朱军峰， 李元博， 王卓妮， 常 兴， 张光华

(1. 陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室, 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

水煤浆是一种非牛顿流体，它的粘度随流动时速度梯度(剪切速率)的大小而变，所以它的粘度被称为“表观粘度”，在不同剪切速率条件下可表现为不同值[1,2].作为普通燃料，要求水煤浆在常温及100 s-1剪切速率下的表观粘度不高于1 000 mPa·s.此外，还要求水煤浆具有“剪切变稀”的流变特性，即在它处于流动状态时，表现出具有较低的粘度，便于使用；而当它停止流动处于静止状态时，又可表现出高黏度，便于存放.水煤浆的流变特性受煤种、粒径分布、煤浆浓度、添加剂用量、成浆温度及pH等诸多因素的影响[3-5].

聚羧酸盐相比传统的水煤浆分散剂，具有环保、高效、结构灵活、适用范围广等优点，已逐渐取代了传统分散剂[6,7].本文研究了不同制浆条件下新型聚羧酸盐分散剂[8]对三种不同品质煤成浆性能的影响.其研究结果对水煤浆工业具有指导意义，可为实际生产提供可靠的参考数据.

1 实验部分

1.1 煤样表征分析

实验选用无烟煤宁夏的沟口煤和烟煤煤种陕西的神华煤和彬长煤，煤质分析见表1所示.

表1 煤质分析

1.2 水煤浆的制备及表观粘度测试

实验采用干法制浆，通过多峰级配实验确定制浆的最佳粒度级配，20～40目占8 wt%、40～120目占42 wt%、120～200目占7 wt%、200～300目占8 wt%、300目以下占35 wt%.

在单因素条件下改变各制浆条件，采用 NXS-4C 型水煤浆粘度计测定室温下剪切率为0～100 s-1的水煤浆表观粘度.所用新型聚羧酸盐分散剂的结构如图1所示，其制备过程见文献[8]所述.

图1 聚羧酸盐分散剂化学结构

1.3 水煤浆稳定性测试

实验采用析水率法测定稳定性.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，测定上层析出水量V1，计算析水率：

析水率(V/V%)=析出水的体积V1/总水煤浆体积V0×100%

2 结果与讨论

2.1 水煤浆浓度对水煤浆表观粘度和稳定性影响

有工业应用价值的水煤浆浓度通常应该维持在60 wt%以上，而且水煤浆的粘度对浓度变化很敏感，尤其是接近最大堆积密度时，粘度及剪切应力会急剧增加[9].

实验选用多峰级配煤样，分散剂质量分数为0.4 wt%进行测试.如图2所示，三种煤样都是随煤样浓度的增加，其粘度值也是增加的.不同之处是神华煤和彬长煤两种烟煤其最大的成浆浓度仅为64 wt%，并且其粘度受煤浆浓度影响较大；而沟口煤较之性能较好，其最大成浆浓度能达到70 wt%，粘度值也远远小于其它两种烟煤.较其它两种烟煤来说，其受浓度影响比较小.究其原因是与其煤种有关，两种烟煤中的灰分较大，含碳量较低，可磨性系数也不是太好，这些因素都对煤浆粘度值有很大的影响[10].

水煤浆浓度对水煤浆稳定性影响如图3所示.从图3中可以比较清楚地看出，随煤浆浓度增加，各煤种的稳定性都有所提升.这是因为当水煤浆中的固体含量增高时，煤粒间的相互作用力增大，空隙的减少降低了煤颗粒的沉降速度，相应地也就提高了煤浆的稳定性.沟口煤在68 wt%的浓度时为较佳，彬长煤和神华煤在为62 wt%时较佳.

图2 水煤浆浓度对水煤浆表观粘度的影响

图3 水煤浆浓度对水煤浆稳定性的影响

2.2 分散剂添加量对水煤浆表观粘度和稳定性的影响

聚羧酸盐分散剂添加量一般控制在煤质量(干基煤)的1 wt%内.本实验参考各有关聚羧酸盐系水煤浆分散剂的添加量，选取分散剂质量分数分别为0.1 wt%、0.2 wt%、0.3 wt%、0.4 wt%、0.5 wt%、0.6 wt%.沟口煤的煤浆浓度为67 wt%，彬长煤和神华煤的煤浆浓度为63 wt%，进行实验.

如图4所示，沟口煤随分散剂浓度增加，其粘度值是在降低，但其降低的趋势逐渐趋缓，而彬长和神华两种烟煤的趋势为降后再增.当彬长煤的分散剂添加量超过0.3 wt%，神华煤的分散剂添加量超过0.4 wt%时，粘度值却是在上升的，这是由煤浆吸附水、游离水之间的相对多少引起的.适量的分散剂能够减少水分子在煤表面的吸附，但是分散剂过量时，水分子的吸附反而会增加，进而引起煤浆粘度的增加，对制浆不利.故从表观粘度来考虑，彬长煤的较佳分散剂用量为0.3 wt%，神华煤的较佳分散剂用量为0.4 wt%.

分散剂浓度对水煤浆稳定性的影响如图5所示.从图5可以清楚地看出，随分散剂质量分数的增加，各煤种的稳定性在提升.分散剂本身也具有一定的稳定作用.从稳定性来看，沟口煤的较佳分散剂质量分数为0.4 wt%，彬长煤和神华煤的较佳分散剂质量分数为0.5 wt%.

图4 分散剂浓度对水煤浆表观粘度的影响

图5 分散剂浓度对水煤浆稳定性的影响

2.3 稳定剂CMC浓度对水煤浆表观粘度和稳定性的影响

水煤浆是一种高浓度固液两相粗分散体系.煤粒具有疏水性，很容易自发聚结，在重力和其它外加力作用下发生沉淀，无论是分子热运动，颗粒间的范德华力，还是颗粒间的经典排斥力，都不足以阻止水煤浆颗粒的沉淀[11,12].所以工业中需要加入一定量稳定剂.

实验选取CMC质量分数分别为0.02 wt%、0.08 wt%、0.14 wt%、0.20 wt%、0.26 wt%，分散剂添加量选用0.4 wt%，沟口煤的煤浆浓度为68 wt%，彬长煤和神华煤的煤浆浓度为62 wt%，进行实验测试.

如图6所示，三种煤的粘度随CMC量的增加而增加，并且较不加稳定剂时的粘度有了很大地提升，其中沟口煤的粘度值提升最大.究其机理，在制备水煤浆时加入稳定剂，在稳定剂的作用下，被分散的煤粒和水煤浆的水相间相互交联,形成一种脆弱但有一定强度的三维空间结构[13,14].在静置时，这种结构能够有效阻止颗粒沉淀，即使沉淀也是松软的、可恢复的软沉淀，而且水被包含在结构的空隙内，使得浆体粘度升高，从而有利于浆体稳定[15,16].

CMC浓度对水煤浆稳定性的影响如图7所示.从图7中可以清楚地看出，随CMC添加量的增加，其稳定性也在增加，较不加稳定剂的浆体，其稳定性有了一个很大地提升.综合图6和图7可知，CMC较佳添加量为0.02 wt%.

图6 CMC浓度对水煤浆表观粘度的影响

图7 CMC浓度对水煤浆稳定性的影响

2.4 pH值对水煤浆表观粘度和稳定性的影响

水煤浆pH值过高或过低都会严重腐蚀生产设备.工业应用中的pH值一般是在6～10之间的弱酸性或弱碱性.所以，本实验中选取pH值为6、7、8、9、10，分散剂质量分数为0.4 wt%，沟口煤的煤浆浓度为68 wt%，彬长煤和神华煤的煤浆浓度为62 wt%，进行实验测试.

如图8所示，三种煤的表观粘度受pH影响都不是很大，尤其是沟口煤仅有很小的上升.这是因为对于阴离子型聚羧酸盐的水煤浆分散剂，在酸性条件下容易电离，在碱性条件下分散剂易水解，而这两种条件都有利于分散剂对煤的吸附，所以具有较好的降粘效果[6,14].

pH值对水煤浆稳定性的影响如图9所示.从图9中可以比较清楚地看出，随pH值的增加，三种煤的稳定性都有一个先降后增的趋势，出现了最佳pH值.适宜的pH值对煤浆的稳定性有一定地提升，其中，沟口煤的较佳pH值为8，而彬长煤为9，神华煤为7.

图8 pH值对水煤浆表观粘度的影响

图9 pH值对水煤浆稳定性的影响

2.5 温度对水煤浆表观粘度和稳定性的影响

温度对水煤浆表观粘度的影响如图10所示.实验中所用沟口煤为68 wt%，彬长煤和神华煤为62 wt%.从图10中可以清楚地看出,煤浆的粘度随温度的升高会有明显地降低.这是因为水煤浆在低温区温度的改变是由悬浮体介质行为所决定的.而且彬长煤和神华煤的粘度值对于温度比较敏感，有较大降幅，沟口煤的降幅较之小些.

温度对水煤浆稳定性的影响如图11所示.从图11中可较清楚地看到，随温度升高，各煤浆的稳定性都有所降低.这是因为随着温度升高，煤浆的介质黏度降低，颗粒的沉降速率加快，从而使水煤浆的稳定性降低.故在水煤浆制备过程中，温度不宜过高，总体来说，制浆温度在常温即可.

图10 温度对水煤浆流变性的影响

图11 温度对水煤浆稳定性的影响

3 结论

综合各制浆条件下聚羧酸盐对水煤浆表观粘度和稳定性的影响研究得出：沟口煤的较佳制浆条件是煤浆质量分数68 wt%，分散剂质量分数0.4 wt%，稳定剂CMC质量分数为0.02 wt%，pH值为8，温度为25 ℃；彬长煤的较佳制浆条件为煤浆质量分数62 wt%，分散剂质量分数0.4 wt%，稳定剂CMC质量分数为0.02 wt%，pH值为9，温度为25 ℃；神华煤的较佳制浆条件为煤浆质量分数62 wt%，分散剂质量分数0.4 wt%，稳定剂CMC质量分数为0.02 wt%，pH值为7，温度为25 ℃.

[1] 何国锋,詹 隆,王燕芳.水煤浆技术发展与应用[M].北京：化学工业出版社,2012.

[2] 刘明华.水煤浆添加剂的制备及应用[M].北京：化学工业出版社,2007.

[3] 王利珍,杨祥生,陈荣荣，等.水煤浆稳定性影响因素的研究进展[J].煤化工,2007，35(6)：55-59.

[4] 张延霖，邱学青，王卫星．木钠添加剂对水煤浆流变行为的影响研究[J]．煤炭转化，2005，28(2)：48-58．

[5] 李 超，代正华，孙钟华，等．气流床气化炉综合模型及颗粒粒径对气化结果的影响研究[J]．高校化学工程学报，2013，27(4):597-603．

[6] 朱雪丹, 张光华.聚羧酸系分散剂合成单体对水煤浆性能的影响[J].煤炭科学技术,2010,38(7):122-125.

[7] 张光华，郝 皓，朱军峰．柠檬酸酯型聚羧酸水煤浆分散剂的合成与研究[J]．煤炭科学技术，2011,39(9):121-124．

[8] Zhu J.F,Zhang G.H.,Miao Z.,et al.Synthesis and performance of a comblike amphoteric polycarboxylate dispersant for coal-water slurry[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.Aspects,2012，412(10):101-107.

[9] 宋金梅，张玉秀，张继勇．改性木质素分散剂对褐煤水煤浆流变性的影响[J]．选煤技术，2012，41(1):18-22．

[10] 邹立壮，朱书全，王晓玲．不同水煤浆分散剂与煤之间的相互作用规律研究： Ⅺ分散剂改性煤粒的界面性质及其对CWS性质的影响)[J]．燃料化学学报，2006，34(2): 161-165．

[11] 石丽娜， 陈志平，章序文．基于动网格的高压煤浆输送泵内部流场数值模拟优化研究[J]．高校化学工程学报，2012，26(3):402-411．

[12] Qiu X.Q.,Zhou M.S.,Yang D.J.,et al.Evaluation of sulphonated acetone-formaldehyde(SAF)used in coal water slurries prepared from different coals[J].Fuel,2007,86(10):1 439-1 445.

[13] Zhu J.F.,Zhang G.H.,Liu G. J.,et al.Investigation on the rheological and stability characteristics of coal-water slurry with long side-chain polycarboxylate dispersant[J].Fuel Processing Technology,2014,118(2):187-191.

[14] 朱书全，邹立壮，黄 波．水煤浆添加剂与煤之间的相互作用规律研究:Ⅰ复合煤颗粒间的相互作用对水煤浆流变性的影响[J].燃料化学学报，2003,31(6):519-524.

[15] Yang D.J.,Qiu X.Q.,Zhou M.S.,et al.Properties of sodium lignosulfonate as dispersant of coal water slurry[J].Energy Conversion and Management,2007,48(9):2 433-2 438．

[16] Zhu J.F.,Zhang G.H.,Li J.G.,et al.Synthesis,adsorption and dispersion of a dispersant based on starch for coal-water slurry[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2013,422(4):165-171.