不同分散劑及其復配對神華新疆煤成漿性影響研究

李 文 明

(神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引 言

目前，水煤漿氣化行業使用的分散劑主要包括萘系、木質素磺酸鈉和堿木素[6-9]，價格比約為3.5∶2∶1，三者在水煤漿制備過程中均起到一定的分散作用。其中，萘系是1種高效減水劑，其源于建筑行業水泥漿的制備，近年開始用于水煤漿的制備領域;萘系分子鏈骨架為剛性直鏈，帶有較多的磺酸基官能團，主要依靠靜電斥力作用于煤顆粒表面，隨著分子量的增大，其分散性能增強[10];木質素磺酸鈉和堿木素均為植物制漿造紙行業過程中產生的副產品，其中木質素磺酸鈉存在于亞硫酸鹽制漿法的廢液中，官能團主要為磺酸基；堿木素存在于燒堿法或硫酸鹽化學制漿法的廢液中，經強堿處理后，官能團主要為酚羥基、甲氧基和醇羥基等[11,12]。

神華新疆化工有限公司采用西門子GE水煤漿氣化工藝，規模為年產68萬t烯烴，氣化裝置耗煤量為340 t/h，使用6臺棒磨機磨煤，現制漿原料為黑山煤和紅沙泉煤。由于地理位置和氣候的因素制約，2種原料煤的配比會隨著季節的變化產生一定的波動。

為了確保氣化裝置的穩定運行與降低經濟成本，以下對萘系、木質素磺酸鈉和堿木素以及3種添加劑復配對神華新疆制漿用煤在不同配比條件下成漿性的影響進行研究和探討，最終得出神華新疆煤最優的分散劑添加方案。

1 實 驗

1.1 煤質分析

實驗用煤為黑山煤和紅沙泉煤，其工業分析、元素分析及可磨指數數據詳見表1。

表1 煤樣的工業分析和元素分析及可磨指數

由表1可知，黑山煤屬于特低灰、特低硫、高揮發分較難磨煤，紅沙泉煤屬于低灰、低硫高揮發分中等可磨煤。

1.2 實驗方法

1.2.1水煤漿制備

實驗采用干法制漿，1次制漿量為220 g。按照現場煤漿粒度分布，使用棒磨機將黑山煤和紅沙泉煤制得粒度合適的煤粉。根據設定濃度及分散劑比例計算出所需煤粉、水和分散劑的質量并混合，利用攪拌器在800 r/min條件下攪拌 6 min后制成水煤漿樣品。測定水煤漿樣品的濃度、黏度并觀察其流動性。水煤漿的粒度分布見表2。

綜上所述，在建構化學生成課堂時，有很多備選途徑，但根本宗旨是一樣的，那就是激活學生思維，并結合學生的思維進展推動生成，這也將保護學生思維的主動性和靈活性，有助于學生學習能力的提升.

表2 水煤漿的粒度分布(質量分數)

1.2.2吸附量測定

通過測量煤水界面的接觸角來研究煤表面的親水性[13]。接觸角用德國KRUSS光學接觸角測量儀來測量。可由軟件控制測量動、靜態接觸角并通過對液滴的外形分析，計算固體的表面自由能及液體的表面界面張力，通過抓取液滴在固體表面接觸的瞬間數碼照相來直接測量接觸角的大小。

1.2.3成漿性分析

氣化水煤漿成漿性分析包括煤漿的濃度、黏度和流動性[5]。

水煤漿流動性的測量方法有觀察法、數值法。觀察法可直觀描述漿體的流動狀態，受主觀影響較大;數值法的測量結果準確、易比對，直觀性較差，所以實驗中將2種測量方法配合使用。

(1)觀察法。根據漿體的流動特性，分為A、B、C、D四個等級。 A:流動連續，平滑不間斷;B:流動較連續，流體表面不光滑;C:借助外力才能流動;D:泥狀不成漿，不能流動。為了表示屬于某一等級范圍流動性的較小差別，分別用“+”號和“-”號加以區分，“+”號表示某一等級中流動性較好者;“-”號表示某一等級中流動性較差者。

(2)數值法。將水煤漿注滿標準截錐圓模(上口徑36 mm，下口徑60 mm，深度60 mm)，提升截錐圓模，在流動30 s后測定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑，并用最大直徑值來判斷水煤漿的流動性。

2 結果與討論

2.1 測定不同分散劑對煤表面的接觸角

采用接觸角測量儀，在分散劑溶液濃度的相同條件下，測定萘系、木質素磺酸鈉和堿木素3種分散劑對黑山煤和紅沙泉煤的表面接觸角，結果如圖1所示。

圖1 不同分散劑對煤顆粒表面的接觸角

接觸角是指在氣、液、固三相交界處，氣液界面的切線穿過液體與固液交界線之間的夾角，是潤濕度的計量方法。當液滴落在煤表面時，由于表面張力的作用，在煤表面迅速鋪展后停止，在停止時測量的接觸角表示液滴對煤的親和性。從圖1可看出，紅沙泉煤和黑山煤與水的接觸角分別為64.6°和83.6°;添加堿木素分散劑時，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為59.3°和75.8°;添加木質素磺酸鈉時，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為53.2°和61.3°;添加萘系時，紅山泉煤和黑山煤的接觸角為45.5°和50.4°。分散劑的加入可改變煤的親水性，使液滴與煤表面的接觸角變小，接觸角越小親水性越強，分散劑的分散效果越好。在使用不同分散劑時，黑山煤的接觸角均大于紅沙泉煤的接觸角，究其原因是由于煤的分子結構不同從而導致其親疏水性不同[14]。

2.2 不同分散劑對煤最高成漿濃度的影響

在分散劑的添加比例為0.4%(干基添加劑/干基煤)條件下，將萘系、木質素磺酸鈉和堿木素分別作為分散劑，使用黑山煤和紅沙泉煤制漿，測定制得煤漿的最高成漿濃度，以煤漿黏度小于1 000 mpa·s，流動性大于12 cm作為最高成漿濃度的評價標準，結果見表3。

表3 不同分散劑對黑山煤和紅沙泉煤最高成漿濃度的影響

在分散劑添加量相同條件下，分別以黑山煤和紅沙泉煤為原料制備水煤漿，使用不同分散劑制得水煤漿的最高成漿濃度不同，其中使用萘系作為分散劑時，黑山煤的最高成漿濃度為63.55%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為58.36%;使用木質素磺酸鈉作為分散劑時，黑山煤的最高成漿濃度為62.65%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為57.76%;使用堿木素作為分散劑時，黑山煤的最高成漿濃度為61.31%，紅沙泉煤的最高成漿濃度為56.39%。由此可以得出，對于神華新疆制漿用煤，3種分散劑的分散效果優劣次序為萘系、木質素磺酸鈉、堿木素。

2.3 分散劑添加量對煤最高成漿濃度的影響

使用萘系、木質素磺酸鈉和堿木素作為添加劑，在添加量從0.2%升至0.6%時，分別考察黑山煤和紅沙泉煤的最高成漿濃度，結果如圖2和圖3所示。

圖2 分散劑添加量對黑山煤成漿濃度影響

圖3 分散劑添加量對紅沙泉煤成漿濃度影響

從圖2和圖3可看出，當分散劑的添加量從0.2%升至0.4%時，黑山煤和紅山泉煤的最高成漿濃度提高了2個百分點，當分散劑的添加量從0.4%升至0.6%時，煤漿的最高成漿濃度變化不明顯，表明黑山煤和紅山泉煤分散劑的最佳用量為0.4%。

2.4 不同分散劑對混煤制備水煤漿的影響

將紅沙泉煤和黑山煤摻混制成混煤作為制漿原料，分散劑的添加量為0.4%，當紅沙泉煤所占比例為100%、80%、60%、40%、20%和0時，制得水煤漿的最高成漿濃度如圖4所示。

圖4 不同分散劑對黑山煤和紅沙泉煤摻混制得水煤漿最高濃度的影響

從圖4可知，隨著混煤中紅沙泉煤所占的比例降低，混煤的最高成漿濃度增大;紅沙泉煤的比例每降低20%，煤漿濃度提升約1個百分點。以煤漿的最高成漿濃度在59%以上為標準，使用萘系時，紅沙泉煤的最大摻混量為87%;使用木質素磺酸鈉時，紅沙泉的最大添加量為75%;使用堿木素時，紅沙泉煤的最大添加量為54%。由于紅沙泉煤的成漿性較差，紅沙泉煤的配比增加會導致混煤的最高成漿濃度降低。

2.5 分散劑復配對摻混制備水煤漿的影響

氣化工藝要求煤漿濃度在59%以上，結合圖4得到的不同添加劑對黑山和紅沙泉混煤制得水煤漿最高濃度的影響規律，綜合考慮氣化漿的質量要求和經濟性，試驗確定紅沙泉煤摻混比例為40%～80%時，萘系和木質素復配以及萘系和木質素磺酸鈉復配對混煤的最高成漿濃度影響，結果見表4和表5。

表4 萘系和堿木素復配對混煤成漿性影響

表5 萘系和木質素磺酸鈉復配對混煤成漿性影響

從表4可看出，萘系和堿木素的復配比例為5∶5、4∶6和3∶7時，紅沙泉煤在混煤中所占比例為40%和50%時，萘系和堿木素在3種配比情況下均可使混煤成漿濃度達59%以上;紅沙泉煤在混煤中所占比例為60%時，使用分散劑萘系和堿木素的配比為5∶5和4∶6，混煤成漿濃度可達59%以上;當紅沙泉在混煤中比例達到70%時，萘系和木質素在3種配比情況下，均無法使混煤成漿濃度達到59%。

從表5可看出，萘系和木質素磺酸鈉的復配比例為4∶6、3∶7和2∶8時，紅沙泉煤在混煤中所占比例分別為50%、60%和70%時，萘系和木質素磺酸鈉在3種配比情況下均可使混煤成漿濃度達59%以上;紅沙泉煤在混煤中所占比例為80%時，萘系和木質素磺酸鈉配比為4∶6時，混煤成漿濃度可達59%以上。

3 結 論

(1)煤與水的接觸角表示煤和水的親和性，接觸角越小親水性越強，水滴與煤的接觸角最大，木質素液滴的接觸角次之，萘系液滴的接觸角最小;將萘系、木質素磺酸鈉和堿木素分別作為分散劑，分別使用黑山煤和紅沙泉煤制漿，以煤漿黏度小于1 000 mpa·s、流動性大于12 cm為評價標準，水煤漿最高成漿濃度從大到小為萘系、木質素磺酸鈉、堿木素。從接觸角的測量結果和制漿試驗均表明萘系的分散效果優于木質素磺酸鈉，堿木素的分散效果為三者中最差。

(2)考慮到分散劑的使用效果及制漿成本，在達到最佳效果時，分散劑加入量越少越好，當分散劑的添加量從0.2%升至0.4%時，黑山煤和紅山泉煤的最高成漿濃度提高了2個百分點，當分散劑的添加量從0.4%升至0.6%時，煤漿的最高成漿濃度變化不明顯，分散劑的最佳添加量為0.4%。

(3)將紅沙泉煤和黑山煤混合后作為制漿原料，當紅沙泉煤所占比例從0升至100%時，隨著混煤中紅沙泉煤所占的比例升高，混煤的最高成漿濃度降低，紅沙泉煤的比例每升高20%，煤漿濃度降低約1個百分點;其主要原因為紅沙泉煤的最高成漿濃度比黑山煤的最高成漿濃度低5個百分點。

(4)萘系和木質素的復配比例為5∶5、4∶6和7∶3，紅沙泉煤占混煤比例為40%～70%時，混煤最高成漿濃度為58.41%～60.39%;萘系和木質素磺酸鈉的復配比例為4∶6、3∶7和2∶8，紅沙泉煤占混煤比例為50%～80%時，混煤最高成漿濃度為58.91%～60.45%。