水炭漿成漿性能研究

蘇婷，高雯雯，宋永輝，時明亮

（1.榆林學院化學與化工學院,陜西榆林719000；2.西安建筑科技大學冶金工程學院,陜西西安710055）

水炭漿成漿性能研究

蘇婷1，高雯雯1，宋永輝2，時明亮2

（1.榆林學院化學與化工學院,陜西榆林719000；2.西安建筑科技大學冶金工程學院,陜西西安710055）

研究了水炭漿的成漿條件以及漿體的基本性能。將蘭炭末原料研磨篩分為三個粒度等級(D1＞200目，D2為100～200目，D3為60～100目)。得出以木質素磺酸鈉(SL)和TPEG作為分散劑，羧甲基纖維素鈉(CMC)作為穩定劑，可制備出水炭漿。設定水炭漿濃度為56%，粒度組成為D1：D2：D3=80%:12%:8%，添加劑的總量占干料總量的1.5%，SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%時所制備的水炭漿粘度為518 mPa·s，流動性良好，穩定性長達30 d，是性能優良的水炭漿制品。

水炭漿；添加劑；漿體性能

水煤漿是一種非常成熟的新型高效清潔的煤基流體燃料，一般由65%左右的煤粉、30%左右的水和1%左右的添加劑混合制成。為提高水煤漿的燃燒效率，其中煤粒應達到一定的細度，一般要求在74～300 μm之間[1]。在水煤漿的研究過程中，添加劑的選擇及顆粒的粒度分配比較關鍵。趙世永[2]、李靜[3]等考察了粒度級配方案對漿體成漿性和穩定性的實驗研究，袁善錄[4]、李耀東[5]等使用不同的添加劑對煤樣進行的成漿實驗中均證實了這兩個因素對漿體性能有著顯著的影響。同時作為石油工業副產物的石油焦，也被制成水焦漿用作代油燃料，制備高濃低粘的高穩定性水焦漿是研究過程中的一大挑戰。

蘭炭是煤炭熱解后的固體產物，我國每年會產出大量的蘭炭成品，同時副產利用率極低的蘭炭粉末?；谒簼{和水焦漿的研究經驗，對水炭漿進行相關的探索。因為蘭炭是一種疏水性物質，不易與水成漿，且越細的蘭炭末顆粒其表面積越大，越容易自發凝結，要想成功制備水炭漿，添加劑的選擇成為關鍵因素。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用原料為神木孫家岔煤礦的低變質粉煤(C-SJC)熱解所得的蘭炭末（BC-SJC）。原料的元素分析和工業分析結果如表1所示。由表1可知，蘭炭的揮發分含量、水分、氧、氫含量以及低位熱值與低變質煤相比均有所降低，而灰分含量和固定碳含量增高。高灰分不利于燃燒和氣化，并且灰分中的可溶性礦物離子Ca2+、Mg2+、Al3+等會對蘭炭表面的親水性、電化學性能、添加劑的選擇產生較大的影響[6]，但適量的灰分可以提高顆粒間的空間位阻，起到降低制漿粘度、增強穩定性的作用。

成漿的難易程度以及最大成漿濃度可以根據經驗做出初步判斷，如式（1）、式（2）所示。

式中：Mad─空氣干燥基水分，%；

HGI─哈氏可磨性指數；

C─可制漿濃度，%；

D─難易指標。

表1 原料的工業分析和元素分析Table1 The proximate analysis and elemental analysis of raw materials

由表2中的結果可以看出，蘭炭末的HGI較高，說明蘭炭末更容易研磨，研磨的程度直接影響顆粒的粒級分布進而影響漿體的各種性能，同時原料的破碎研磨也是漿體制備過程中耗能最高的一個環節。經驗上用蘭炭末可以制備中等濃度的水炭漿，重點是需要解決添加劑的問題。

表2 成漿性預測Table2 The prediction of slurry character

1.2 制備方法

實驗采用干法磨礦制漿。將定量烘干蘭炭放入球磨機碾磨兩小時后進行篩分，按照粒度D1＞200目、D2為100～200目和D3為60～100目的等級分裝備樣。選取三種粒度的質量比例，準確稱取混合料50 g，加入到一定配比的添加劑水溶液中，采用攪拌器以1 000 r/min的轉速攪拌一定時間后獲得水炭漿產品，靜置3 min后分別進行粘度、流動性的檢測，吸水率和穩定性的測試需要在數天內連續觀察測量記錄。

1.3 性能表征

漿體的表觀粘度采用NDJ-8S旋轉粘度計測定。實驗測量時，取50 mL漿體，選用3#轉子，轉速為30 r/min，1 min后讀數記錄，讀取5次數據，以平均值作為漿體最終的粘度數值。

流動性采用目視法。取用50 mL漿體，倒入固定在一定高度的錐形漏斗中，觀察漿體從漏斗中自由通過的連續程度。連續流動為A，間斷流動為B，不流動為C，并以"+、-"表示更細微的差別[7]。

穩定性采用落棒法進行測量，漿體置于50 mL試樣瓶內，蓋緊瓶塞，每隔一天進行落棒實驗，以出現硬沉淀現象為止，用天數表示穩定性的好壞，時間越長，穩定性越好。

2 實驗結果與討論

2.1 添加劑種類的選擇

實驗選擇陰離子分散劑木質素磺酸鈉(SL)和腐植酸鈉(NA)，非離子分散劑TPEG，穩定劑選擇羧甲基纖維素鈉(CMC)和聚丙烯酰胺(PAM)，將其單獨或者組合試驗進行蘭炭末的成漿性能研究。根據粒度篩分，選用不同粒級蘭炭末顆粒的粒度組成質量比為D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，添加劑的總量選擇占干蘭炭末質量的1.8%，水炭漿濃度設定為56%。具體的添加劑選擇方案及水炭漿性能見表3所示。

結合圖1的粘度值，由表3中第1第2組數據可以看出，選擇CMC作為穩定劑，以陰離子分散劑SL和非離子分散劑TPEG分別作為漿體分散劑時，均可制得粘度較小、流動性較好的水炭漿，雖然穩定性較低，但可成漿就說明所選擇的添加劑具有一定的合理性。

表3 不同添加劑種類的漿體性能Table3 The slurry properties with different additives

圖1 不同添加劑漿體粘度Fig.1 The slurry viscosity with different additives

在后續的實驗中，為了實現良好的漿體性能，將分散劑進行復配使用，第3組數據中以SL和NA按比例復配后的漿體流動性稍差，所以選擇SL和TPEG進行復配。第4、5、6組數據中，漿體的粘度都滿足要求，流動性也連續流暢，只第6組數據中漿體的穩定性差。從第4、5組數據可知，以SL和TPEG進行復配，與CMC一起作為添加劑制漿的途徑切實可行。分散劑采用潤濕分散、靜電斥力分散以及空間位阻分散等作用，使得蘭炭顆粒在水中很好的分散開來，而穩定劑的作用是使已分散的蘭炭顆粒、水、和其他分散的蘭炭顆粒之間形成一種網格結構，阻止已分散的蘭炭顆粒沉淀，他們有著各自的分工，相互之間也可能受到影響，介于第6組數據中穩定性差的問題，再進行兩組對比實驗，選擇PAM作為穩定劑。根據第7、8組數據得出，兩個漿體的粘度很小，但是流動性和穩定性都很差，不滿足要求，放棄PAM作為穩定劑的方案。從整個數據中可以得出，以SL、TPEG為分散劑，CMC為穩定劑是較好的選擇，在后續的實驗中選擇此種復配方案。

2.2 粒度組成

在水炭漿的制備過程中，蘭炭末篩分為三個粒度級別，最細粒度的蘭炭末質量比例D1選擇70%、75%、80%、85%四個數值，其余兩個粒度級別的質量按1∶1的比例平分。水炭漿濃度設定為56%，添加劑的總量占干料總量的1.8%，具體比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。具體實驗按表4進行。

表6 不同添加劑總量漿體Table6 The slurry properties with different additives amount

表4 不同粒度配比的漿體性能Table4 The slurry properties with different Particle size

表4數據顯示，D1在70%以上所制備的水炭漿漿體流動性、穩定性良好?？傮w上細顆粒的含量越多，穩定性越好。細顆粒含量的增加，顆粒的堆積效率提高，顆粒堆積時空隙較少，減少了顆粒沉積的空間，穩定性自然增加，同時，研究堆積效率與粒度分布的關系，也有利于提高水炭漿的濃度[8]。表4中，4種粒度組成制備的水炭漿的表觀粘度數值均在800 mPa.s以上并且相差不大，80%的粒度組成制備的水炭漿的粘度相對最小，穩定性、流動性良好，雖然85%的粒度組成所制備的水炭漿的穩定性具有優勢，但在原料研磨以及篩分過程中，細顆粒的能耗相對較高，綜合考慮，選擇80%的粒度組成作為實驗初選的方案是合理的。

隨后以最細顆粒80%的質量組成為基礎，探究其他兩個粒度的分配對水炭漿性能的影響。添加劑總量為干料總量的1.8%，水炭漿濃度設定為56%，具體比例按SL∶TPEG∶CMC=1.0%∶0.3%∶0.5%配比。

由表5可知，粒度組成質量比為D1∶D2∶D3= 80%∶12%∶8%時，水炭漿的粘度最小，穩定性和流動性最好，是漿體性能相對最優的條件，所以最終確定這一粒度組成作為基礎工藝條件。

表5 不同粒度配比的漿體性能Table5 The slurry properties with different Particle size

2.3 添加劑量的確定

粒度組成D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，設定水炭漿濃度為56%，改變添加劑總量為分別占干料總量的1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，而SL∶TPEG∶CMC的比例初定為7∶3∶5，具體實驗結果見表6。

由表6中可以看出，制漿時不使用添加劑，單純是級配蘭炭末顆粒與水溶液的混合物，剛開始攪拌時表觀上呈現漿體狀，也可以適當流動，但靜置后在不到一天的時間內固體顆粒沉積，混合物出現嚴重分層現象，無從談及漿體性能，所以制備水炭漿必須使用添加劑。而當添加劑的總量達到3%、4%時，明顯無法成漿，混合物呈粥樣狀，攪拌過程中阻力較大，靜置2 d后混合物上層析出的黃色液體可能是添加劑的混合物水溶液，說明添加劑也并非越多越好。添加劑的總量控制在1.0%和2.0%的時候，可制備出粘度較低，穩定性良好，而且流動性較好的漿體，由此初步確定添加劑總量的范圍在1%～2%之間，前期探索實驗選擇的1.8%的添加劑總量屬于合理范圍。

隨著對添加劑作用機理的深入研究，同時由于添加劑的成本較高，在后期的實驗中應該盡力減少添加劑的總量，提高水炭漿的濃度，嘗試將添加劑的總量持續降低，保持在(1±0.2)%左右。

本次實驗先嘗試降低添加劑總量至1.5%。蘭炭末顆粒組成為D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%，設定水炭漿濃度為56%，改變三種添加劑的質量比例，探索漿體性能相對較優的添加劑配比方案，具體實驗如表7所示。

圖2 不同添加劑漿體粘度Fig.2 The slurry viscosity with different additives ratio

表7 不同添加劑漿體性能Table7 The slurry properties with different additives ratio

根據圖2的粘度數值，由表7可知，選用的10種添加劑比例所制備的水炭漿各項漿體性能指標良好，尤其穩定性都比較好，最長可達一月之久，這表明添加劑種類和總量的選擇基本正確。數據1、2雖粘度稍高，但也在合理范圍，只是流動性稍差，穩定性相對最短，同樣數據6除了粘度值稍高之外，其他性能都表現良好，在以其他添加劑比例所制備水炭漿的性能均較優良的情況下，可以棄之不用。剩余的其他7組數據，其實都可作為性能優良的水炭漿制備方案，在擇優選用的原則下，可使用第8組數據的配比進行制備，以獲得低粘度高穩定性且流動性好的水炭漿制品。

3 結論

本文選用蘭炭末作為原料，鑒介水煤漿及水焦漿的制備工藝，探索水炭漿的制備方法。根據HGI預估，水炭漿的制備可以實現。性能優良的水炭漿制備關鍵在于添加劑的選擇和蘭炭末顆粒的粒度組成。實驗設定水炭漿濃度為56%。

（1）陰離子分散劑SL和NA，非離子分散劑TPEG均可作為水炭漿的分散劑使用，為了達到更好的分散效果，采用了復合配比方案，最終選用SL+TPEG作為分散劑，穩定劑確定為CMC。

（2）選擇好添加劑的種類之后，初步選定蘭炭末的粒度組成為D1∶D2∶D3=80%∶10%∶10%，經過進一步的實驗探索后，確定粗粒子的比例，最終選擇D1∶D2∶D3=80%∶12%∶8%的粒度組成。

（3）添加劑的總量占干料量的比例根據實驗需要確定在1%-2%之間，實驗初選添加劑的量為1.8%，可以制備性能優良的水炭漿制品，降低添加劑的用量至1.5%后，漿體性能良好。同時確定三種添加劑之間的具體配比為SL∶TPEG∶CMC=0.74%∶0.38%∶0.38%，可制備出低粘高穩強流動性的水炭漿制品。

［1］庾晉.我國水煤漿技術綜述[J].煤氣與熱力,2003,23（7）:429-431.

［2］趙世永,張晉陶.粒度配比對神府煤水煤漿穩定性的影響[J].煤炭工程,2006（12）:88-90.

［3］李靜,董慧茹,劉國文改善粒度級配提高大同水煤漿的穩定性[J].北京化工大學學報,2002,29（1）:93-97.

［4］袁善錄,戴愛軍制備高濃度水煤漿的影響因素探討[J].應用化工, 2007,36（12）:1242-1251.

［5］李耀東神府煤制水煤漿添加劑的篩選及工業應用[J].大氮肥,2006, 29（4）:268-271.

［6］高夫燕.基于石油焦的漿體燃料制備及特性研究[D].浙江：浙江大學,2013.

［7］張群彩,楊東杰,等.改性木質素磺酸鹽水煤漿添加劑對神華煤制漿性能的影響[J].精細化工，2006,23(3):246-249.

［8］Debadutta D,Uma D,Jibardhan M,et al.Improving stability of concentrated coal–water slurry using mixture of a natural and synthetic surfactants[J].Fuel Processing Technology,2013(113):41-51.

Study on Properties of Blue-Coke Water Slurry

SU Ting1,GAO Wen-wen1,SONG Yong-hui2,SHI Ming-liang2
（1.School of Chemistry＆Chemical Engineering,Yulin University,Shaanxi Yulin 719000,China；2.School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Shaanxi Xi'an 710055,China）

The slurry conditions and basic properties of blue-coke water slurry were studied in this paper.After grinding and screening,the raw material was divided into three particle sizes(D1＞200 mesh,D2=100～200 mesh,D3=60～100 mesh).The blue-coke water slurry was prepared by using sodium lignosulfonate(SL)and TPEG as dispersant and carboxy methyl cellulose sodium(CMC)as the stabilizer.The slurry concentration was set as 56%,the additives accounted for 1.5%of the total amount of dry material,and SL:TPEG:CMC=0.74%:0.38%:0.38%,particle size was D1：D2：D3=80%:12%:8%,the prepared slurry had good performance with the viscosity of 518 mPa?s,the good fluidity and the 30 days stability.

Blue-coke water slurry;Additives;Properties of slurry

TQ 530

A

1671-0460（2017）03-0400-04

榆林新材料制備及深加工自動化-水炭漿的制備及應用基礎研究，項目號：2015CXY-01。

2017-01-13

蘇婷（1984-），女，陜西省榆林市人，講師，碩士，2011年畢業于西安建筑科技大學化學工藝專業，研究方向：煤化工。專任教師。E-mail：st1010ivy@126.com。

高雯雯（1985-），女，講師，碩士，研究方向：蘭炭廢水處理。E-mail：154167822@qq.com。