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難以改變。但是傳統的使用方法具有灰渣多、污染大、運輸困難、燃燒發熱率不高等缺點。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、發電、工業窯爐等領域得到了廣發的應用；具有燃燒效率高、負荷調整便利、節能、減少環境污染、改善勞動條件等優點。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，環境污染小，具有極高的社會和經濟效益。

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、穩定劑和一些輔助化學藥劑（如消泡劑、PH調整劑、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、木質素系、聚烯烴系、丙烯酸系以及針對不同煤種而研制開發出相關的復配產品。

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，使水煤漿具有良好的流動性和穩定性。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，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。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。煤粒表面即使潤濕，其巨大的比表面積，在水中也很容易自發的彼此聚結，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展，向混亂度增大的方向發展，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 穩定劑與作用

水煤漿穩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，煤粒又很容易自發地彼此聚結，在重力或其他外力作用下，很容易發生沉淀。為阻止沉淀或形成不可恢復性硬沉淀，在水煤漿中加入穩定劑。使水煤漿粗粒懸浮體形成觸變體。即水煤漿靜置時產生結構化，具有高的剪切應力，應用時，一經外力作用，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。穩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。穩定劑的加入，能使已分散的固體顆粒相互交聯，形成空間結構，從而有效地阻止顆粒沉淀，防止固液分離?，F階段使用的水煤漿穩定劑主要有無機電解質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調整劑、防霉劑和促進劑等。它們在水煤漿生產過程中不是必需的。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，經攪拌會產生大量氣泡；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境為好，所以在制漿時，有時還需要加入pH調整劑用以調整煤漿的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)是實際生產企業的水煤漿顆粒級配分布情況。

表2 實際生產企業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，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展方向。

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