粒径分布和体积分数对三种煤成浆性能的影响

朱军峰， 高薇春， 朱 婷， 王卓妮， 贾虎旺

(1.陕西科技大学 陕西省轻化工助剂重点实验室, 陕西 西安 710021； 2.中国石油天然气股份有限公司 兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060)

0 引言

煤炭清洁高效利用未来仍将受到更高重视[1].水煤浆以其高效、节能、环保等优势，近年来在国内得到了快速发展[2].随着国内雾霾天数的日益增多以及大型煤化工项目的建设，水煤浆产业化规模将不断扩大[3].因此，发展水煤浆工业及技术对我国能源和环保仍具有重要意义.水煤浆的流变特性对于煤浆的工业应用非常重要[4,5].

水煤浆的流变特性受煤粉的粒度分布、体积分数及所使用的添加剂等诸多因素的影响[6].粒径分布是减小煤粒间隙，增加煤浆浓度的重要参数，研究粒度分布与堆积效率之间关系的级配技术是水煤浆制备技术的基础之一，通过控制煤的粒径和粒度分布不仅能降低水煤浆的粘度，还能增强其稳定性，故粒度级配是制备水煤浆的关键技术之一[7].

双峰级配工艺通过选择性粗磨机和高效超细细磨机的组合，比第一代制浆工艺技术在一定程度上提高了水煤浆浓度，但提升幅度有限.多峰或三峰级配工艺通过分级研磨、粒径控制和三峰级配等措施，比第一代制浆工艺提高煤浆浓度4～6个百分点，大幅改善煤浆流动性、稳定性和雾化性能，降低气化能耗[1].

选择适宜的体积分数也十分重要，当颗粒含量增加时，颗粒堆积紧密，间距减小，颗粒的自由移动变得很难，颗粒间的相互作用力增大，当颗粒含量接近最大体积分数时，粘度将陡然增大.对不同煤阶的煤种选择适宜的体积分数对提高水煤浆的流变性有至关重要的影响[8].

化学添加剂的主要作用在于改变煤粒的表面性质，促使颗粒在水中分散,使浆体具有良好的流变性和稳定性，是改善水煤浆性质的重要因素[9-11].

目前，对粒径分布和体积分数影响内蒙煤、神华煤和彬长煤等三种低阶煤制浆的系统研究未见报道.本文加入新型聚羧酸盐分散剂[12](SSS-AA-AAMPEG500)的情况下，研究了粒径分布(多峰级配、双峰级配)、体积分数及煤阶(内蒙煤、神华煤和彬长)煤对水煤浆粘度的影响，给水煤浆工业应用提供可靠的参考数据.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚羧酸盐分散剂为SSS-AA-AAMPEG500的30 wt%水溶液(合成方法同文献[12]).XM-4型行星球磨机(配有研磨罐和研磨球，咸阳陶瓷研究所)；水煤浆粘度计(NXS-4C型，成都仪器厂)；激光粒度分布仪(BT-9300Z，丹东百特粒度仪器公司)；精密天平(BSA224S型，德国Sartorius公司)

1.2 煤质分析及煤样物性

实验选取内蒙煤(霍林河煤)、陕西神华煤及彬长煤三种低阶煤为研究对象，煤质分析如表1所示.内蒙煤为褐煤，其中碳含量(wt%)较低，而且氧和水含量很高，其成浆性较差；神华煤为优质动力煤，水含量较高，不易得到高浓度浆体；彬长煤为常用的锅炉动力煤，但是其氧碳比和水含量高，只能得到较低浓度的水煤浆.煤样物理性质如表2所示.

1.3 粒径分布和体积分数的测定

将磨好的煤分别按照表3和表4进行双峰级配和多峰级配，经过激光粒度分布仪对煤粒的粒度分布进行分析[13].图1为激光粒度仪两种级配水煤浆粒径分布的测试结果.

体积分数的影响实验分别选取三种煤(内蒙煤、神华煤和彬长煤)的30μm、55μm和75μm粒径做煤样，在10 mL量筒中进行中位径D50颗粒尺寸的体积分数的测量，把填充有干煤样品的圆筒振动至一个稳定的水平下保持3分钟.体积分数的值是振动后的体积与初始体积的比值[8].

1.4 水煤浆的制备及粘度测定

用质量为50 g的煤制备一定煤含量的水煤浆(wt%).称取一定比例于干煤质量(wt%)的聚羧酸分散剂的溶液(结构如图2所示)，加入到100 mL的烧杯中，再加入一定量的蒸馏水并搅拌使之充分溶解，最后将一定粒径比例的煤粉加入其中，搅拌直至成浆.神华煤和彬长煤选取水煤浆浓度为64 wt%、65 wt%、66 wt%和67 wt%，内蒙煤制浆浓度为51 wt%、52 wt%、53 wt%和54 wt%.分散剂的添加量都为干煤质量的0.4 wt%.浆体在100 rpm的剪切速率下剪切300 s，在NXS-4C型水煤浆专用粘度计上进行表观粘度的测定.上述实验的pH值为7.0±0.5，测试温度保持在25 ℃左右.

表1 实验的煤质分析

表2 煤样物理性质

表3 多峰级配各种粒径煤的质量比例

表4 双峰级配各种粒径煤的质量比例

1.5 水煤浆浓度的测定

采用GB/T18856.2-2008中规定的干燥法进行水煤浆质量分数w(wt%)测定[14].水煤浆质量浓度(wt%)的确定是以干煤占整个煤浆质量百分比计.根据水煤浆浓度来确定水和分散剂的用量，计算公式如下：

(1)

式(1)中：m1为干煤质量(g)；m2为煤样质量(g)；m3为蒸馏水的质量(g)；m4为分散剂的质量(g).

1.6 水煤浆稳定性的测定

析水率法：将上述过程中各制浆条件下所配的水煤浆适量(<50 mL)充分搅拌均匀倒入50 mL的量筒中，记录体积V0，用保鲜膜封口后静置7 d，之后每天测定上层析出水量V1，直至析水率恒定，计算析水率：

(2)

析水率与水煤浆稳定性成反比例，其数值越小表明水煤浆越稳定[15].

图1 煤样粒径分布

图2 聚羧酸分散剂SSS-AA-AAMPEG 500的化学结构式(n=11)

2 结果与讨论

2.1 粒径分布对煤浆流变的影响

此次实验中选取了内蒙、神华和彬长煤三种煤样研究粒径分布对水煤浆流变性的影响，其中三种煤分别采用双峰级配与多峰级配技术对其进行研究.

图3、图4和图5分别是内蒙煤、神华煤和彬长煤在两种级配方式下剪切速率与表观粘度曲线.从图3、4、5可以看出，在相同制浆浓度下，多峰级配水煤浆粘度明显低于双峰级配，且内蒙煤多峰53 wt%浆体粘度低于双峰51 wt%粘度，神华煤和彬长煤多峰66 wt%浆体粘度低于双峰64 wt%粘度.通过控制煤的粒径分布能降低水煤浆的粘度[16]，在满足工业水煤浆粘度前提下，多峰级配可获得更高煤浓度水煤浆，且多峰级配比双峰级配制浆浓度提高2个百分点.另外，煤阶较高的神华和彬长煤比内蒙煤更容易获得高浓度的水煤浆.

图3 内蒙煤双峰级配与多峰级配的在不同浆浓下流变的比较

图4 神华煤双峰级配与多峰级配的在不同浆浓下流变

图5 彬长煤双峰级配与多峰级配的在不同浆浓下流变

2.2 体积分数对水煤浆流变性的影响

样品体积分数值取决于它们的平均颗粒尺寸.每个样品的体积分数测量5次，平均值在表5中给出.三种不同煤阶的样品，中位径或平均粒径增加时体积分数也在增加.三种不同煤样都在较大中位径(D50)时更容易获得低表观粘度的煤浆.体积分数值和表观粘度的关系如图6所示，粘度对煤颗粒的体积分数的依赖性很大，中位径较小的煤浆体积分数较低，且其的粘度较高.这是由于煤浆的体积分数较低时，它的结构相当紧凑，从而煤浆中煤粒间空隙变小，流体变得不易流动，同时流动时引起的内磨擦力增大，也是引起粘度增大的一个原因[17].颗粒的大小影响着其体积分数、粘度值及流动性.然而，由于煤浆在输送过程中的稳定性要求不易出现沉淀以及燃烧时容易雾化等因素的制约，粒径不能放大太多.因此可以通过增加煤浆的体积分数值以降低煤浆的平均表观粘度.

图6 三种煤样不同体积分数下的表观粘度

2.3 不同煤种水煤浆流变性的影响

水煤浆的流变曲线形式被分为两种类型，其一是水煤浆的流变曲线呈现出剪切增稠现象，即水煤浆的表观黏度随着剪切速率的增加而增加，也叫胀塑性；其二是水煤浆的流变曲线呈现出剪切变稀.实际应用中需要水煤浆粘度呈现出剪切变稀，即表观黏度随着剪切速率的增加而减小[18].

选用聚羧酸盐分散剂0.4 wt%(占干煤质量)对多峰级配的神府煤、彬长煤和内蒙煤煤样分别制浓度为65 wt%、65 wt%和52 wt%的水煤浆，研究水煤浆浆体的剪切应力-剪切速率关系曲线，并用三种流体流变模型(Power-law、Bingham和Herschel-Bulkley)对其拟合，结果分别如图7、图8和图9及表6所示.

水煤浆的Power-law模型拟合相关系数R2分别为0.995 9、0.993 3和0.968 3.神华煤的粘度系数K最小，但三种煤的流动特性指数n都比较大，都表现出相对较弱的假塑性特征.采用Bingham模型拟合内蒙煤、神府煤和彬长煤水煤浆曲线的拟合相关系数R2分别为0.998 6、0.995 3、0.992 7，屈服应力τ0分别为4.13、2.19和5.42这表明水煤浆具有较好的流动性.神华煤的初始剪切应力最小，其浆体触变性更好，在较小的外力剪切下即可发生流动.而且，内蒙煤和彬长煤水煤浆的刚度系数μ也相对较小，这同样对流动性有利.用Herschel-Bulkley模型拟合内蒙煤、神府煤和彬长煤相关系数R2分别为0.998 6、0.997 4和0.997 3.τ0分别为3.76、5.77和7.58，K分别0.53、0.34和0.09，神府煤和彬长煤水煤浆曲线流动指数n>1应属剪切变稠特征，这与前文中水煤浆粘度与剪切速率关系特征趋势不相符合.

综上，用自制聚羧酸添加剂按多峰级配工艺制浆，内蒙煤浆流变符合Herschel-Bulkley模型，神华煤和彬长煤和浆流变更接近于Bingham模型.

表5 不同粒径下三种煤样的体积分数和粘度

表6 三种煤各种模型拟合结果

图7 Power-law模型拟合水煤浆

图8 Bingham模型拟合水煤浆浆体流变曲线

图9 Herschel-Bulkley模型拟合水煤浆浆体流变曲线

2.4 浆体浓度对水煤浆的稳定性影响

水煤浆浓度对水煤浆稳定性影响如表7所示.从表7可以看出，随煤浆浓度增加各煤种水煤浆的析水率都在减小，对应的稳定性都有所提高，这是因为当水煤浆中的固体煤含量增高时，煤粒间空隙的减少，颗粒间相互作用力增大，降低了煤颗粒的沉降速度，相应的煤浆的稳定性也就提高了.另外，值得注意的是双峰级配工艺水煤浆的析水率都大于对应浓度多峰级配水煤浆的析水率.因此，多峰级配工艺制浆有利于浆体稳定性的提高.

表7 水煤浆浓度对煤浆稳定性的影响

3 结论

(1)对实验所用三种煤用多峰级配比双峰级配可使水煤浆的粘度降低，且浆体稳定性更好.多峰级配比双峰级配可使成浆浓度提高2个百分点，且同等浓度时粘度降低，浆体流动性、稳定性变好.通过增加煤浆的体积分数值可以降低煤浆的平均表观粘度.

(2)用不同等级的煤制备具有相似粒径分布和D50值的水煤浆，虽然它们具有相似的体积分数值，但它们的表观粘度从低阶煤到高阶煤而降低.因此，用等级较高的煤可制备煤浓度更高的水煤浆.用聚羧酸添加剂按多峰级配工艺制浆，煤阶较高的神华煤和彬长煤煤浆流变更接近于Bingham模型，低阶煤内蒙煤煤浆流变更符合Herschel-Bulkley模型.