李 響，王中偉，吳松羽，李成俊，李海強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)家電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181)

水煤漿是一種新型煤基燃料，具有燃燒效率高、便于運(yùn)輸和污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，是石油和天然氣的替代燃料[1-2]。煤粉顆粒的表面性質(zhì)對(duì)水煤漿的成漿特性有很大影響，水煤漿中煤粉顆粒的內(nèi)在水分和含氧官能團(tuán)越少，水煤漿的最大成漿濃度越高，在成漿濃度一定條件下，煤粉顆粒的內(nèi)在水分高意味著煤粉顆粒間的自由水分低，從而使得煤漿粘度上升。產(chǎn)自于內(nèi)蒙古的神東煤較難制漿，因?yàn)槠鋬?nèi)在水分和含氧基團(tuán)含量很高。在煤粉顆粒的內(nèi)部和表面，這些含氧官能團(tuán)直接與水相結(jié)合，使得煤粉顆粒的內(nèi)水含量增加。隨著煤變質(zhì)程度的加深，煤粉顆粒表面的官能團(tuán)，如羧基、甲氧基、羥基和羰基的含量會(huì)下降。高階煤具有天然的疏水性，相比之下低階煤更具有親水性[3]，所以低階煤洗選時(shí)需要有疏水顆粒存在于煤粉顆粒的表面[4-5]。用擴(kuò)散的聚合物或者表面活性劑覆蓋于煤的表面來(lái)提高低階煤表面的疏水性是很普遍的。

本文研究的目的是對(duì)煤粉顆粒表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，用3種不同的化學(xué)物質(zhì)將神東煤粉顆粒進(jìn)行包裹，并對(duì)處理后的產(chǎn)物進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)神東煤成漿性能進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用于制備水煤漿的煤是產(chǎn)自內(nèi)蒙古神東的低階煤，表1為神東煤工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)。

表1 神東煤工業(yè)和元素分析數(shù)據(jù)

在制漿之前，首先用顎式破碎機(jī)將煤粉碎成直徑小于10 mm的小塊，將煤塊放入干燥烘箱內(nèi)，在105 ℃恒溫下烘干24 h，再將烘干后的煤塊放入球磨機(jī)中研磨4～6 h，用100目的網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，最終獲得99.7%的煤粉顆粒均小于0.1 mm。

試驗(yàn)選用司盤40、司盤60和CTAB 3種化學(xué)物質(zhì)對(duì)神東煤粉顆粒表面進(jìn)行改性，其物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)見表2。

表2 司盤40、司盤60和CTAB的物理特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)

1.2 接觸角測(cè)量方法

首先將一定量的原煤和水分別與3種表面處理劑(用量為1%)按成漿濃度為50%制漿。然后將4種煤漿分別放入真空烘箱中，在105 ℃下烘干3 h。然后用壓片機(jī)將烘干后的煤樣壓成煤餅(直徑13 mm，厚度2 mm)。作為對(duì)照試驗(yàn)，將未添加表面處理劑的煤樣按照同樣的方法制作成煤餅，每種煤樣分別制作3個(gè)煤餅。

接觸角的測(cè)量是用德國(guó)OCA20接觸角測(cè)量?jī)x通過(guò)靜態(tài)下落的方式來(lái)測(cè)量，照片可以顯示水和煤餅的交界面，通過(guò)分析軟件可以對(duì)接觸角進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)槊罕砻婀倌軋F(tuán)的分布不均勻，所以應(yīng)對(duì)每個(gè)煤餅測(cè)量3次，每個(gè)煤漿樣品會(huì)有9個(gè)結(jié)果，對(duì)9個(gè)結(jié)果取平均值即為測(cè)量結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 神東煤含氧官能團(tuán)分析

神東煤的分子結(jié)構(gòu)中含有羧基(—COOH)、酚羥基、羰基(>C=O)、芳香開鏈醚、環(huán)醚以及大量的氫鍵等，另外還有少量的含硫官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)。這些官能團(tuán)都具有親水特性。利用分子動(dòng)力學(xué)方法(DFT法)對(duì)煤的孔徑分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)神東煤中含有豐富的中孔結(jié)構(gòu)和不透氣孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)也存在大量微孔結(jié)構(gòu)。含氧官能團(tuán)、孔隙結(jié)構(gòu)和大量的內(nèi)在水分都會(huì)對(duì)神東煤成漿產(chǎn)生不利影響。

2.2 表面處理劑對(duì)接觸角和沾濕功的影響

疏水性的測(cè)量通常用接觸角來(lái)說(shuō)明，它取決于三相接觸面所成的角度。接觸角試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果表征煤餅宏觀的表面特性。司盤40對(duì)接觸角的增大效果最顯著，其包裹在煤的表面使得神東煤的接觸角由35.2°升至75.8°，增大了40.5°。沒有加表面處理劑的煤樣接觸角較小，表明神東煤具有極強(qiáng)的親水性，這是因?yàn)樵谏駯|煤表面富集親水的含氧官能團(tuán)。司盤60對(duì)接觸角的增大效果較差，將接觸角升至54.3°。司盤40和司盤60的主要成分分別是失水山梨醇棕櫚酸單酯和失水山梨醇硬脂酸酯。司盤40和司盤60的化學(xué)結(jié)構(gòu)見表2，顯示由氧閉環(huán)的環(huán)烷烴所相連的2個(gè)氫氧基使得司盤具有親水性，長(zhǎng)鏈的烷基具有疏水性。Karatepe.N發(fā)現(xiàn)煤中大量的羰基有助于煤吸附司盤，封閉的環(huán)烷烴吸附于煤的表面，于是司盤分子的親水端粘貼于煤的表面，使得司盤分子的疏水端朝外，即用司盤將神東煤包裹后，煤的疏水性會(huì)增強(qiáng)。司盤40的接觸角比司盤60的接觸角大，因?yàn)樗颈P40的分子量小于司盤60，并且在相同用量下單位面積上會(huì)有更多的司盤分子吸附于煤的表面。

CTAB是一種陽(yáng)離子化學(xué)分散劑，其化學(xué)結(jié)構(gòu)見表2。神東煤表面遍布封閉的環(huán)烷烴官能團(tuán)，CTAB的帶電荷端吸附于神東煤的表面，使得CTAB的疏水端朝外。以這種方式，CTAB將接觸角提高至58.4°。

根據(jù)楊氏方程：

γSA-γSL=γLAcosθ

(1)

WA=γLA+γSA-γSL

(2)

WA=γLA(cosθ+1)

(3)

將接觸角和氣液自由能代入方程，得出沾濕功WA(見表3)。

表3 表面處理前后煤的接觸角和沾濕功

煤顆粒吸收了大量的自由水進(jìn)入煤顆粒內(nèi)部，導(dǎo)致神東煤難以成漿。由表3可見，對(duì)神東煤表面處理后有效降低了煤表面的沾濕功。如用司盤40處理神東煤后，神東煤的沾濕功降至100 MJ/m2以下，表明經(jīng)過(guò)表面處理后的神東煤水煤漿的結(jié)構(gòu)中會(huì)有更多的自由水，因此可以有效降低神東煤水煤漿的表面粘度，進(jìn)而提高其成漿濃度。

3 結(jié)論

a. 神東煤表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，并且煤粉顆粒具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，使得神東煤具有極強(qiáng)的親水性，導(dǎo)致神東煤水煤漿中的自由水含量較少，并且不利于添加劑與煤粉結(jié)合，即神東煤表現(xiàn)出粘度高、難于成漿的特性。

b. 用3種化學(xué)物質(zhì)對(duì)神東煤進(jìn)行表面處理后，對(duì)神東煤的接觸角進(jìn)行測(cè)量，3種化學(xué)物質(zhì)將神東煤粉顆粒表面覆蓋，形成一層化學(xué)物質(zhì)膜，這層膜將神東煤表面的親水含氧官能團(tuán)和孔隙結(jié)構(gòu)包裹在內(nèi)，阻止它們與水接觸，直接降低了神東煤粉顆粒的吸水性，提高了神東煤水煤漿中的自由水含量。同時(shí)表面處理劑對(duì)添加劑的吸附也有促進(jìn)作用，使神東煤成漿性能有很大提高。

參考文獻(xiàn)：

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