劉保民

(寧夏川能化工有限公司，寧夏 銀川750002)

0 引言

中國(guó)是一個(gè)缺油、少氣、煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家。煤炭資源在中國(guó)能源消費(fèi)中占70%左右，作為一次能源占主導(dǎo)地位的狀況在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)難以改變。但是傳統(tǒng)的使用方法具有灰渣多、污染大、運(yùn)輸困難、燃燒發(fā)熱率不高等缺點(diǎn)。水煤漿技術(shù)的應(yīng)用就是針對(duì)這一缺點(diǎn)對(duì)煤炭資源進(jìn)行深度加工、合理利用的重大改革。水煤漿是一種經(jīng)濟(jì)、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?xì)庠诠?、化工合成氣、發(fā)電、工業(yè)窯爐等領(lǐng)域得到了廣發(fā)的應(yīng)用；具有燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)整便利、節(jié)能、減少環(huán)境污染、改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)。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(huán)境污染小，具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(wěn)定劑和一些輔助化學(xué)藥劑（如消泡劑、PH調(diào)整劑、防霉劑、表面活性劑及表面促進(jìn)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(yáng)離子型、非離子型和兩性型（即當(dāng)溶液呈堿性時(shí)顯示陰離子特性；成酸性時(shí)顯示陽(yáng)離子特性）。它們之間的市場(chǎng)價(jià)格比通常為1：3：2：4。出于經(jīng)濟(jì)性因素考慮，制備水煤漿時(shí)，在保證技術(shù)可行的前提下，目前國(guó)內(nèi)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(zhì)素系、聚烯烴系、丙烯酸系以及針對(duì)不同煤種而研制開發(fā)出相關(guān)的復(fù)配產(chǎn)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(zhì)，使水煤漿具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)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(jī)質(zhì)，它是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的大分子碳?xì)浠衔?，其表面具有?qiáng)烈的疏水性，不易為水所潤(rùn)濕。水是一種強(qiáng)極性溶劑，煤不溶于水。水煤漿不是化學(xué)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(rùn)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(qiáng)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(qiáng)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(zhì)。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(dá)到充分潤(rùn)濕。煤粒表面即使?jié)櫇瘢渚薮蟮谋缺砻娣e，在水中也很容易自發(fā)的彼此聚結(jié)，這就使煤粒與水不能密切結(jié)合成一種漿體，在較高濃度時(shí)只會(huì)形成一種濕的泥團(tuán)。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(gòu)成。分散劑分子通過其疏水基與煤粒表面結(jié)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(zhuǎn)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(qiáng)煤粒間的靜電斥力

著名的DVLO理論認(rèn)為，膠體顆粒穩(wěn)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(huì)產(chǎn)生靜電排斥力，當(dāng)這種斥力大于范德華引力時(shí)，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(yīng)

制備水煤漿時(shí)使用的分散劑為有機(jī)大分子時(shí)，被吸附分子有很長(zhǎng)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(dāng)顆粒相互靠近時(shí)，水化膜受到擠壓變形，引力則力圖恢復(fù)原來的定向，這樣就使水化膜表現(xiàn)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(dāng)兩個(gè)帶吸附層的顆粒相互重疊時(shí)，由于吸附層分散劑分子運(yùn)動(dòng)的自由度受到阻礙，吸附的熵減少，因?yàn)轶w系的熵總是朝著增加方向發(fā)展，向混亂度增大的方向發(fā)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(yīng)或立體障礙。

總之，高效水煤漿分散劑的特點(diǎn)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(wěn)定劑與作用

水煤漿穩(wěn)定性是指煤漿在儲(chǔ)存與運(yùn)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(fā)地彼此聚結(jié)，在重力或其他外力作用下，很容易發(fā)生沉淀。為阻止沉淀或形成不可恢復(fù)性硬沉淀，在水煤漿中加入穩(wěn)定劑。使水煤漿粗粒懸浮體形成觸變體。即水煤漿靜置時(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化，具有高的剪切應(yīng)力，應(yīng)用時(shí)，一經(jīng)外力作用，粘度能迅速降低，有良好的流動(dòng)性，再靜置時(shí)又能恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。穩(wěn)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(jié)合成一種較弱，但又有一定強(qiáng)度的三維空間結(jié)構(gòu)作用的化學(xué)試劑。穩(wěn)定劑的加入，能使已分散的固體顆粒相互交聯(lián)，形成空間結(jié)構(gòu)，從而有效地阻止顆粒沉淀，防止固液分離?，F(xiàn)階段使用的水煤漿穩(wěn)定劑主要有無(wú)機(jī)電解質(zhì)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(jī)膨潤(rùn)土）等。

1.5 其他輔助添加劑

水煤漿使用的其他輔助化學(xué)試劑有：消泡劑、表面活性劑、PH調(diào)整劑、防霉劑和促進(jìn)劑等。它們?cè)谒簼{生產(chǎn)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(guān)系。如制漿用煤為浮選精煤，其表面殘留起泡劑較多時(shí)，經(jīng)攪拌會(huì)產(chǎn)生大量氣泡；再如制漿時(shí)使用的非離子型添加劑，它們同時(shí)也是很好的起泡劑。水煤漿中含有過多的氣泡，會(huì)大大影響其流動(dòng)性。此時(shí)需要添加消泡劑，以消除其影響。對(duì)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(qiáng)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(guān)，制漿時(shí)以弱堿性溶液環(huán)境為好，所以在制漿時(shí)，有時(shí)還需要加入pH調(diào)整劑用以調(diào)整煤漿的pH值。防霉劑則是為了防止一些有機(jī)類添加劑在長(zhǎng)期存放時(shí)，受細(xì)菌分解失效而添加的一種殺菌劑。促進(jìn)劑是針對(duì)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(wěn)定性、改變流變特性、增強(qiáng)剪切應(yīng)力的作用。

2 水煤漿的級(jí)配技術(shù)

在水煤漿的制作過程中，首先一步是把礦煤經(jīng)破碎、研磨成細(xì)度不同的煤粉與水和少量的添加劑充分混合在一起。而對(duì)煤的顆粒細(xì)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(dòng)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(jí)配技術(shù)。表2(a)、表2(b)是實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的水煤漿顆粒級(jí)配分布情況。

表2 實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的水煤漿顆粒級(jí)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(fù)配不同的水煤漿添加劑

我國(guó)地域遼闊，煤礦資源分布較為廣闊。煤炭資源的組成千差萬(wàn)別，C、H、S、P、O2等含量各不相同；其煤的灰分、水分、揮發(fā)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(jí)配很容易成漿；有些煤則不然，即成漿性能較差。實(shí)踐證明，無(wú)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(duì)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(fù)配的形式出現(xiàn)，而這種匹配性會(huì)直接影響水煤漿的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，實(shí)踐要求我們針對(duì)特定的煤種，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)、研究來選配不同的添加劑，采用復(fù)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(wěn)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(fā)展方向。

［1］劉曉霞,屈睿,黃文紅,等.水煤漿添加劑的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2008(01).

［2］王利珍,楊祥生,陳榮榮,等.水煤漿穩(wěn)定性影響因素的研究進(jìn)展[J].煤化工,2007(06).

［3］王曉春,吳國(guó)光,王共遠(yuǎn).水煤漿添加劑及其研究進(jìn)展[J].煤化工,2004(06).

［4］郝愛民,李善祥.大同煤水煤漿穩(wěn)定性的研究[J].煤炭加工與綜合利用,1996(03).