楊國輝

(大型煤氣化及煤基新材料國家工程研究中心，山東 滕州 277527)

水煤漿是一種非均相、非牛頓型流體，由煤粉、水、添加劑混合而成，是煤潔凈利用的重要部分。煤的制漿性能受到多種因素影響，如煤的變質(zhì)程度、煤的表面親水特性、煤的孔隙度、煤中的礦物質(zhì)成分等[1-4]。隨著優(yōu)質(zhì)煤種的逐漸減少，目前，多采用低變質(zhì)程度的煤制備水煤漿，普遍出現(xiàn)煤漿濃度較低、穩(wěn)定性較差等情況。

低變質(zhì)程度的煤種由于煤的氧/碳比較高，孔隙度發(fā)達，可自由流動的水較少，因此制備的煤漿濃度偏低。部分煤種由于煤質(zhì)的原因，存在煤漿流態(tài)較差的情況，即煤漿穩(wěn)定性較差。煤種成漿濃度低，通過適量增加添加劑用量的方法來提高煤漿濃度，但添加劑的用量過高會導致煤漿流態(tài)變差，穩(wěn)定性得不到保障，影響煤漿在管道中的輸送[5-10]。

1 水煤漿流變性能簡介

煤漿屬于典型的非均相固液混合物，其中煤漿的流變性能反應其穩(wěn)定性。煤漿的形態(tài)分為賓漢塑性體、脹塑性體、假塑性體等多種非牛頓型流體。煤漿在低剪切速率條件下，保持較高的粘度，有利于煤漿的穩(wěn)定性，確保維持一段時間不分層。在高剪切速率條件下，保持較低的粘度，有利于煤漿的流動性及霧化，避免因粘度高導致跑漿等情況的發(fā)生。煤漿在不同剪切速率條件下(通常指10～100 s-1區(qū)間)，其粘度區(qū)間分布不宜過窄，否則會導致煤漿穩(wěn)定性變差，嚴重時出現(xiàn)硬沉淀，影響煤漿的穩(wěn)定輸送。

通常情況，剪切速率10 s-1條件下煤漿粘度應在700 mPa·s以上，剪切速率100 s-1條件下，煤漿粘度大于380 mPa·s。10～100 s-1的區(qū)間粘度值應相差300 mPa·s以上，否則影響煤漿的穩(wěn)定性，容易導致煤漿分層，煤漿的流變性能同時受到煤粉粒度級配、煤顆粒的表面特性、添加劑種類及用量等多種因素的影響。

2 水煤漿流變特性機理

水煤漿屬于復雜的多相懸浮體系，施加剪切應力產(chǎn)生的速率梯度受到其物理結構變化的影響，反過來其物理結構又會因剪切作用而引起變化，因此水煤漿的流變特性呈現(xiàn)多樣性[11-12]。

從目前的研究看，水煤漿涵蓋了牛頓流體和幾乎各種類型的非牛頓流體。煤水混合物流變機理對于流變特性與物質(zhì)結構主要表現(xiàn)為：無論是靜止還是剪切狀態(tài)，一部分水用來浸潤煤粉顆粒表面，并形成一層被顆粒表面吸附而不能參與流動的薄液體層；在漿體受到剪切作用后，顆粒間原有的空間網(wǎng)狀結構遭到破壞并在高剪切速率條件下形成沿剪切方向的層狀顆粒排列，即煤粉顆粒排列由隨機的排列結構狀態(tài)向沿剪切方向的層狀有序結構狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其排列有序狀態(tài)與施加的剪切應力有關；在有序排列的煤粉層中，顆粒與顆粒間的水分不參與剪切流動；在受到剪切作用并達到穩(wěn)定狀態(tài)時，剪切變形主要發(fā)生在有規(guī)律排列的煤粉顆粒層與層之間的水層中，而煤粉顆粒層上吸附的水分變形很小。由于具有較高的固含量、相對較小的煤粉顆粒以及添加劑的加入使得煤粉顆粒與水緊密結合形成網(wǎng)狀結構，多數(shù)水煤漿表現(xiàn)出典型的非牛頓型流體特性。水煤漿的非牛頓流體特性通常具有如下特點：非單項性，即流變特性要用多個參數(shù)來表示；非單值性，粘度隨著剪切速率發(fā)生變化；非可逆性，粘度與剪切作用持續(xù)的時間有關，即表現(xiàn)出一定的觸變性[13-14]。多數(shù)工業(yè)用水煤漿存在屈服應力，在低剪切速率和高剪切速率條件下，均呈現(xiàn)牛頓流體特性，在中等剪切速率條件下呈現(xiàn)剪切稀化特性，只有極少數(shù)呈現(xiàn)脹流性流體特性[15]。

3 水煤漿流變特性影響因素

影響水煤漿流變特性的因素主要有煤種煤質(zhì)及其理化特性、水煤漿的濃度、水煤漿的粒度分布情況、添加劑的種類及用量。以上影響因素對水煤漿的漿態(tài)影響較大，工業(yè)應用中影響煤漿的儲存、輸送及霧化等。

3.1 煤種煤質(zhì)的影響

從煤的碳、氫、氧、氮等元素分析，O/C值對煤的成漿性影響最大，比值越大，成漿性越差。極性官能團含量越高，表面電性越強，從而減弱了煤表面對陰離子添加劑的吸附，成漿性較差。低變質(zhì)程度的煤主要結構單元為苯環(huán)、萘環(huán)、菲環(huán)等，中等煤化程度的煤主要結構有菲環(huán)、蒽環(huán)和芘環(huán)。低變質(zhì)程度的煤內(nèi)水含量較高，比表面積也相對較高，因而比高變質(zhì)程度的煤成漿性差。

內(nèi)蒙古地區(qū)煤樣(SLWS)變質(zhì)程度較低，在工業(yè)煤漿制備中遇到的主要問題在于其煤漿流變特性較差，不同剪切速率條件下煤漿的粘度區(qū)間窄，析水率較高，影響煤漿的儲存及輸送。

采用添加劑S-1、S-2對煤樣SLWS進行制漿試驗，濃度可達到57%。用漏斗法測定煤漿流動性，分別為0.56 mL/s、0.61 mL/s，但煤漿的穩(wěn)定性較差，在量筒中靜止24 h，析水率達8.31%、9.26%。使用NXS-4C型水煤漿粘度計，測量水煤漿在不同剪切速率下的粘度，測試結果見表1和圖1。

表1 煤樣SLWS粘度測試結果

圖1 不同添加劑時煤漿粘度隨剪切速率的變化趨勢

由以上圖表得出：采用添加劑S-1、S-2對煤樣SLWS進行制漿試驗，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間均較窄，分別為563～296.7 mPa·s及559～280.1 mPa·s。煤漿粘度區(qū)間較窄，且100 s-1條件下煤漿粘度較低，均小于300 mPa·s，導致煤漿不穩(wěn)定，容易發(fā)生分層沉淀，堵塞煤漿輸送管道，影響正常生產(chǎn)運行。

根據(jù)以上情況，采用配煤的方法來改善煤漿穩(wěn)定性。采用SLWS與內(nèi)蒙YPH煤樣配煤，SLWS與YPH的比例為2∶1、1∶1、1∶2。在煤漿濃度57%的條件下，采用添加劑S-1對以上比例的混煤進行制漿試驗，粘度結果見表2和圖2。

圖2 不同配煤比例時煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢

表2 混煤粘度測試結果

由以上圖表得出：SLWS與YPH煤樣不同比例混配后，采用添加劑S-1開展制漿試驗，隨著YPH煤樣比例的增加，煤漿粘度區(qū)間明顯變大。其中，SLWS與YPH煤樣1∶2混配后，10～100 s-1剪切速率條件下，煤漿粘度區(qū)間范圍較為合理(811～420.4 mPa·s)，且剪切速率100 s-1條件下煤漿粘度大于380 mPa·s，相對比較適中(420.5 mPa·s)。SLWS與YPH煤樣2∶1、1∶1、1∶2混配后，靜止24 h，煤漿析水率分別為7.33%、6.20%、4.17%，1∶2混配后煤漿析水率低于5.0%，其穩(wěn)定性良好。

3.2 煤漿粒度配比的影響

煤漿粒度的配比情況對流變特性影響較大，從而影響煤漿的穩(wěn)定性，主要為析水率偏高。以下從榆林某甲醇廠氣化車間三臺磨煤機(1號、2號、3號)制備煤漿的粒度情況分析，具體粒度數(shù)據(jù)見表3。

表3 三臺磨機煤漿粒度分布情況

榆林某甲醇廠氣化車間三臺磨煤機(1號、2號、3號)制備煤漿粘度見表4和圖3。由圖表得出：1號、2號磨機磨制煤粉粒度較為合理，小于200目的煤粉比例約44%，3號磨機制漿小于200目的煤粉比例約38%，大顆粒煤粉相對較多。

圖3 煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢(三臺磨機)

表4 三臺磨機取樣煤漿粘度測試結果

現(xiàn)場煤漿析水率、粘度測試結果顯示：1號、2號磨機煤漿靜止24 h析水率均小于5.0%，分別為3.62%、3.77%。3號磨機生產(chǎn)的煤漿粘度區(qū)間較窄(647～351.2 mPa·s)，靜止24 h析水率7.79%，出現(xiàn)少量硬沉淀，煤漿穩(wěn)定性較差，影響煤漿在管道中的穩(wěn)定輸送。

由此可見，小于200目煤粉比例在40%～50%之間較為合理。煤粉小于200目的比例低于40%，會影響煤漿的流變特性，析水率偏高，其穩(wěn)定性偏差，影響煤漿輸送的穩(wěn)定運行。

3.3 添加劑的影響

添加劑對煤漿穩(wěn)定性影響較大，不同煤種適用的添加劑不同，單一的添加劑難以滿足所有煤種對制漿的要求。尤其是陜蒙地區(qū)難制漿的煤種，煤質(zhì)較差，煤種制漿濃度偏低。采用常規(guī)木質(zhì)素等為主的添加劑時，通過增加添加劑用量的方法，提高煤漿濃度作用不明顯，且煤漿穩(wěn)定性較差。在實際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)帶漿、跑漿的問題，造成生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。通過木質(zhì)素、萘系、聚烯烴磺酸鹽、聚氧乙烯醚等進行復配，復配后的添加劑制漿濃度得到提高，且煤漿穩(wěn)定性較好，煤漿流變特性得到改善。

以內(nèi)蒙古地區(qū)ZLW煤樣為例，采用木質(zhì)素等常規(guī)添加劑(代號A11)進行制漿，其煤漿濃度較低(約54%)，增加添加劑用量至煤基的0.35%，煤漿濃度提升不明顯(約55%)，且工業(yè)應用中出現(xiàn)跑漿、帶漿的情況，煤漿穩(wěn)定性較差。更換以木質(zhì)素、萘系、聚烯烴磺酸鹽、聚氧乙烯醚等復配后的添加劑(代號B02)后，制漿濃度提升至56.5%，且煤漿流變特性較好，穩(wěn)定性適中。

測試結果具體見表5。

表5 煤樣ZLW粘度測試結果

由圖4和表5得出：采用常規(guī)添加劑A11、復配添加劑B02對煤樣ZLW進行制漿試驗。常規(guī)添加劑A11在用量增加后，制漿濃度55%的條件下，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間均較窄，為602～311.1 mPa·s，煤漿粘度區(qū)間較窄，且100 s-1條件下煤漿粘度偏低，為311.1 mPa·s，煤漿靜止24 h出現(xiàn)大量軟沉淀，析水率測試結果偏高，為5.66%，煤漿穩(wěn)定性偏差，容易發(fā)生分層沉淀，堵塞煤漿輸送管道，影響生產(chǎn)的正常運行。

圖4 煤漿粘度隨剪切速率變化趨勢(不同添加劑)

根據(jù)以上情況，采用復配添加劑來改善煤漿流變特性及穩(wěn)定性。采用B02復配添加劑，制漿濃度提升至56.5%。煤漿流變特性得到改善，不同剪切速率條件下(10～100 s-1)，煤漿粘度區(qū)間為829～403.2 mPa·s，煤漿粘度區(qū)間較為合理，且100 s-1條件下煤漿粘度比較適中(403.2 mPa·s)，煤漿靜止24 h僅出現(xiàn)少量軟沉淀，測試析水率為3.91%，穩(wěn)定性明顯得到改善。

4 結 語

(1)影響水煤漿流變特性的因素很多，主要有煤種煤質(zhì)、煤粉粒度級配、添加劑的適配性等因素。

(2)針對陜蒙地區(qū)有些煤種煤質(zhì)較差的情況，通過尋找合適的煤種，摸索合適的配煤比例，其流變特性可得到改善，煤種制漿穩(wěn)定性得到提高。

(3)煤粉粒度級配是影響水煤漿流變特性的因素之一，小于200目的煤粉比例在40%～50%之間，同等制漿條件下，水煤漿流變特性比較適中。

(4)添加劑的適配性也是重要影響因素，尤其是一些煤種煤質(zhì)較差的難制漿煤種，通過優(yōu)選性能較好的添加劑，煤種制漿后的流變特性可得到改善，穩(wěn)定性得到提高，從而保證水煤漿在煤漿管道中的穩(wěn)定輸送。