水煤浆添加剂的作用机理研究

刘保民

(宁夏川能化工有限公司，宁夏 银川750002)

0 引言

中国是一个缺油、少气、煤炭资源相对丰富的国家。煤炭资源在中国能源消费中占70%左右，作为一次能源占主导地位的状况在相当长的时期内难以改变。但是传统的使用方法具有灰渣多、污染大、运输困难、燃烧发热率不高等缺点。水煤浆技术的应用就是针对这一缺点对煤炭资源进行深度加工、合理利用的重大改革。水煤浆是一种经济、洁净、可替代石油和天然气的液体燃料和化工原料，代替油和燃气在供热、化工合成气、发电、工业窑炉等领域得到了广发的应用；具有燃烧效率高、负荷调整便利、节能、减少环境污染、改善劳动条件等优点。其最重要的是减少了二氧化硫和粉煤灰的排放量，避免了酸雨的形成，环境污染小，具有极高的社会和经济效益。

1 水煤浆添加剂的分类与作用

1.1 水煤浆添加剂的分类

水煤浆添加剂，按其功能不同可分为分散剂、稳定剂和一些辅助化学药剂（如消泡剂、PH调整剂、防霉剂、表面活性剂及表面促进剂等多种）。其中分散剂最为重要。

1.2 分散剂

水煤浆分散剂按照溶于水后的解离程度，可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型（即当溶液呈碱性时显示阴离子特性；成酸性时显示阳离子特性）。它们之间的市场价格比通常为1：3：2：4。出于经济性因素考虑，制备水煤浆时，在保证技术可行的前提下，目前国内外研制及筛选出的水煤浆分散剂主要为阴离子型和非离子型。其中主要有萘系、腐植酸系、木质素系、聚烯烃系、丙烯酸系以及针对不同煤种而研制开发出相关的复配产品。

1.3 分散剂的作用

水煤浆在制备过程中，分散剂能使煤的颗粒均匀的分散在水中，可以改变煤粒的表面性质，使水煤浆具有良好的流动性和稳定性。具体有以下三方面的作用。

1.3.1 可以提高煤颗粒表面的亲水性

煤炭的主体是有机质，它是结构十分复杂的大分子碳氢化合物，其表面具有强烈的疏水性，不易为水所润湿。水是一种强极性溶剂，煤不溶于水。水煤浆不是化学意义上的溶液，而是通过分散剂等添加剂的作用，将煤粒均匀分散在水相中形成的一种悬浊液。煤碳的润湿性按水在煤表面的接触角大小可将煤划分为四类。接触角为0的为强亲水性煤；接触角小于40度的为弱亲水性煤；接触角为40---90度的为疏水性煤；接触角为大于90度的为强疏水性煤。各种煤炭表面的接触角如表1所示。

表1 煤炭表面的接触角

从表1可以看出，各种煤炭的表面均属疏水性质。另外水的表面张力大，而煤炭表面张力小，只有降低水的表面张力，增大煤炭表面张力，即减少固液间的界面张力，才能达到充分润湿。煤粒表面即使润湿，其巨大的比表面积，在水中也很容易自发的彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。水煤浆分散剂则是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两部分构成。分散剂分子通过其疏水基与煤粒表面结合，以亲水基朝水的定向排列方式，把水分子吸附在煤粒表面，使煤粒表面由疏水转化为亲水，形成水化膜，有效降低水的表面张力和提高煤粒表面的张力，并将煤粒隔开，阻止煤粒间相互聚集而沉淀。

1.3.2 可以增强煤粒间的静电斥力

著名的DVLO理论认为，胶体颗粒稳定分散的先决条件是粒间的静电斥力超过粒间的范德华引力。煤粒本身是中性粒子，吸附离子型分散剂以后，各煤粒表面即带有相同电荷，成为带电粒子，煤粒之间就会产生静电排斥力，当这种斥力大于范德华引力时，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 空间隔离位组效应

制备水煤浆时使用的分散剂为有机大分子时，被吸附分子有很长的亲水链，在煤表面形成三维水化膜。水化膜中的水与体系中的“自由水”不同，它因受到表面的吸引力而定向排列。当颗粒相互靠近时，水化膜受到挤压变形，引力则力图恢复原来的定向，这样就使水化膜表现出一定的弹性，使煤粒均匀分散，且颗粒表面的分散剂有一定的厚度，当两个带吸附层的颗粒相互重叠时，由于吸附层分散剂分子运动的自由度受到阻碍，吸附的熵减少，因为体系的熵总是朝着增加方向发展，向混乱度增大的方向发展，即熵增大原理，所以相互重叠的颗粒有再次分开的倾向，因此分散剂在煤粒表面形成的水化膜能够避免煤粒的聚集沉淀。这就是分散剂的隔离位组效应或立体障碍。

总之，高效水煤浆分散剂的特点是有效的吸附在煤表面，提高煤的亲水性，并能在煤表面形成双电层和立体障碍。

1.4 稳定剂与作用

水煤浆稳定性是指煤浆在储存与运输期间能够保持均匀的特性。由于水煤浆毕竟是一种固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结，在重力或其他外力作用下，很容易发生沉淀。为阻止沉淀或形成不可恢复性硬沉淀，在水煤浆中加入稳定剂。使水煤浆粗粒悬浮体形成触变体。即水煤浆静置时产生结构化，具有高的剪切应力，应用时，一经外力作用，粘度能迅速降低，有良好的流动性，再静置时又能恢复原来的结构状态。稳定剂是那些具有使水煤浆中，已分散的煤粒能与周围其他煤粒及水结合成一种较弱，但又有一定强度的三维空间结构作用的化学试剂。稳定剂的加入，能使已分散的固体颗粒相互交联，形成空间结构，从而有效地阻止颗粒沉淀，防止固液分离。现阶段使用的水煤浆稳定剂主要有无机电解质和高分子化合物两类。如各种可溶性盐类、高分子表面活性剂、纤维素、聚丙烯酸盐以及一些胶体粒子（如有机膨润土）等。

1.5 其他辅助添加剂

水煤浆使用的其他辅助化学试剂有：消泡剂、表面活性剂、PH调整剂、防霉剂和促进剂等。它们在水煤浆生产过程中不是必需的。它们的使用与煤和制浆用添加剂有很大的关系。如制浆用煤为浮选精煤，其表面残留起泡剂较多时，经搅拌会产生大量气泡；再如制浆时使用的非离子型添加剂，它们同时也是很好的起泡剂。水煤浆中含有过多的气泡，会大大影响其流动性。此时需要添加消泡剂，以消除其影响。对于有些难成浆的煤来说，制浆过程中还要加一些表面活性剂，用来改变煤粒表面特性，以增强其成浆性。另外，水煤浆添加剂的作用还与溶液的酸碱度有关，制浆时以弱碱性溶液环境为好，所以在制浆时，有时还需要加入pH调整剂用以调整煤浆的pH值。防霉剂则是为了防止一些有机类添加剂在长期存放时，受细菌分解失效而添加的一种杀菌剂。促进剂是针对一些难成浆煤种使用的，在改善水煤浆性能方面，具有降低粘度、提高稳定性、改变流变特性、增强剪切应力的作用。

2 水煤浆的级配技术

在水煤浆的制作过程中，首先一步是把矿煤经破碎、研磨成细度不同的煤粉与水和少量的添加剂充分混合在一起。而对煤的颗粒细度组成要求要有较高的堆积效率，堆积空隙最小。颗粒间的空隙被较小颗粒填充；小颗粒间的空隙又被更小颗粒而填充。以此减少煤粉颗粒间空隙的水量，提高水煤浆的浓度，改善水煤浆的流动性。所以要制的较高浓度的水煤浆，首先要研究和掌握煤粉的级配技术。表2(a)、表2(b)是实际生产企业的水煤浆颗粒级配分布情况。

表2 实际生产企业的水煤浆颗粒级配分布情况

以上两种煤粉的颗粒分布均能满足水煤浆的制备工艺要求。

3 不同的煤种需复配不同的水煤浆添加剂

我国地域辽阔，煤矿资源分布较为广阔。煤炭资源的组成千差万别，C、H、S、P、O2等含量各不相同；其煤的灰分、水分、挥发份、固定碳含量也不尽相同。即使是同一座煤矿其不同的矿井或是不同的工作面，开采出来的煤碳其组成也有差别。有些煤按一定的煤粉颗粒级配很容易成浆；有些煤则不然，即成浆性能较差。实践证明，无论煤的成浆性能好坏一般都必须找到适合该煤种制浆的添加剂。这是由于水煤浆的普适性有限，有限种类的添加剂不可能适用于所有煤种，对于不同煤种来说，添加剂之间同样存在匹配性，用于水煤浆制备的专用添加剂一般都是以复配的形式出现，而这种匹配性会直接影响水煤浆的性能。

4 结束语

总之，实践要求我们针对特定的煤种，经过实验、研究来选配不同的添加剂，采用复配的方法，寻找最适合的添加剂，从而提高水煤浆的浓度；降低粘度；提高其稳定性；降低水煤浆添加剂总的用量。这将是我们今后研究水煤浆添加剂的发展方向。

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