孟茁越,楊志遠(yuǎn),蔣 緒,王 瑩

(1.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院,陜西 咸陽 712000;2.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710054)

優(yōu)質(zhì)清潔能源的需求是適應(yīng)新常態(tài)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的基本前提,而潔凈煤技術(shù)是煤炭資源利用過程中實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的有力保障[1]。作為潔凈煤技術(shù)的重要分支,水煤漿技術(shù)對(duì)于減少燃煤帶來的環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)我國煤炭資源清潔和高效利用具有重要意義。水煤漿是由60%～70%的煤、30%～40%的水及約1%的添加劑制成的高濃度懸浮液,是基于19世紀(jì)70年代末石油危機(jī)而研發(fā)的一種節(jié)能、環(huán)保的代油燃料[2]。水煤漿兼有煤炭的物理性質(zhì)(灰分、水分、硫分和揮發(fā)分等)和流體的特性(黏度、穩(wěn)定性等),具有運(yùn)輸方便、碳轉(zhuǎn)化率高以及污染排放量低等優(yōu)勢(shì),作為潔凈代油燃料廣泛應(yīng)用于燃燒和氣化。

在工業(yè)應(yīng)用中,水煤漿應(yīng)具備良好的流變性、較高的穩(wěn)定性和漿體濃度。其中流變性對(duì)輸送過程中漿體的流動(dòng)能力、儲(chǔ)存期間的穩(wěn)定性以及漿體的可霧化性和可燃性具有重要影響。在水煤漿制備過程中,通常需要添加約1%的添加劑以確保水煤漿在高濃度下保持較低的黏度及優(yōu)良的穩(wěn)定性,防止?jié){體在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生硬沉淀,從而保證其流變性。開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的水煤漿添加劑對(duì)水煤漿技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。在此,作者對(duì)傳統(tǒng)水煤漿添加劑的主要特點(diǎn)進(jìn)行介紹,對(duì)污泥、工業(yè)廢水、生物質(zhì)等廢棄物作為環(huán)保型水煤漿添加劑的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,并對(duì)水煤漿添加劑未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 傳統(tǒng)水煤漿添加劑

傳統(tǒng)水煤漿添加劑根據(jù)其功能主要分為穩(wěn)定劑和分散劑2大類。此外,針對(duì)特殊漿體,有時(shí)也需要加入一些輔助添加劑,如在水質(zhì)較差的情況下,可以添加殺菌劑以抑制細(xì)菌生長;在漿體酸性較高時(shí),可以添加pH值調(diào)節(jié)劑以防止設(shè)備腐蝕。

1.1 水煤漿穩(wěn)定劑

水煤漿的穩(wěn)定性是指漿體在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中能較長時(shí)間保持物性均勻的能力,加入穩(wěn)定劑可有效防止水煤漿在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中發(fā)生煤粒沉淀。工業(yè)上,水煤漿穩(wěn)定劑大致可分為無機(jī)電解質(zhì)和有機(jī)高分子化合物2大類。無機(jī)電解質(zhì)穩(wěn)定劑主要是高價(jià)離子鹽類,其穩(wěn)定機(jī)理為:一方面壓縮雙電層,降低煤粒間的靜電排斥力,促進(jìn)顆粒凝結(jié);另一方面對(duì)已吸附陰離子表面活性劑分子的煤粒起到“搭橋”作用,在煤粒和穩(wěn)定劑之間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而起到穩(wěn)定作用。有機(jī)高分子化合物可以在漿體中通過共價(jià)鍵在煤粒間形成架橋結(jié)構(gòu),以達(dá)到穩(wěn)定的目的,如極性基團(tuán)較多、相對(duì)分子質(zhì)量大的黃原膠、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素(CMC)等化合物。

Boylu等[3]研究發(fā)現(xiàn),CMC能有效改善水煤漿穩(wěn)定性,同時(shí)一些表面為疏水性質(zhì)的無機(jī)礦物質(zhì)也能阻止煤粒沉降,從而起到穩(wěn)定作用。姚彬等[4]詳細(xì)闡述了水煤漿穩(wěn)定劑的研究現(xiàn)狀。Das等[5]將合成的2類表面活性劑與從水果中提取的天然表面活性劑混合作為水煤漿穩(wěn)定劑,研究了不同混合比對(duì)水煤漿性能的影響。Xu等[6]采用不同工藝制備了2種新型無機(jī)納米顆粒作為水煤漿穩(wěn)定劑,發(fā)現(xiàn)2種無機(jī)納米顆粒按一定比例復(fù)配得到的復(fù)合無機(jī)納米穩(wěn)定劑較傳統(tǒng)的CMC更具優(yōu)勢(shì)。

1.2 水煤漿分散劑

分散劑是水煤漿制備過程中不可或缺的添加劑,其分散性能對(duì)漿體的成漿性能起著至關(guān)重要的作用。工業(yè)中使用的分散劑主要分為陽離子型、陰離子型和非離子型,其中陰離子型分散劑的價(jià)格最低、性價(jià)比高,應(yīng)用最為普遍[7]。

針對(duì)不同水煤漿分散劑的特點(diǎn),國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作,包括分散劑復(fù)配、分散劑改性及新型高效分散劑的開發(fā)等,并取得了一定成果。孟獻(xiàn)梁等[8]考察了木質(zhì)素磺酸鈉-萘磺酸鈉復(fù)配分散劑對(duì)3種不同煤化程度煤樣成漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加復(fù)配分散劑可以明顯改善高階煤的成漿性能。Zhu等[9]設(shè)計(jì)了一種梳狀長側(cè)鏈聚羧酸鹽聚合物(LcPC)作為水煤漿分散劑,評(píng)價(jià)了其對(duì)神府煤成漿性能的影響,并進(jìn)一步探討了成漿機(jī)理,發(fā)現(xiàn)聚合物L(fēng)cPC的分散性能取決于其吸附密度和吸附層厚度,主鏈與側(cè)鏈長度比適中的LcPC可作為低階煤制漿的高效分散劑。Li等[10]探究了改性木質(zhì)素系分散劑和萘系分散劑對(duì)水煤漿穩(wěn)定性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加改性木質(zhì)素系分散劑的水煤漿的穩(wěn)定性更好。Zhang等[11]采用接枝共聚法合成了一種具有水母狀三維結(jié)構(gòu)的新型水煤漿分散劑TAA,發(fā)現(xiàn)與商用分散劑十二烷基硫酸鈉(SDS)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)相比,TAA表現(xiàn)出優(yōu)異的制漿性能,TAA用量為0.3%時(shí)制備的高濃度水煤漿具有良好的穩(wěn)定性和流變性。

2 環(huán)保型水煤漿添加劑

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,環(huán)保型水煤漿添加劑受到越來越多的關(guān)注?；趶U物資源化的技術(shù)路線,研究者們利用含油污泥、城市污水、工業(yè)廢水、生物質(zhì)等社會(huì)發(fā)展所產(chǎn)生的廢棄物作為環(huán)保型水煤漿添加劑來替代高污染、高成本的傳統(tǒng)水煤漿添加劑。

2.1 環(huán)保型水煤漿添加劑對(duì)漿體成漿性能的影響

2.1.1 污泥類水煤漿添加劑

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市和工業(yè)污泥不斷增加,污泥處理迫在眉睫。研究者們利用污泥顆粒粒徑小及有一定發(fā)熱量的特性,將污泥和煤粉混合制備水煤漿,以實(shí)現(xiàn)污泥的無害化、資源化利用。張大松等[12]以添加1%降黏劑的含油污泥作為水煤漿添加劑,可以顯著降低漿體的表觀黏度。Wang等[13]針對(duì)混摻城市污泥制備水煤漿做了大量研究工作,發(fā)現(xiàn)污泥種類、添加量和溫度等都是影響污泥水煤漿成漿性能的關(guān)鍵因素。Feng等[14]以煤制油過程中產(chǎn)生的污泥作為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)當(dāng)其加量為煤基的10%～15%時(shí),能夠有效改善污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性。He等[15]分別使用2種污泥制備污泥水煤漿,通過比較混摻污泥對(duì)污泥水煤漿最大固體濃度、黏度、流變性和穩(wěn)定性的影響,得到了適宜的污泥配比。馬少蓮等[16-17]研究了城市污泥混摻量對(duì)污泥水煤漿成漿性能的影響,并使用NaOH對(duì)污泥進(jìn)行改性處理,所得改性污泥水煤漿的最大固體濃度較傳統(tǒng)水煤漿增加了3.27%。Zhang等[18]以難處理的煤化工污泥為研究對(duì)象,分別與3種不同煤種混合制備污泥水煤漿,發(fā)現(xiàn)污泥的加入有助于提高漿體的穩(wěn)定性和流變性?；鞊轿勰嘀苽渌簼{不僅可以回收污泥中的熱值,同時(shí)可以有效解決污泥對(duì)環(huán)境的污染問題。

2.1.2 工業(yè)廢水類水煤漿添加劑

工業(yè)廢水如造紙黑液、精制棉廢水、竹漿廢水及焦化廢水等成分復(fù)雜、降解難度大且處理成本高,給人類帶來了嚴(yán)重危害。研究者們通過大量研究發(fā)現(xiàn),將工業(yè)廢水作為添加劑制備水煤漿加以回收利用,可以實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。自20世紀(jì)末,我國廢水制漿技術(shù)開始發(fā)展,蘇適等[19]利用有機(jī)廢水制備廢水水煤漿,可作為工業(yè)鍋爐的代用燃料。周德悟等[20]以4種工業(yè)黑液作為新汶、大屯煤制水煤漿添加劑,并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究了4種工業(yè)黑液對(duì)水煤漿成漿性能的影響。此外,煤氣化廢水[21]、焦化廢水[22]、印染廢水[23]以及竹漿黑液[24]等有機(jī)廢水也被用于制備廢水水煤漿并提高了漿體性能。Liu等[25]研究了有機(jī)廢水中金屬離子對(duì)水煤漿成漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)有機(jī)廢水中的Cu2+能夠降低水煤漿的表觀黏度,Fe3+的存在可以提高水煤漿的穩(wěn)定性。Wang等[26]分別以煤氣化廢水、二沉池廢水與煤共混制備廢水水煤漿,結(jié)果表明,2種廢水的加入均可以提高水煤漿的穩(wěn)定性。Zhou等[27]使用經(jīng)化學(xué)處理的造紙黑液作為水煤漿分散劑進(jìn)行制漿,發(fā)現(xiàn)造紙黑液具有與萘系分散劑類似或更好的分散性能。

2.1.3 生物質(zhì)類水煤漿添加劑

生物質(zhì)廢棄物作為一種環(huán)保型添加劑用于水煤漿的制備逐漸受到關(guān)注。孫平等[28]將生豬養(yǎng)殖廢棄物與煤共混制備生物質(zhì)水煤漿,發(fā)現(xiàn)制備的生物質(zhì)水煤漿具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性,且隨著生豬養(yǎng)殖廢棄物添加量的增加,生物質(zhì)水煤漿的穩(wěn)定性提高。吳樂等[29]以神府煤為制漿原料,通過混摻水葫蘆制備環(huán)保型水煤漿,發(fā)現(xiàn)水葫蘆中大量的纖維素大分子及親水基團(tuán)可以顯著提高漿體穩(wěn)定性,使水煤漿出現(xiàn)硬沉淀的時(shí)間由原來的2 h延長至60 h。周志軍等[30]將農(nóng)業(yè)廢棄物水稻秸稈烘干磨成粉末后,與煤粉混摻制備生物質(zhì)水煤漿,并通過流變性和穩(wěn)定性等測(cè)試證實(shí)了混摻水稻秸稈制備生物質(zhì)水煤漿的可行性。翟會(huì)會(huì)等[31]通過球磨機(jī)對(duì)水葫蘆進(jìn)行預(yù)處理,并將其與神府煤混合制備水葫蘆煤漿,進(jìn)一步研究了球磨時(shí)間對(duì)水葫蘆煤漿成漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)延長球磨時(shí)間, 其成漿性能增強(qiáng)。臧卓異等[32]通過低溫炭化對(duì)麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理后,與貧瘦煤混摻制備了麥秸稈水煤漿,發(fā)現(xiàn)低溫炭化有利于提高麥秸稈水煤漿的成漿性能;隨著麥秸稈添加量的增加,水煤漿的流變性變差,但穩(wěn)定性提高。Li等[33]針對(duì)有害藻華頻發(fā)的現(xiàn)狀,提出了一種藻類資源利用的新方法,將藻類預(yù)處理后制備了新型生物質(zhì)水煤漿,其氣化反應(yīng)活性優(yōu)于傳統(tǒng)水煤漿,且靜置70 h后無沉淀生成。

2.2 環(huán)保型水煤漿添加劑對(duì)漿體燃燒性能的影響

Zhao等[34]研究了污泥水煤漿在商業(yè)循環(huán)流化床焚燒爐中燃燒的可行性,通過比較混摻污泥前、后漿料燃燒過程中煙氣中無機(jī)和有機(jī)污染物的排放特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥加量為20%～30%時(shí),燃燒時(shí)排出的煙氣量符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)。Vershinina等[35]探究了生物質(zhì)添加劑對(duì)燃燒性能的影響,發(fā)現(xiàn)秸稈、向日葵等植物廢料可以有效縮短水煤漿燃料的延遲點(diǎn)火時(shí)間、降低最低點(diǎn)火溫度。向軼等[36]指出黑液中的Na+、K+對(duì)黑液水煤漿的燃燒過程具有催化作用,可以降低煤樣高溫燃燒區(qū)的表觀活化能,加快燃燒反應(yīng)速率。Li等[37]利用廢水制備了廢水水煤漿,并研究了其成漿性能、流變性和穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)廢水的加入有利于水煤漿的泵送及霧化,廢水水煤漿在氣化過程中產(chǎn)生的H2含量高于傳統(tǒng)水煤漿,同時(shí)碳轉(zhuǎn)化率提高0.45%,證實(shí)了廢水水煤漿的工業(yè)應(yīng)用前景。

上述研究表明,利用污泥、廢水及生物質(zhì)等制備水煤漿對(duì)提高水煤漿成漿性能及燃燒性能具有促進(jìn)作用,可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化回收利用,同時(shí)符合可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式,具有重要的環(huán)保意義。

3 結(jié)語

面對(duì)日趨嚴(yán)峻的石油供求形式和國際油價(jià)變動(dòng)的不確定性,煤代油技術(shù)已成為我國能源領(lǐng)域的重要研究方向之一。水煤漿技術(shù)的發(fā)展對(duì)于優(yōu)化煤炭企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、減少燃煤帶來的環(huán)境污染問題具有重要意義。

隨著我國潔凈煤技術(shù)的發(fā)展,水煤漿制備逐漸產(chǎn)業(yè)化,但由于我國煤炭資源分布的地域差異以及煤炭資源的不可再生性,適宜制漿的煤炭資源日趨緊張,導(dǎo)致水煤漿的制漿成本不斷增加,因此研發(fā)新的制漿原料成為了當(dāng)務(wù)之急。由于水煤漿添加劑對(duì)制漿成本的影響僅次于制漿原料,并且直接決定漿體的質(zhì)量和特性,因此,新型、高效、價(jià)廉、環(huán)保的水煤漿添加劑有待開發(fā)。制漿過程中煤、添加劑和水分子之間的微觀相互作用機(jī)理是深入研究成漿機(jī)理、有針對(duì)性地研發(fā)新型分散劑的關(guān)鍵因素,而體系內(nèi)物質(zhì)之間的微觀作用機(jī)理并不能完全通過實(shí)驗(yàn)方法來研究,借助計(jì)算機(jī)分子模擬手段從微觀層面揭示添加劑作用規(guī)律從而指導(dǎo)新型添加劑開發(fā)將會(huì)成為今后煤炭表面特性研究、水煤漿添加劑研發(fā)的新趨勢(shì)。