水煤漿添加劑的作用機理研究

劉保民

(寧夏川能化工有限公司，寧夏 銀川750002)

0 引言

中國是一個缺油、少氣、煤炭資源相對豐富的國家。煤炭資源在中國能源消費中占70%左右，作為一次能源占主導地位的狀況在相當長的時期內(nèi)難以改變。但是傳統(tǒng)的使用方法具有灰渣多、污染大、運輸困難、燃燒發(fā)熱率不高等缺點。水煤漿技術的應用就是針對這一缺點對煤炭資源進行深度加工、合理利用的重大改革。水煤漿是一種經(jīng)濟、潔凈、可替代石油和天然氣的液體燃料和化工原料，代替油和燃氣在供熱、化工合成氣、發(fā)電、工業(yè)窯爐等領域得到了廣發(fā)的應用；具有燃燒效率高、負荷調(diào)整便利、節(jié)能、減少環(huán)境污染、改善勞動條件等優(yōu)點。其最重要的是減少了二氧化硫和粉煤灰的排放量，避免了酸雨的形成，環(huán)境污染小，具有極高的社會和經(jīng)濟效益。

1 水煤漿添加劑的分類與作用

1.1 水煤漿添加劑的分類

水煤漿添加劑，按其功能不同可分為分散劑、穩(wěn)定劑和一些輔助化學藥劑（如消泡劑、PH調(diào)整劑、防霉劑、表面活性劑及表面促進劑等多種）。其中分散劑最為重要。

1.2 分散劑

水煤漿分散劑按照溶于水后的解離程度，可分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型（即當溶液呈堿性時顯示陰離子特性；成酸性時顯示陽離子特性）。它們之間的市場價格比通常為1：3：2：4。出于經(jīng)濟性因素考慮，制備水煤漿時，在保證技術可行的前提下，目前國內(nèi)外研制及篩選出的水煤漿分散劑主要為陰離子型和非離子型。其中主要有萘系、腐植酸系、木質(zhì)素系、聚烯烴系、丙烯酸系以及針對不同煤種而研制開發(fā)出相關的復配產(chǎn)品。

1.3 分散劑的作用

水煤漿在制備過程中，分散劑能使煤的顆粒均勻的分散在水中，可以改變煤粒的表面性質(zhì)，使水煤漿具有良好的流動性和穩(wěn)定性。具體有以下三方面的作用。

1.3.1 可以提高煤顆粒表面的親水性

煤炭的主體是有機質(zhì)，它是結構十分復雜的大分子碳氫化合物，其表面具有強烈的疏水性，不易為水所潤濕。水是一種強極性溶劑，煤不溶于水。水煤漿不是化學意義上的溶液，而是通過分散劑等添加劑的作用，將煤粒均勻分散在水相中形成的一種懸濁液。煤碳的潤濕性按水在煤表面的接觸角大小可將煤劃分為四類。接觸角為0的為強親水性煤；接觸角小于40度的為弱親水性煤；接觸角為40---90度的為疏水性煤；接觸角為大于90度的為強疏水性煤。各種煤炭表面的接觸角如表1所示。

表1 煤炭表面的接觸角

從表1可以看出，各種煤炭的表面均屬疏水性質(zhì)。另外水的表面張力大，而煤炭表面張力小，只有降低水的表面張力，增大煤炭表面張力，即減少固液間的界面張力，才能達到充分潤濕。煤粒表面即使?jié)櫇瘢渚薮蟮谋缺砻娣e，在水中也很容易自發(fā)的彼此聚結，這就使煤粒與水不能密切結合成一種漿體，在較高濃度時只會形成一種濕的泥團。水煤漿分散劑則是一種兩親分子，由疏水基和親水基兩部分構成。分散劑分子通過其疏水基與煤粒表面結合，以親水基朝水的定向排列方式，把水分子吸附在煤粒表面，使煤粒表面由疏水轉化為親水，形成水化膜，有效降低水的表面張力和提高煤粒表面的張力，并將煤粒隔開，阻止煤粒間相互聚集而沉淀。

1.3.2 可以增強煤粒間的靜電斥力

著名的DVLO理論認為，膠體顆粒穩(wěn)定分散的先決條件是粒間的靜電斥力超過粒間的范德華引力。煤粒本身是中性粒子，吸附離子型分散劑以后，各煤粒表面即帶有相同電荷，成為帶電粒子，煤粒之間就會產(chǎn)生靜電排斥力，當這種斥力大于范德華引力時，就可以防止煤粒相互聚集沉淀，促使煤粒分散在水中。

1.3.3 空間隔離位組效應

制備水煤漿時使用的分散劑為有機大分子時，被吸附分子有很長的親水鏈，在煤表面形成三維水化膜。水化膜中的水與體系中的“自由水”不同，它因受到表面的吸引力而定向排列。當顆粒相互靠近時，水化膜受到擠壓變形，引力則力圖恢復原來的定向，這樣就使水化膜表現(xiàn)出一定的彈性，使煤粒均勻分散，且顆粒表面的分散劑有一定的厚度，當兩個帶吸附層的顆粒相互重疊時，由于吸附層分散劑分子運動的自由度受到阻礙，吸附的熵減少，因為體系的熵總是朝著增加方向發(fā)展，向混亂度增大的方向發(fā)展，即熵增大原理，所以相互重疊的顆粒有再次分開的傾向，因此分散劑在煤粒表面形成的水化膜能夠避免煤粒的聚集沉淀。這就是分散劑的隔離位組效應或立體障礙。

總之，高效水煤漿分散劑的特點是有效的吸附在煤表面，提高煤的親水性，并能在煤表面形成雙電層和立體障礙。

1.4 穩(wěn)定劑與作用

水煤漿穩(wěn)定性是指煤漿在儲存與運輸期間能夠保持均勻的特性。由于水煤漿畢竟是一種固、液兩相粗分散體系，煤粒又很容易自發(fā)地彼此聚結，在重力或其他外力作用下，很容易發(fā)生沉淀。為阻止沉淀或形成不可恢復性硬沉淀，在水煤漿中加入穩(wěn)定劑。使水煤漿粗粒懸浮體形成觸變體。即水煤漿靜置時產(chǎn)生結構化，具有高的剪切應力，應用時，一經(jīng)外力作用，粘度能迅速降低，有良好的流動性，再靜置時又能恢復原來的結構狀態(tài)。穩(wěn)定劑是那些具有使水煤漿中，已分散的煤粒能與周圍其他煤粒及水結合成一種較弱，但又有一定強度的三維空間結構作用的化學試劑。穩(wěn)定劑的加入，能使已分散的固體顆粒相互交聯(lián)，形成空間結構，從而有效地阻止顆粒沉淀，防止固液分離?，F(xiàn)階段使用的水煤漿穩(wěn)定劑主要有無機電解質(zhì)和高分子化合物兩類。如各種可溶性鹽類、高分子表面活性劑、纖維素、聚丙烯酸鹽以及一些膠體粒子（如有機膨潤土）等。

1.5 其他輔助添加劑

水煤漿使用的其他輔助化學試劑有：消泡劑、表面活性劑、PH調(diào)整劑、防霉劑和促進劑等。它們在水煤漿生產(chǎn)過程中不是必需的。它們的使用與煤和制漿用添加劑有很大的關系。如制漿用煤為浮選精煤，其表面殘留起泡劑較多時，經(jīng)攪拌會產(chǎn)生大量氣泡；再如制漿時使用的非離子型添加劑，它們同時也是很好的起泡劑。水煤漿中含有過多的氣泡，會大大影響其流動性。此時需要添加消泡劑，以消除其影響。對于有些難成漿的煤來說，制漿過程中還要加一些表面活性劑，用來改變煤粒表面特性，以增強其成漿性。另外，水煤漿添加劑的作用還與溶液的酸堿度有關，制漿時以弱堿性溶液環(huán)境為好，所以在制漿時，有時還需要加入pH調(diào)整劑用以調(diào)整煤漿的pH值。防霉劑則是為了防止一些有機類添加劑在長期存放時，受細菌分解失效而添加的一種殺菌劑。促進劑是針對一些難成漿煤種使用的，在改善水煤漿性能方面，具有降低粘度、提高穩(wěn)定性、改變流變特性、增強剪切應力的作用。

2 水煤漿的級配技術

在水煤漿的制作過程中，首先一步是把礦煤經(jīng)破碎、研磨成細度不同的煤粉與水和少量的添加劑充分混合在一起。而對煤的顆粒細度組成要求要有較高的堆積效率，堆積空隙最小。顆粒間的空隙被較小顆粒填充；小顆粒間的空隙又被更小顆粒而填充。以此減少煤粉顆粒間空隙的水量，提高水煤漿的濃度，改善水煤漿的流動性。所以要制的較高濃度的水煤漿，首先要研究和掌握煤粉的級配技術。表2(a)、表2(b)是實際生產(chǎn)企業(yè)的水煤漿顆粒級配分布情況。

表2 實際生產(chǎn)企業(yè)的水煤漿顆粒級配分布情況

以上兩種煤粉的顆粒分布均能滿足水煤漿的制備工藝要求。

3 不同的煤種需復配不同的水煤漿添加劑

我國地域遼闊，煤礦資源分布較為廣闊。煤炭資源的組成千差萬別，C、H、S、P、O2等含量各不相同；其煤的灰分、水分、揮發(fā)份、固定碳含量也不盡相同。即使是同一座煤礦其不同的礦井或是不同的工作面，開采出來的煤碳其組成也有差別。有些煤按一定的煤粉顆粒級配很容易成漿；有些煤則不然，即成漿性能較差。實踐證明，無論煤的成漿性能好壞一般都必須找到適合該煤種制漿的添加劑。這是由于水煤漿的普適性有限，有限種類的添加劑不可能適用于所有煤種，對于不同煤種來說，添加劑之間同樣存在匹配性，用于水煤漿制備的專用添加劑一般都是以復配的形式出現(xiàn)，而這種匹配性會直接影響水煤漿的性能。

4 結束語

總之，實踐要求我們針對特定的煤種，經(jīng)過實驗、研究來選配不同的添加劑，采用復配的方法，尋找最適合的添加劑，從而提高水煤漿的濃度；降低粘度；提高其穩(wěn)定性；降低水煤漿添加劑總的用量。這將是我們今后研究水煤漿添加劑的發(fā)展方向。

［1］劉曉霞,屈睿,黃文紅,等.水煤漿添加劑的研究進展[J].應用化工,2008(01).

［2］王利珍,楊祥生,陳榮榮,等.水煤漿穩(wěn)定性影響因素的研究進展[J].煤化工,2007(06).

［3］王曉春,吳國光,王共遠.水煤漿添加劑及其研究進展[J].煤化工,2004(06).

［4］郝愛民,李善祥.大同煤水煤漿穩(wěn)定性的研究[J].煤炭加工與綜合利用,1996(03).