提高水煤漿的質(zhì)量分數(shù)。

1.6 水煤漿穩(wěn)定性測定

采用析水法測定水煤漿的穩(wěn)定性[9]：將待測水煤漿放入密閉容器中，靜置4、8、12、24、36、48、60、72 h，使煤漿中煤顆粒沉降，水煤漿分成兩部分，吸出上層清液，稱量質(zhì)量，再計算析水率：

析水率=上層清液質(zhì)量/水煤漿總質(zhì)量×100%。

2 結果與討論

2.1 添加劑用量對水煤漿質(zhì)量指標的影響

圖1為添加劑用量與水煤漿的質(zhì)量分數(shù)和粘度的關系曲線。由圖1可知，隨著添加劑用量的增加，煤漿的質(zhì)量分數(shù)也在增加，但幅度較??；粘度則先下降，當添加劑用量超過0.5%后，粘度趨于穩(wěn)定，幾乎不變。分析認為，隨著添加劑用量的增大，吸附在煤表面的添加劑使得煤粒子間相互排斥力增大，有效阻止了煤粒子的聚集，從而使煤漿的粘度降低；當煤粒子吸附的添加劑達到飽和后，多余的添加劑存在于煤粒子之間，使煤漿的粘度進一步下降，并維持在一定范圍內(nèi)。如果持續(xù)增加添加劑，多余部分則會被多層吸附在煤表面，呈反向排列，其極性部分指向空間，使煤表面的負電荷減少[10-11]，影響水煤漿的成漿性能。

2.2 不同粒度煤粉單獨制漿

利用0.27、0.08、0.048 mm(50、180、300目)的煤粉單獨制漿來研究不同粒度煤粉對其成漿性的影響，結果發(fā)現(xiàn)0.27 mm煤粉不適合單獨成漿，0.08 mm和0.048 mm的煤粉分別制取同樣質(zhì)量分數(shù)的煤漿的結果見圖2。由圖2可知，0.08 mm和0.048 mm的煤粉制取煤漿時，當質(zhì)量分數(shù)達到64%時，0.08 mm煤粉所得煤漿的粘度已達到了工業(yè)應用的水煤漿粘度(1 000 mPa·s)的要求；0.048 mm的煤粉可以制備高質(zhì)量分數(shù)的水煤漿，但煤粉在磨制過程中要消耗大量的電能，才能達到理想的粒度。

圖1 添加劑量對水煤漿質(zhì)量指標的影響

圖2 不同粒度對水煤漿粘度的影響

2.3 粒度級配煤試驗

為研究制漿的最佳粒度配比，將0.27 mm煤粉分別與0.08 mm和0.048 mm的煤粉按不同的比例混合，制取質(zhì)量分數(shù)為60%的水煤漿，制漿過程中的粘度變化如圖3所示。從圖3可以看出，制取相同質(zhì)量分數(shù)的煤漿時，粒度的配比對煤漿的粘度影響很大。隨著細煤粉含量的增加，煤漿的粘度急劇下降，當細煤粉含量達到60%～70%時，粘度趨于最小值；當細煤粉超過70%時，所得煤漿的粘度反而上升，流動性變差。因此，粒度粗細不一的煤粉需搭配合理，才能提高填充效率，制取高質(zhì)量分數(shù)的水煤漿。制漿時細煤粉所占比例應控制在60%～70%間。

2.4 煤用量對水煤漿質(zhì)量指標的影響

按最優(yōu)的粒度級配，選用0.27 mm和0.08 mm的煤粉制備煤漿，考察煤用量與水煤漿的質(zhì)量分數(shù)和粘度的關系，結果如圖4所示。由圖4可見，隨著煤用量的增加，水煤漿的質(zhì)量分數(shù)和粘度都在不斷增加。當煤用量為70%時，水煤漿的質(zhì)量分數(shù)為68.9%，而此時粘度達到了3 650 mPa·s，原因是濃度升高，使煤粒之間距離縮短，漿體間的空隙率下降，故煤粒間接觸幾率增大，相互作用增強，易發(fā)生團聚，從而增加了懸浮流動摩擦力，使煤漿粘度增加。一般要求水煤漿的粘度要低于1 200 mPa·s，而工業(yè)應用的水煤漿粘度通常為1 000 mPa·s[12]。另外，煤用量過大，添加劑不能有效地分散，無法起到降粘和穩(wěn)定的作用。因此煤的用量以66%為宜。

圖3 粒度級配對水煤漿粘度的影響

圖4 煤用量對水煤漿質(zhì)量指標的影響

2.5 配煤對水煤漿質(zhì)量指標的影響

不同比例的環(huán)縣配煤制備水煤漿的試驗結果見圖5。

圖5 配煤對水煤漿質(zhì)量指標的影響

由圖5可見，配煤能提高正寧煤制漿的質(zhì)量分數(shù)，隨著環(huán)縣煤比例的增加，所制備的煤漿的最高質(zhì)量分數(shù)超過了68%；粘度總體是隨質(zhì)量分數(shù)的增加呈上升趨勢，但是當環(huán)縣煤比例為40%時，出現(xiàn)較大波動，所制備的煤漿粘度為1 100 mPa·s。配煤對水煤漿的影響與煤種表面性質(zhì)、孔隙結構分布及煤表面的疏水性等因素的相互作用有復雜的關系。只有選擇合適的煤種、合適的比例相配，才能有效提高煤漿的質(zhì)量分數(shù)[13]。當正寧煤與環(huán)縣煤的配比為3∶7時，所制煤漿可滿足工業(yè)應用的水煤漿粘度的要求，此時煤漿的質(zhì)量分數(shù)達到68%，較單純的正寧煤制漿提高了近4個百分點。

2.6 水煤漿的穩(wěn)定性

析水率反映了水煤漿的穩(wěn)定性，析水率越低，表明水煤漿穩(wěn)定性越好。圖6給出了單煤(正寧煤)和配煤(正寧煤和環(huán)縣煤)制漿在制漿粘度為1 000 mPa·s左右時的析水率比較圖。從圖6可以看出，隨著靜置時間的延長，兩種煤漿的析水率都在增大，穩(wěn)定性降低。然而，隨著水煤漿質(zhì)量分數(shù)的增加，析水率卻在下降，表明配煤制漿的穩(wěn)定性較好。這是因為，在配煤制漿過程中，不同煤顆粒分子、水分子和添加劑分子相互作用形成結構單元，大量結構單元能組成空間網(wǎng)狀結構，這種空間網(wǎng)狀結構能有效阻止煤顆粒的團聚沉淀[14]；另一方面，水煤漿中的固體含量增加時，使煤粉顆粒間的相互作用力增強，空隙減少，從而降低了煤顆粒的沉降速度，提高了水煤漿的穩(wěn)定性。因此，水煤漿濃度越高，其穩(wěn)定性越好[15]。

圖6 不同水煤漿的析水率對比

3 結論

通過以上研究，可以得出如下結論：

(1)正寧煤屬難成漿的煤種，當添加劑用量為0.8%，0.08 mm煤粉占60%～70%時，煤用量為66%時，可以制得質(zhì)量分數(shù)為64.3%的水煤漿。

(2)當正寧煤與環(huán)縣煤的配比為3∶7，所制煤漿的質(zhì)量分數(shù)達到68%，較單純的正寧煤制漿提高了近4個百分點。

(3)對水煤漿的穩(wěn)定性研究表明，水煤漿濃度越高，析水率越低，穩(wěn)定性就會越好。配煤制備的水煤漿72 h后的析水率比單煤的低，為10.2%。

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