水煤漿的成漿特性研究

王鵬山 李忠勇(陜西長青能源化工有限公司)

一、概況

1.水煤漿的基本特性

水煤漿是一種新型、高效、清潔的煤基燃料，是燃料家庭的新成員，它是由65%-70%不同粒度分布的煤，29-34%左右的水和約1%的化學添加劑制成的混合物。經(jīng)過多道嚴密工序，篩去煤炭中無法燃燒的成分等雜質，僅將碳本質保留下來，成為水煤漿的精華。它具有石油一樣的流動性，熱值相當于油的一半，被稱為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。水煤漿技術包括水煤漿制備、儲運、燃燒、添加劑等關鍵技術，是一項涉及多門學科的系統(tǒng)技術，水煤漿具有燃燒效率高、污染物排放低等特點，可用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐代油、代氣、代煤燃燒，是當今潔凈煤技術的重要組成部分。

水煤漿有以下基本特性：

(1)水煤漿中煤的粒度。一般而言，水煤漿中煤炭的粒度最好小于200目。這種細度要求與煤粉電站鍋爐燃燒用的煤粉細度相當。

(2)水煤漿中的煤含量—濃度作為鍋爐或者氣化原料，應盡可能減少其中的水含量。通常要求水煤漿的濃度大約58%。其實際濃度與煤炭質量、制漿技術以及用戶需求有關。水煤漿中的水分指的是全水分，包括隱含在煤中的內在水分。

(3)水煤漿的流變特性流變性是指流體的流動特性。為了便于使用，水煤漿應有良好的流動性，以利于泵送、霧化、燃燒或氣化。

(4)水煤漿在儲運中的穩(wěn)定性水煤漿是一種固、液兩相混合物、不容易保持均態(tài)、很容易發(fā)生固、液分離現(xiàn)象，通常要求在儲運過程中不產(chǎn)生硬沉淀。水煤漿不產(chǎn)生硬沉淀的性能，稱為水煤漿的穩(wěn)定性。

2.水煤漿制備的技術基礎

制備水煤漿要同時滿足上述的各項指標，所以導致水煤漿的制備有一定的難度。為了使得所致的水煤漿同時滿足各項要求，必須深入研究煤漿制備的技術基礎。

(1)煤的成漿性規(guī)律煤質不同，導致制漿的難易程度各不相同。有的煤在常規(guī)條件下就很容易制成高濃度的水煤漿；另外一些煤，例如褐煤就很難制備高濃度的水煤漿。只有掌握了煤炭成漿性的規(guī)律，就可以根據(jù)實際需要，按照技術可行、經(jīng)濟合理的原則優(yōu)選制漿用煤。

(2)級配水煤漿中煤的粒度不但要求達到規(guī)定的細度，還要求具有良好的粒度分布，即能使其中不同大小的顆粒能夠相互填充，盡有可能的減少煤粒間的孔隙，達到較高的堆積效率。

(3)制漿工藝與設備在給定原料煤及其可磨性條件下，如何使水煤漿最終產(chǎn)品的粒度分布能達到較高的堆積效率就取決于所選用的磨煤設備、磨煤設備的運行工況及制漿工藝流程。

(4)添加劑添加劑分子作用于煤粒與水的界面，可以減少水煤漿流動時的內摩擦，降低黏度，改善煤顆粒在水中的分散，提高水煤漿的穩(wěn)定性。添加劑的用量通常為不大于煤用量的1%。

3.水煤漿的應用

(1)替代重油或者燃氣，作為鍋爐燃料水煤漿的燃燒方式為噴燃，適應原燃料、燃氣的絕大多數(shù)工業(yè)爐窯、工業(yè)鍋爐和電站鍋爐。

(2)作為氣化燃料最早將水煤漿用作氣化原料的是美國Texaco公司，20世紀80年代開始大規(guī)模的工業(yè)應用，同期美國Destec公司也開發(fā)了其兩段式水煤漿氣化技術。

(3)通過制備水煤漿，處理廢水與有機廢液造紙，化工等產(chǎn)生的廢液的企業(yè)，可用廢液制漿就地使用，既解決廢液污染，改善廠區(qū)環(huán)境，又可以代替其他燃料，實現(xiàn)化工廢液資源化，達到節(jié)能的目的。

二、水煤漿的成漿性及其影響因素

對于水煤漿的成漿性能一般包括漿濃度，漿體的流變性、穩(wěn)定性、觸變性、黏彈性等。

1.煤質對成漿性的影響

研究表明，煤的成漿性能受煤質影響很大。煤種不同，制漿的難易程度會有很大的差別。一般認為，煤階越低，內在水分越高，煤中O和C比值越高，親水官能團越多，孔隙越發(fā)達，可磨性指數(shù)HGI值越小，煤中所含可溶性高價金屬離子越多，煤的制漿難度就越大。

(1)內在水分 當煤漿的質量濃度相同時，內在水分高，勢必要減少流動介質作用的水量，造成水煤漿的黏度高或難以獲得高濃度的水煤漿。

(2)孔隙率及比表面積 煤的孔隙率越發(fā)達，則煤的比表面積大。在潮濕的環(huán)境下，煤發(fā)達的孔隙是造成其內在水分高的重要原因。同時高比面積又會導致添加劑的高消耗。

(3)含氧極性官能團 煤表面的極性官能團越多，煤的親水性就越強，就會在煤表面吸附大量的水分子，增加煤的內在水分含量。煤的內在水會在煤炭表面形成堅固的水化膜，減少了自由流動水量。

(4)灰分和可溶性礦物質 相同濃度時，灰分越高，煤漿黏度越低，穩(wěn)定性越好。從物理角度看，灰分高意味著制漿用煤的密度大。質量分數(shù)一定時，固體密度越大，煤漿中固體的體積分數(shù)越低，于是，漿的流動性越高。不溶或難溶礦物質對水煤漿的流動性并無不良影響，而可溶性礦物質則不同，特別是高價金屬陽離子，很少量就足以使煤漿失去流動性。灰分的高低會造成對泵、閥、管道及噴嘴的磨損，另外，灰分每升高1%可燃物質則相應降低1%，降低鍋爐出率或氣化效率。

(5)哈氏可磨性指數(shù)(HGI)

研究表明，隨著煤的可磨性指數(shù)HGI對成漿濃度的影響，可見隨著可磨性指數(shù)HGI增大，煤成漿濃度基本上逐漸增大，即煤的成漿性能變好。

(6)煤的巖相顯微組分對成漿性的影響

在相近的灰分條件下，對于煙煤，較高的鏡質組和較低的絲質組含量有利于煤的成漿性、穩(wěn)定性和流變性。除了受煤質特性影響外，煤炭的成漿性還與制漿過程中添加劑的種類及其用量、制備方法、級配工藝等有關系。

2.煤的成漿濃度經(jīng)驗公式

研究表明，煤的水煤漿的粒度分布、添加劑的類型和用量、水質、制備條件、溫度等對煤的成漿濃度都有影響，但主要還是受煤質的影響。煤的可制漿濃度可以用式子1、2表示：

當沒有含氧量數(shù)據(jù)時，可近似用下式

式中，C為可制漿濃度估計值(質量分數(shù))，%；HGI為哈氏可磨指數(shù)；Mad為空氣干燥基水含量(質量分數(shù))，%；no為含氧量(質量分數(shù))，%。

3.煤粉粒度分布對成漿性的影響

掌握好水煤漿中煤顆粒的粒度分布是制備水煤漿的關鍵之一。水煤漿的粒度分布要求達到較高的堆積效率，即要求顆粒堆積時孔隙少，固體集體的濃度高。制備時使用單一的煤粒顆粒是不合適的，通過控制煤的粒徑和粒度分布不僅能降低水煤漿的黏度，還能增強其穩(wěn)定性。

提高水煤漿濃度的技術關鍵之一，是要求水煤漿的粒度分布能夠達到較高的堆積效率，亦即要求煤粒堆積時空隙少，固體體積濃度高。堆積效率與粒度分布的關系，是水煤漿制備技術的基礎理論之一。

4.添加劑對成漿性的影響

為了使水煤漿在正常使用中有較低的黏度，較好的流動性，靜置時不易產(chǎn)生沉淀，在制漿過程中添加少量的化學添加劑是不可缺少的。煤粉顆粒表面是疏水性的，未完全潤濕的煤粉會互相聚團、會使煤漿的黏度增加。因而未加添加劑的煤粉制備的水煤漿的濃度不高。添加劑的作用在于提高煤粒表面的親水性、調整顆粒表面的電荷密度，從而調整煤漿性能。高的表面電荷在水煤漿中建立了防止承典的三維結構，或者導入弱的絮凝傾向以減少平均粒徑和最大的固體濃度。添加劑的種類有非離子型，陰離子型和陽離子型三種。非離子型添加劑主要通過表面活性劑來降低煤漿液體的表面張力，使煤漿中煤粒表面潤濕，控制表面的電荷來改變煤漿的性能；離子型的添加劑通過含有極性基添加劑的靜電吸附在煤漿顆粒上、降低顆粒表面的疏水性、控制煤粒表面的電荷來改變煤漿的性能。

結論與展望

本文主要敘述了的煤的煤質(包括煤的內在水分、灰分、可溶性礦物質、極性官能團等)以及煤粉的粒度分布和添加劑對水煤漿性能影響。

從長遠來看，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國液體燃料供需矛盾將進一步加大，環(huán)境對燃料的約束也進一步加強，水煤漿的使用量將逐步加大；而隨著水煤漿技術的進一步提高將會使其社會效益更加明顯，經(jīng)濟效益得到改善。因此，水煤漿的應用前景非常廣闊。

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