不同分散剂及其复配对神华新疆煤成浆性影响研究

李 文 明

(神华新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400)

0 引 言

目前，水煤浆气化行业使用的分散剂主要包括萘系、木质素磺酸钠和碱木素[6-9]，价格比约为3.5∶2∶1，三者在水煤浆制备过程中均起到一定的分散作用。其中，萘系是1种高效减水剂，其源于建筑行业水泥浆的制备，近年开始用于水煤浆的制备领域;萘系分子链骨架为刚性直链，带有较多的磺酸基官能团，主要依靠静电斥力作用于煤颗粒表面，随着分子量的增大，其分散性能增强[10];木质素磺酸钠和碱木素均为植物制浆造纸行业过程中产生的副产品，其中木质素磺酸钠存在于亚硫酸盐制浆法的废液中，官能团主要为磺酸基；碱木素存在于烧碱法或硫酸盐化学制浆法的废液中，经强碱处理后，官能团主要为酚羟基、甲氧基和醇羟基等[11,12]。

神华新疆化工有限公司采用西门子GE水煤浆气化工艺，规模为年产68万t烯烃，气化装置耗煤量为340 t/h，使用6台棒磨机磨煤，现制浆原料为黑山煤和红沙泉煤。由于地理位置和气候的因素制约，2种原料煤的配比会随着季节的变化产生一定的波动。

为了确保气化装置的稳定运行与降低经济成本，以下对萘系、木质素磺酸钠和碱木素以及3种添加剂复配对神华新疆制浆用煤在不同配比条件下成浆性的影响进行研究和探讨，最终得出神华新疆煤最优的分散剂添加方案。

1 实 验

1.1 煤质分析

实验用煤为黑山煤和红沙泉煤，其工业分析、元素分析及可磨指数数据详见表1。

表1 煤样的工业分析和元素分析及可磨指数

由表1可知，黑山煤属于特低灰、特低硫、高挥发分较难磨煤，红沙泉煤属于低灰、低硫高挥发分中等可磨煤。

1.2 实验方法

1.2.1水煤浆制备

实验采用干法制浆，1次制浆量为220 g。按照现场煤浆粒度分布，使用棒磨机将黑山煤和红沙泉煤制得粒度合适的煤粉。根据设定浓度及分散剂比例计算出所需煤粉、水和分散剂的质量并混合，利用搅拌器在800 r/min条件下搅拌 6 min后制成水煤浆样品。测定水煤浆样品的浓度、黏度并观察其流动性。水煤浆的粒度分布见表2。

综上所述，在建构化学生成课堂时，有很多备选途径，但根本宗旨是一样的，那就是激活学生思维，并结合学生的思维进展推动生成，这也将保护学生思维的主动性和灵活性，有助于学生学习能力的提升.

表2 水煤浆的粒度分布(质量分数)

1.2.2吸附量测定

通过测量煤水界面的接触角来研究煤表面的亲水性[13]。接触角用德国KRUSS光学接触角测量仪来测量。可由软件控制测量动、静态接触角并通过对液滴的外形分析，计算固体的表面自由能及液体的表面界面张力，通过抓取液滴在固体表面接触的瞬间数码照相来直接测量接触角的大小。

1.2.3成浆性分析

气化水煤浆成浆性分析包括煤浆的浓度、黏度和流动性[5]。

水煤浆流动性的测量方法有观察法、数值法。观察法可直观描述浆体的流动状态，受主观影响较大;数值法的测量结果准确、易比对，直观性较差，所以实验中将2种测量方法配合使用。

(1)观察法。根据浆体的流动特性，分为A、B、C、D四个等级。 A:流动连续，平滑不间断;B:流动较连续，流体表面不光滑;C:借助外力才能流动;D:泥状不成浆，不能流动。为了表示属于某一等级范围流动性的较小差别，分别用“+”号和“-”号加以区分，“+”号表示某一等级中流动性较好者;“-”号表示某一等级中流动性较差者。

(2)数值法。将水煤浆注满标准截锥圆模(上口径36 mm，下口径60 mm，深度60 mm)，提升截锥圆模，在流动30 s后测定水煤浆在玻璃平面上自由流淌的最大直径，并用最大直径值来判断水煤浆的流动性。

2 结果与讨论

2.1 测定不同分散剂对煤表面的接触角

采用接触角测量仪，在分散剂溶液浓度的相同条件下，测定萘系、木质素磺酸钠和碱木素3种分散剂对黑山煤和红沙泉煤的表面接触角，结果如图1所示。

图1 不同分散剂对煤颗粒表面的接触角

接触角是指在气、液、固三相交界处，气液界面的切线穿过液体与固液交界线之间的夹角，是润湿度的计量方法。当液滴落在煤表面时，由于表面张力的作用，在煤表面迅速铺展后停止，在停止时测量的接触角表示液滴对煤的亲和性。从图1可看出，红沙泉煤和黑山煤与水的接触角分别为64.6°和83.6°;添加碱木素分散剂时，红山泉煤和黑山煤的接触角为59.3°和75.8°;添加木质素磺酸钠时，红山泉煤和黑山煤的接触角为53.2°和61.3°;添加萘系时，红山泉煤和黑山煤的接触角为45.5°和50.4°。分散剂的加入可改变煤的亲水性，使液滴与煤表面的接触角变小，接触角越小亲水性越强，分散剂的分散效果越好。在使用不同分散剂时，黑山煤的接触角均大于红沙泉煤的接触角，究其原因是由于煤的分子结构不同从而导致其亲疏水性不同[14]。

2.2 不同分散剂对煤最高成浆浓度的影响

在分散剂的添加比例为0.4%(干基添加剂/干基煤)条件下，将萘系、木质素磺酸钠和碱木素分别作为分散剂，使用黑山煤和红沙泉煤制浆，测定制得煤浆的最高成浆浓度，以煤浆黏度小于1 000 mpa·s，流动性大于12 cm作为最高成浆浓度的评价标准，结果见表3。

表3 不同分散剂对黑山煤和红沙泉煤最高成浆浓度的影响

在分散剂添加量相同条件下，分别以黑山煤和红沙泉煤为原料制备水煤浆，使用不同分散剂制得水煤浆的最高成浆浓度不同，其中使用萘系作为分散剂时，黑山煤的最高成浆浓度为63.55%，红沙泉煤的最高成浆浓度为58.36%;使用木质素磺酸钠作为分散剂时，黑山煤的最高成浆浓度为62.65%，红沙泉煤的最高成浆浓度为57.76%;使用碱木素作为分散剂时，黑山煤的最高成浆浓度为61.31%，红沙泉煤的最高成浆浓度为56.39%。由此可以得出，对于神华新疆制浆用煤，3种分散剂的分散效果优劣次序为萘系、木质素磺酸钠、碱木素。

2.3 分散剂添加量对煤最高成浆浓度的影响

使用萘系、木质素磺酸钠和碱木素作为添加剂，在添加量从0.2%升至0.6%时，分别考察黑山煤和红沙泉煤的最高成浆浓度，结果如图2和图3所示。

图2 分散剂添加量对黑山煤成浆浓度影响

图3 分散剂添加量对红沙泉煤成浆浓度影响

从图2和图3可看出，当分散剂的添加量从0.2%升至0.4%时，黑山煤和红山泉煤的最高成浆浓度提高了2个百分点，当分散剂的添加量从0.4%升至0.6%时，煤浆的最高成浆浓度变化不明显，表明黑山煤和红山泉煤分散剂的最佳用量为0.4%。

2.4 不同分散剂对混煤制备水煤浆的影响

将红沙泉煤和黑山煤掺混制成混煤作为制浆原料，分散剂的添加量为0.4%，当红沙泉煤所占比例为100%、80%、60%、40%、20%和0时，制得水煤浆的最高成浆浓度如图4所示。

图4 不同分散剂对黑山煤和红沙泉煤掺混制得水煤浆最高浓度的影响

从图4可知，随着混煤中红沙泉煤所占的比例降低，混煤的最高成浆浓度增大;红沙泉煤的比例每降低20%，煤浆浓度提升约1个百分点。以煤浆的最高成浆浓度在59%以上为标准，使用萘系时，红沙泉煤的最大掺混量为87%;使用木质素磺酸钠时，红沙泉的最大添加量为75%;使用碱木素时，红沙泉煤的最大添加量为54%。由于红沙泉煤的成浆性较差，红沙泉煤的配比增加会导致混煤的最高成浆浓度降低。

2.5 分散剂复配对掺混制备水煤浆的影响

气化工艺要求煤浆浓度在59%以上，结合图4得到的不同添加剂对黑山和红沙泉混煤制得水煤浆最高浓度的影响规律，综合考虑气化浆的质量要求和经济性，试验确定红沙泉煤掺混比例为40%～80%时，萘系和木质素复配以及萘系和木质素磺酸钠复配对混煤的最高成浆浓度影响，结果见表4和表5。

表4 萘系和碱木素复配对混煤成浆性影响

表5 萘系和木质素磺酸钠复配对混煤成浆性影响

从表4可看出，萘系和碱木素的复配比例为5∶5、4∶6和3∶7时，红沙泉煤在混煤中所占比例为40%和50%时，萘系和碱木素在3种配比情况下均可使混煤成浆浓度达59%以上;红沙泉煤在混煤中所占比例为60%时，使用分散剂萘系和碱木素的配比为5∶5和4∶6，混煤成浆浓度可达59%以上;当红沙泉在混煤中比例达到70%时，萘系和木质素在3种配比情况下，均无法使混煤成浆浓度达到59%。

从表5可看出，萘系和木质素磺酸钠的复配比例为4∶6、3∶7和2∶8时，红沙泉煤在混煤中所占比例分别为50%、60%和70%时，萘系和木质素磺酸钠在3种配比情况下均可使混煤成浆浓度达59%以上;红沙泉煤在混煤中所占比例为80%时，萘系和木质素磺酸钠配比为4∶6时，混煤成浆浓度可达59%以上。

3 结 论

(1)煤与水的接触角表示煤和水的亲和性，接触角越小亲水性越强，水滴与煤的接触角最大，木质素液滴的接触角次之，萘系液滴的接触角最小;将萘系、木质素磺酸钠和碱木素分别作为分散剂，分别使用黑山煤和红沙泉煤制浆，以煤浆黏度小于1 000 mpa·s、流动性大于12 cm为评价标准，水煤浆最高成浆浓度从大到小为萘系、木质素磺酸钠、碱木素。从接触角的测量结果和制浆试验均表明萘系的分散效果优于木质素磺酸钠，碱木素的分散效果为三者中最差。

(2)考虑到分散剂的使用效果及制浆成本，在达到最佳效果时，分散剂加入量越少越好，当分散剂的添加量从0.2%升至0.4%时，黑山煤和红山泉煤的最高成浆浓度提高了2个百分点，当分散剂的添加量从0.4%升至0.6%时，煤浆的最高成浆浓度变化不明显，分散剂的最佳添加量为0.4%。

(3)将红沙泉煤和黑山煤混合后作为制浆原料，当红沙泉煤所占比例从0升至100%时，随着混煤中红沙泉煤所占的比例升高，混煤的最高成浆浓度降低，红沙泉煤的比例每升高20%，煤浆浓度降低约1个百分点;其主要原因为红沙泉煤的最高成浆浓度比黑山煤的最高成浆浓度低5个百分点。

(4)萘系和木质素的复配比例为5∶5、4∶6和7∶3，红沙泉煤占混煤比例为40%～70%时，混煤最高成浆浓度为58.41%～60.39%;萘系和木质素磺酸钠的复配比例为4∶6、3∶7和2∶8，红沙泉煤占混煤比例为50%～80%时，混煤最高成浆浓度为58.91%～60.45%。