超净煤燃液的制备技术研究

杨国辉，李 磊，尹洪清，王振华

(兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东滕州 277527)

目前，煤炭的大规模开发利用带来了生态环境破坏和污染物排放等问题，对可持续发展和人身健康构成了严重的影响[1-3]。研究表明，燃煤污染物是导致雾霾的重要因素之一。生态环境的日益恶化对我国能源生产和消费结构将会产生倒逼机制，煤炭洁净利用技术的推广和应用必将受到高度重视[4]。《大气污染防治行动计划》等的出台，对环保的要求日益严格，煤炭的洁净化利用面临巨大压力和挑战[5-8]。为了大力推进生态文明建设，推动能源生产和消费革命，确保国家能源安全，煤炭作为我国的主要能源，煤炭洁净化利用是实现能源生产和消费革命的重要内容，是实现区域生态文明建设的重要举措。

虽然我国煤炭洁净利用发展迅速，超超临界发电技术广泛应用于发电领域，多种新型煤气化技术应用在煤炭转化领域，大型煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烃等装置已进入工业示范阶段。我国已掌握多项煤炭洁净利用核心技术，实现部分替代石油。但煤炭洁净利用整体水平不高，发展受到技术、政策和资金的限制[9]，而超洁净煤及微粉化超洁净煤燃液为煤炭高效、清洁利用提供了新途径，具有较高的经济、社会和环保效益[10]。

超洁净煤是灰分质量分数不超过1%的洁净煤，是以洗精煤为原料，通过化学清洗、分离和过滤生产制得。微粉化超洁净煤是超净煤经过微粉化处理生产制得，其粒径特别小，一般小于10 μm[11-13]。微粉化超净煤燃液(以下简称燃液)是超净煤经过微粉化处理并与水和添加剂按一定比例混合成的浆体，外观与原油相似，可替代柴油燃料用于直喷式燃煤发动机，应用于柴油机发电和运输行业，为煤炭高效、清洁利用提供了一种新途径，是提高我国能源利用效率、减少环境污染的重要途径之一[14-17]。

以实验室化学法制备的超洁净煤为原料，选择合适的制备设备和工艺，调整筛选及优化添加剂[18-21]，制备出平均粒径为7 μm左右、质量分数为50%、黏度约500 mPa·s的超净煤燃液。

1 试验原料

超洁净煤：以山东和陕西地区的4种原煤经化学方法处理，干基灰分质量分数分别为0.88%、0.79%、0.95%、0.85%。

添加剂：聚氧乙烯系非离子添加剂，相对分子质量为4 000～12 000；煤焦油系分散剂；脂肪族系分散剂，相对分子质量为8 000～30 000。

2 试验方法及步骤

超净煤燃液制备所需的主要设备为行星式球磨机，超净煤燃液分析测试所用的仪器主要为水煤浆黏度计、激光粒度仪等。

试验称取定量的超洁净煤，按一定比例将超洁净煤、水与添加剂加入行星式球磨机内，控制转速制备超净煤燃液。水与超洁净煤同比例加入，实验室制备后经过滤装置制得成品燃液。实验室燃液制备流程示意见图1。

图1 实验室燃液制备流程示意

参照气化水煤浆和锅炉燃用水煤浆性质分析方法，对超净煤燃液进行性质分析。其中，超净煤燃液黏度是影响浆体储存、运输及雾化喷燃性能的重要因素。燃液稳定性是指在运输和储存过程中，可保持其物性均匀的一种性质，超净煤燃液为满足存放、运输等应用需要，应严格控制其水分的析出，稳定保持7 d。

按照GB/T 18856.2—2002测试燃液浓度，按照GB/T 18856.4—2002测定超净煤燃液黏度。燃液粒度分布是影响其流变性、稳定性及燃烧性的重要因素，粒径的测定采用GB/T 19077.1—2008粒度分析-激光衍射法。燃液流动性测试采用漏斗法：使用120 mL长颈漏斗测定，根据燃液流经漏斗的时间来计算流动速率，以此判断燃液流动性。稳定性测定：一定量均匀的燃液试样置于容器中，在规定的条件下静置7 d，以软、硬沉淀评价燃液的稳定性。

3 试验结果分析

3.1 粒度结果分析

采用行星式球磨机制备超净煤燃液，根据球磨机相关参数及试验探索，选择合适粒度的磨球和填充比例来制备超净煤燃液。试验设定在球磨机转速900 r/min的条件下，控制磨制时间分别为10 min、15 min、20 min、25 min、30 min，对超净煤燃液进行粒度测试。燃液平均粒径与磨制时间的关系见图2。

图2 燃液平均粒径与磨制时间的关系

由图2可知：以山东及陕西地区原煤制备的的4种超洁净煤(XL、BD、JJT、SLWS)为原料，选定磨球填量及粒度级配，球磨机转速900 r/min的条件下，以上4种超净煤的磨制时间为30 min，超净煤燃液的平均粒径约7 μm，可作为内燃机、燃气透平的燃料，具有污染低、燃烧效率高等优点。

3.2 添加剂的筛选

添加剂可改善煤表面的疏水性，其用量对超净煤燃液的黏度、稳定性影响较大。因超净煤燃液对灰分要求较高，在进行相关试验时，应优先考虑使用非离子添加剂，其核心是在超净煤燃液黏度、浓度、稳定性适中的前提下，筛选出较优的添加剂并确定其用量。

3.2.1 非离子添加剂的筛选

以山东及陕西地区超净煤XL、JJT为原料，其灰分质量分数均小于1.0%，设定超净煤燃液质量分数为50%，研究非离子添加剂RJF、SEW、YGC、JSS、TW对超净煤燃液性能的影响，结果见表1、表2及图3、图4(非离子添加剂用量为0.2%～2.5%)。因为超净煤燃液静态稳定性需要观察7 d 浆体的状态，表中只列出静置5 d、6 d、7 d后超净煤燃液的浆体状态。

由表1可知：超洁净煤XL燃液在质量分数50%的条件下，非离子SEW添加剂制备燃液稳定性最好，静置7 d后仅出现部分软沉淀。由于非离子添加剂SEW和超净煤XL表面的极性区域存在着以氢键相结合的有利条件，除了以疏水基亲煤、亲水基朝水的正向吸附外，还存在着反吸附和多层吸附，因此，超洁净煤XL燃液稳定性良好。

表1 非离子添加剂对XL超净煤燃液稳定性的影响

表2 非离子添加剂对JJT超净煤燃液稳定性的影响

由表2可知：超洁净煤JJT燃液在质量分数50%的条件下，非离子SEW添加剂制备燃液稳定性最好，静置7 d后仅出现部分软沉淀，稳定性良好。

对于超洁净煤XL、JJT燃液，非离子添加剂SEW制备灰分质量分数小于1.0%的超净煤燃液，稳定性较优。

图3 非离子添加剂对XL超净煤燃液黏度的影响

图4 非离子添加剂对JJT超净煤燃液黏度的影响

由图3、图4可知：在燃液质量分数50%的条件下，随着非离子RJF、SEW添加剂用量的增加，超洁净煤XL、JJT燃液的黏度均逐渐降低。当添加剂用量超过2.0%时，超洁净煤XL、JJT燃液的黏度降低不明显，主要是由于当煤的表面达到饱和吸附后，增加添加剂达不到分散的效果。

相比以上其他非离子添加剂，SEW添加剂亲水性相对较强，使煤粒子能均匀分散到水溶液中，可以形成稳定的体系，但用量仍较高。超洁净煤XL、JJT燃液的黏度适中，即在剪切速率100 s-1、黏度500 mPa·s的条件下，SEW添加剂的用量较高，分别为2.0%、2.5%。由此说明，由于超净煤灰分含量极低，其质量分数小于1.0%；在制备过程中，超净煤表面可能改性，非离子添加剂制备超净煤燃液，降低黏度的效果不明显，且价格较高，以下考虑离子添加剂对超净煤燃液的影响。

3.2.2 离子添加剂的筛选

以超净煤XL、JJT为原料，设定燃液质量分数为50%，研究离子添加剂MJY、NX、JXT、ZFZ等对超净煤燃液性能的影响，结果见表3、表4、图5、图6(离子添加剂用量为0.2%～1.2%)，表中只列出静置5 d、6 d、7 d后超净煤燃液的浆体状态。

表3 离子添加剂对XL超净煤燃液稳定性的影响

由表3可知：在XL超净煤燃液质量分数50%的条件下，MJY、JXT等离子添加剂制备超洁净煤XL燃液，静置6 d后出现少量硬沉淀，7 d后出现硬沉淀，稳定性均较差。主要是由于超净煤XL灰分含量极低，以上离子添加剂极性较强，超净煤燃液疏松结构遭到破坏，不能维持稳定结构性能，则产生硬沉淀。

表4 离子添加剂对JJT超净煤燃液稳定性的影响

由表4可知：在JJT超净煤燃液质量分数50%的条件下，MJY、NX等离子添加剂制备超洁净煤JJT燃液，静置6 d后出现少量硬沉淀或大量软沉淀，7 d后出现硬沉淀，稳定性均较差。由此说明，以上离子添加剂对维持超净煤燃液结构的稳定性效果较差。

由图5、图6可知：超净煤XL、JJT燃液质量分数为50%时，其黏度适中，即在剪切速率100 s-1、黏度500 mPa·s的条件下，JXT添加剂对燃液降低黏度的效果相对较好，其用量约为0.5%，主要是由于JXT相对分子质量约15 000，亲水基团及亲煤基团比例适中，且磺酸基可有效改善煤表面的亲水效果，减少煤颗粒间的阻力，对低灰煤制浆分散效果较好。MJY添加剂相对分子质量较高，NX、ZFZ添加剂相对分子质量较低，与超净煤XL、JJT匹配性较差，故其用量稍高，分别为1.0%、0.8%、1.2%。

图5 离子添加剂对XL超净煤燃液黏度的影响

图6 离子添加剂对JJT超净煤燃液黏度的影响

以上离子型添加剂制备XL、JJT超净煤燃液，稳定性均较差。因此，考虑使用复配添加剂制备超净煤燃液。

3.3 添加剂的复配

非离子添加剂经过筛选，SEW制备XL、JJT超净煤燃液，稳定性相对较优；离子添加剂JXT分散降低黏度的效果较好，用量较低，但稳定性较差。因此，考虑使用JXT与非离子SEW添加剂复配，制备XL、JJT超洁净煤燃液，其质量分数均为50%。JXT添加剂用量为0.5%，非离子SEW添加剂用量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，则形成配方1、配方2、配方3、配方4，其试验结果见表5、表6及图7。

表5 不同配方添加剂对XL超净煤燃液稳定性的影响

由表5可知：添加剂配方2制备XL超净煤燃液，在燃液质量分数50%的条件下，其稳定性良好，静置7 d后仅出现部分软沉淀。其余3种配方添加剂静置7 d后出现大量软沉淀或少量硬沉淀，这说明配方2的JXT与非离子SEW添加剂5∶4复配，协同作用效果较好，XL超净煤燃液浆体状态良好，稳定性优良。配方1非离子SEW添加剂占的比例较低，疏水基团的比例相对较低，不能很好地吸附在煤粒表面，从而使亲水基团悬浮在溶液中，空间位阻效应增大，浆体状态较差，稳定性较差。配方3、配方4非离子SEW添加剂比例较高，疏水基团比例较高，与聚烯烃磺酸盐JXT的协同作用较差，故浆体稳定性较差。

表6 不同配方添加剂对超净煤燃液JJT稳定性的影响

由表6可知：添加剂配方2制备JJT燃液，在燃液质量分数50%的条件下，其稳定性良好，静置7 d后仅出现部分软沉淀。其余3种配方添加剂静置7 d后出现大量软沉淀或少量硬沉淀。由此说明，JXT与非离子SEW添加剂5∶4复配，协同作用效果较好，XL、JJT超净煤燃液浆体状态良好，稳定性优良。

图7 不同配方添加剂对XL、JJT超净煤燃液黏度的影响

由图7可知：添加剂配方2、配方3、配方4制备超净煤XL、JJT燃液，在燃液质量分数50%的条件下，燃液黏度适中，即在剪切速率100 s-1时黏度小于500 mPa·s，燃液流动性良好，主要是由于聚烯烃磺酸盐与非离子SEW添加剂产生协同效应，降低黏度的效果良好。

复配添加剂中JXT与非离子SEW添加剂最佳协同复配比5∶4，制备XL、JJT超净煤燃液不仅黏度适中，而且稳定性良好。

4 结语

以超净煤XL、JJT、水、复合添加剂为原料，设定球磨机相关参数，在球磨机转速900 r/min、磨制时间30 min的条件下，制备的超净煤燃液平均粒径在7 μm左右。

在XL、JJT超净煤燃液质量分数50%的条件下，通过添加剂的筛选与优化，引入聚烯烃磺酸盐并与非离子添加剂复配，复配添加剂中聚烯烃磺酸盐JXT与非离子SEW添加剂最佳协同复配比5∶4，在剪切速率100 s-1时黏度约500 mPa·s，稳定性适中，静置7 d后仅出现部分软沉淀，可替代柴油燃料用于直喷式燃煤发动机，是减少环境污染的重要途径之一。

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