正交设计在水煤浆添加剂配方研究中的应用

李巧云 肖林久

摘      要： 针对水煤浆制备过程中难以确定适宜添加剂配方的问题，将正交设计试验应用于水煤浆添加剂组分及配比的研究。以抚顺老虎台水洗精煤制备60%水煤浆为例，进行正交设计试验确定添加剂配方。结果表明，在水煤浆添加剂确定中应用正交设计试验是一种非常有效的方法，可以通过较少试验次数，得到性能优异的水煤浆添加剂配方。

关  键  词：水煤浆;正交设计;分散剂

中图分类号：TQ 536       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）03-0593-04

Application of Orthogonal Design in the Study of

Additive Formulation of Coal Water Slurry

LI Qiao-yun， XIAO Lin-jiu^*

（Key Laboratory of Rare Earth Chemistry and Application of Liaoning Province， Liaoning Shenyang 110142， China）

Abstract： In order to solve the problem that it was difficult to determine the appropriate additive formulation in the preparation of coal water slurry， orthogonal design test was applied to the study of additive composition and proportion of coal water slurry. Taking the preparation of 60% coal water slurry from Fushun Laohutai cleaned coal as an example， the additive formula was determined by orthogonal design test. The results showed that the orthogonal design test was a very effective method in the determination of coal water slurry additives， and the formula of coal water slurry additives with excellent performance could be obtained by less test times.

Key words： coal water slurry; orthogonal design; dispersant

水煤漿是由60%左右的煤、40%左右的水和少量添加剂组成的一种新型、高效的煤基清洁燃料和气化原料^[1]。将煤炭从传统的固体燃料通过物理方法转化为一种流体燃料，具有良好的流动性和稳定性。使其可以像重油一样长距离泵送、管输、船载和雾化燃烧的煤炭产品。常用于工业炉窑、电站锅炉和工业锅炉^[2，3]，在冶金、化工、石油、发电、建材、轻工、工业取暖、节能减排和城市供热等领域有着很好的应用前景^[4-6]。

水煤浆中的煤炭粒度较细，具有较高的比表面积，且煤炭是不容易被水润湿的疏水性物质，容易产生煤水分离的现象。在制备水煤浆的过程中需要添加适宜的添加剂来改变煤粒的表面性质，促进煤粒在水介质中的稳定分散。水煤浆添加剂种类和用量的不同，制浆效果会有较大差别^[7-9]。工业上经常需要投入大量时间进行试验来研究确定适合所用煤质的添加剂^[10，11]。将正交设计试验的优化方法应用于水煤浆添加剂的研究，可以提高试验效率，避免盲目性实验，通过有限的试验次数得到性能优异的水煤浆添加剂配方。

1  实验部分

1.1  试剂与仪器

试剂：试验煤样为抚顺老虎台水洗精煤;奈系磺酸盐，浙江开盛化工有限公司;木质素磺酸盐，济南青玉元新材料有限公司;聚羧酸，辽宁科隆精细化工股份有限公司;氢氧化钠，国药集团化学试剂有限公司;阿拉伯胶，湖北恒景瑞化工有限公司;聚丙烯酰胺，国药集团化学试剂有限公司。

仪器：QM-5型实验滚筒球磨机，长沙天创粉末技术有限公司;BSR24S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司;DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏实验设备有限公司;NXS-4C型水煤浆黏度计，成都仪器厂。

1.2  水煤浆的制备

水煤浆的制备采用湿法制浆工艺^[12]，所用煤样为粒径小于3 mm的抚顺老虎台水洗精煤，制浆总量为300 g。设定水煤浆浓度为60%，研究考察的添加剂用量为煤干基的0.6%，其計算方法如下。

水煤浆浓度= ×100%    （1）

式中：m₁—除去内水后的干煤质量，g;

m₂—煤的质量，g;

m₃—水的质量，g;

m₄—添加剂质量，g。

根据设定的水煤浆浓度和添加剂用量计算煤粉、水和添加剂的用量。将添加剂放入烧杯中加水溶解，搅拌均匀后，将煤粉、水和添加剂放入球磨机中，以300 r/min的条件下研磨一定时间，得到水煤浆成品。

1.3  水煤浆的性能检测

采用测定析水率方式评价水煤浆稳定性。将制备的水煤浆混合均匀，并缓慢倒入50 mL量筒中，倒入过程中尽量使水煤浆不要粘在量筒内壁上。根据设定的水煤浆浓度计算量筒内水煤浆水分总质量。将量筒密闭放置7 d后，用胶头滴管取出量筒内析出的水并测量水的质量，其析水率计算方法如下。

析水率，% = ×100%        （2）

式中：m₁—水煤浆放置密闭容器7 d后上层清液质量，g;

m₂—水煤浆原有水分总质量，g。

在温度为25 ℃时，采用NXS-4C型水煤浆黏度计测定剪切速率为100 s^-1时水煤浆的表观黏度，以水煤浆的表观黏度评价水煤浆流变性^[13]。

2  实验结果与分析

2.1  正交设计试验中指标的确定

水煤浆的稳定性和流变性是评价水煤浆好坏的重要特征^[14]。通常采用水煤浆表观黏度评价水煤浆流变性，水煤浆黏度过高会使水煤浆流变性变差，黏度过低会使水煤浆稳定性降低，水煤浆的表观黏度在500（100 s^-1）/（mPa·s）～1 000（100 s^-1）/（mPa·s）之间为宜;水煤浆稳定性可用静置观察法、插棒法、冷冻法、倒置法、析水率法等不同方法进行评价。其中静置观察法、插棒法和冷冻法，人为主观因素影响过大;使用倒置法倒置水煤浆过程中，水煤浆形成的硬沉淀容易滑落，以上几种方法都难以客观准确评价水煤浆稳定性。而析水率是以制得的水煤浆密闭静置一定时间后，通过观察水煤浆的析水情况，来比较直观表现水煤浆稳定性，间接说明水煤浆添加剂性能。析水率越小，表明水煤浆稳定性越高。本文以制得的水煤浆表观黏度和7 d析水率作为考察的指标。

2.2  正交设计试验中因素和水平的确定

根据水煤浆添加剂中不同组分的功能，可分为分散剂、稳定剂和一些辅助添加剂^[15，16]。目前工业上应用广泛的为成本较低的木质素磺酸盐、奈系磺酸盐和聚羧酸分散剂^[17-20]，使用阿拉伯胶或聚丙烯酰胺作为稳定剂。本文采用正交设计试验的方法来确定水煤浆添加剂组分及用量。通过探索实验确定奈系磺酸盐、木质素磺酸盐和聚羧酸复配分散剂不同配比（A）、氢氧化钠用量（B）、阿拉伯胶用量（C）和聚丙烯酰胺用量（D）为因素，各因素的考察水平如表1所示。

2.3  正交设计试验及结果分析

根据选定的正交设计试验因素和水平，选取L₉（3⁴）正交表安排4因素3水平正交设计试验，试验中水煤浆添加剂用量为煤干基的0.6%，其中复配分散剂用量为添加剂总量减去其它添加剂的余量。以制得的水煤浆表观黏度（100 s^-1）/（mPa·s）（a）和7 d析水率/%（b）作为评价指标，得到的试验结果如表2所示。

对正交设计试验结果的多个指标进行分析时，有综合评分法和综合平衡法两种方法。综合评分法是将多指标问题通过各指标的值与各指标的权重乘积之和的方式转变为单指标问题进行结果分析，其中指标权重的确定非常关键。综合平衡法是分别对各个指标进行分析，将各个指标的最优条件进行综合平衡，得到兼顾每个指标试验条件^[21，22]。水煤浆的表观黏度和析水率对水煤浆性能评价都非常重要，难以准确确定各个指标具体的权重，综合评分法不宜采用。本文使用综合平衡法对试验结果进行分析。

2.3.1  正交设计试验极差分析

正交设计试验结果分析计算如表3所示。将水煤浆指标表观黏度记为K_a，7 d析水率记为K_b， 按各因素a指标和b指标的各水平之和记为K_a1、K_a2、K_a3、K_b1、K_b2、K_b3。按各因素a指标和b指标各水平的平均值记为k_a1、k_a2、k_a3、k_b1、k_b2、k_b3。计算各因素相应指标的极差R：

R（k_i）_j=max（k_i）_j - min（k_i）_j（3）

式中：j—因素;

i—指标。

根据表3中各项指标的极差R值大小确定各因素对指标影响的主次。极差越大，表明该因素对指标的影响大，极差越小，表明该因素对指标的影响小。

各因素的表观黏度（a）极差值分别为：

R（k_a）_A=202，R（k_a）_B=231

R（k_a）_C=90，R（k_a）_D=85

说明：各因素对水煤浆的表观黏度影响主次为氢氧化钠用量>奈系磺酸盐、木质素磺酸盐和聚羧酸复配分散剂配比>阿拉伯胶用量>聚丙烯酰胺用量。

各因素的7 d析水率（b）极差值分别为：

R（k_b）_A=6.6，R（k_b）_B=9.5

R（k_b）_C=4.9，R（k_b）_D=5.2

說明：各因素对水煤浆的7 d析水率影响的主次为氢氧化钠用量>奈系磺酸盐、木质素磺酸盐和聚羧酸复配分散剂配比>聚丙烯酰胺用量>阿拉伯胶用量。

2.3.2  最优添加剂配比确定

进一步分析各因素水平对水煤浆性能的影响。以各因素水平为横坐标，相应指标的平均值为纵坐标，绘制指标因素关系趋势图如图1。

从趋势图及因素主次可以看出，B因素氢氧化钠用量对水煤浆表观黏度和析水率影响最大，对于B因素的各水平，水煤浆表观黏度和析水率呈现相反趋势，B因素三个水平的表观黏度依次增加，而析水率呈现下降趋势。在选择B因素水平时，从表观黏度上看，B₃和B₂的表观黏度都符合要求，从析水率来看，B₃析水率比B₂稍低，综合考虑选取B₃最佳。

A因素奈系磺酸盐、木质素磺酸盐和聚羧酸复配分散剂配比对水煤浆表观黏度和析水率影响仅次于B因素，从表观黏度上看，A₂表观黏度比A₁稍低，A₃大幅降低且黏度低于500（100 s^-1）/（mPa·s）。A因素的析水率先下降后升高，A₂时析水率最小，因此把复配分散剂配比定为A₂。

从极差分析可知C因素和D因素为次要因素，并从趋势图可以看出两个因素对水煤浆的各性能影响均不大。C因素和D因素各水平的表观黏度都处于500（100 s^-1）/（mPa·s）～1 000（100 s^-1）/（mPa·s）之间，因素各水平对表观黏度影响较小，对析水率有明显影响。C因素的三个水平的析水率呈折线状，在表观黏度都符合要求的情况下，选择析水率最低的C₂作为阿拉伯胶用量;D因素聚丙烯酰胺用量的三个水平的析水率依次下降，取析水率最低的D₃最好。综合考察两个指标，选取A₂B₃C₂D₃作为最优添加剂组分配比。

2.4  最优化条件试验结果

通过对正交设计试验结果的分析，可确定出最优化的组分及配比条件A₂B₃C₂D₃，即奈系磺酸盐、木质素磺酸盐和聚羧酸复配分散剂配比为A₂，氢氧化钠用量为4%，阿拉伯胶用量为2%，聚丙烯酰胺用量为2%。以该条件配制添加剂，得到的水煤浆性能测试结果如下。

表观黏度：776（100 s^-1）/（mPa·s）;

7 d析水率：2.0%。

水煤浆表观黏度在500（100 s^-1）/（mPa·s）到

1 000（100 s^-1）/（mPa·s）之間，符合产品对表观黏度的要求。7 d析水率与正交设计试验中较好的2号、3号和6号试验结果相比，7 d析水率降低，水煤浆稳定性提高。符合优化预期结果。

3  结论

在研究水煤浆添加剂组分及配比时，正交设计试验是一个非常有效的方法，通过有限的试验次数，寻找到最优配比结果，得到性能优异的水煤浆添加剂配方。

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