粒度级配对神华煤成浆特性影响的试验研究

苏 鑫

（1.煤科院节能技术有限公司，北京100013；2.国家水煤浆工程技术研究中心，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013；4.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京100013）

水煤浆是由具有一定粒度分布的煤粉、水和添加剂组成的一种煤基液体燃料和气化原料[1]。浓度是衡量水煤浆质量的关键指标，在流变特性满足使用要求的前提下，其高低直接决定着燃料水煤浆的热值和气化水煤浆的气化效率[2-4]。水煤浆浓度主要取决于制浆煤种、添加剂和煤粉的粒度分布[5-7]，而制浆企业的原料煤和添加剂一般比较稳定，因此，具有较高堆积效率的合理的粒度分布近年来成为研究的重点。王俊哲等[8]运用分形理论分析了张家峁煤矿水煤浆厂不同粒度煤粉的粒径分布特性，证实了级配过程提高了煤粉的分形维数；尚颖颖等[9]通过实验研究了华亭煤不同级配的粗细煤样对水煤浆成浆性能的影响；朱雪丹[10]研究了不同粒度配比对神府煤成浆性能的影响。

煤粉的粒度是影响水煤浆流变特性的关键因素，但实际生产中很难对煤粉的各级粒径进行精确控制，如单棒磨机制浆工艺所制煤浆的粒度分布接近于正态分布，生产中可以对粒度进行调节的手段较少；近几年被广泛应用的分级研磨制浆工艺也仅仅是通过增加细磨系统来少量增加煤浆中45 μm 以下的部分，对整体粒度的调整有限。而随着国内机械制造水平的迅速提升以及相关行业（高岭土、钛白粉）装备大型化的实现，通过先进的分级、离心、沉降及研磨设备实现对部分粒级煤粉颗粒的有效控制逐渐变为可能。因此，笔者以神华煤为试验用煤，以隔层堆积理论[11]为指导，研究不同的粒度分布对神华煤成浆特性的影响，以期得到较为合理的成浆粒度分布。

1 试 验

1.1 原料及添加剂

试验用煤取自神东矿区，其煤质分析见表1。试验所用添加剂取自内蒙某生产企业，属萘系和木质素系复配物。

表1 试验用煤煤质分析

1.2 煤粉的制备

首先将原料煤破碎至粒度小于6 mm，然后放入棒磨机中进行磨矿，每次入料2.5 kg，根据煤样磨矿特性确定磨矿时间，磨矿后取出作为原始样品；取部分原始样品，利用筛分法去除粒度0.045 mm 以下部分，称为样品1；取部分原始样品，利用筛分法去除粒度0.045 mm 到0.15 mm 的部分，称为样品2；取部分原始样品，利用筛分法去除粒度0.15 mm 到0.3 mm 的部分，称为样品3；取部分原始样品，利用筛分法去除粒度0.045 mm 到0.3 mm 的部分，称为样品4。对所制取的5 种样品进行粒度分布测试，结果见表2。

表2 5 种样品粒度分布%

1.3 添加剂用量的确定

利用原始样品考察添加剂的最佳加入量。将煤粉、水和添加剂在不同的添加剂加入量条件下干法调浆，对得到的水煤浆样品分别测试，确定其流变特性，最终综合考察煤浆浓度、黏度、流动性及稳定性来确定添加剂的最佳加入比例。

1.4 不同粒度分布时煤样的成浆特性试验

在已确定的添加剂最佳加入比例下，分别对样品1、样品2、样品3 和样品4 进行调浆试验，在其流变特性符合要求的前提下，考察各样品的最高成浆浓度。

1.5 水煤浆质量指标的测定

水煤浆浓度（质量分数）用HB43 梅特勒快速水分测定仪测定，表观黏度由NXS-4C 水煤浆黏度仪测定，流动性采用目测法判断，稳定性用插棒法判断，具体方法参见GB/T 18856—2008。

2 结果与分析

2.1 添加剂用量对成浆性的影响

在不同添加剂加入量下，利用原始样品制备质量分数61%的水煤浆，考察添加剂加入量对原始煤样成浆特性的影响，结果见表3。

表3 添加剂加入量对原始煤样成浆特性的影响

由表3 可以看出，随着添加剂加入量的不断增加，煤浆的流态逐渐变好，表观黏度也随之降低，当添加剂加入量为0.3%（干基/ 干煤）时，煤浆流变性符合使用要求（流动性B- 以上，表观黏度1 300 mPa·s以下），因此，将添加剂的加入量定为0.3%。

2.2 粒度级配对成浆性的影响

样品1、样品2、样品3 和样品4 按照其粒度分布，均属于不连续的颗粒级配，即非连续尺寸堆积模型。5 种样品的粒度累计分布曲线见图1。

图1 5 种样品的粒度累计分布曲线

以原始样品的成浆性为基础，固定制浆质量分数61%，添加剂加入量0.3%（干基/ 干煤），5 种样品的成浆特性见表4。

表4 5 种样品制浆质量分数为61%时的成浆特性

由表4 试验结果可以看出，具有不连续颗粒级配的4 种样品，其流变特性均发生了变化，其中样品1表观黏度大幅降低，但流动性变差，基本无流态；样品2 表观黏度有所降低，流动性明显好转；样品3 表观黏度小幅度降低，流态与原始样品接近；样品4 黏度大幅降低，流态明显好转。从煤浆的稳定性测试结果可以看出，样品2、3 的稳定性未变，而样品1、4 的稳定性下降，其中样品1 完全产生硬沉淀，无法恢复。这是因为样品1 去除了0.045 mm 以下的细颗粒，这类细颗粒具有明显的表面物理化学作用，它们在非均质悬液中能使悬液的黏性加大，使其中粗颗粒的沉降速度下降，垂向浓度分布变得更加均匀，因此，样品1 在失去这些细颗粒后，虽然表观黏度大幅下降，但流态和稳定性已不能满足使用要求。

由表4 的试验结果还可以看出，样品2、样品3和样品4 所制煤浆的流变特性整体上均优于原始样品。为了更加详细地分析3 种样品的成浆特性，对3种样品做了系统成浆性试验，结果见表5。

表5 3 种样品的成浆性试验

由表5 试验结果可以看出，在流变特性符合要求的前提下，样品2 和样品3 比原始样品制浆质量分数提高了1 个百分点，其中样品2 的浆体流变性略优于样品3，而样品4 相比于原始样品制浆质量分数提高了3 个百分点。3 种样品的成浆性试验结果表明，采用不连续级配可以在高浓度下降低浆体黏性，但其对流变性优化的影响差别很大，样品2 和样品3 所制煤浆的质量分数虽然都提高了1 个百分点，但表观黏度却相差62 mPa·s，样品2 和样品4 制浆质量分数相差了2 个百分点，流态也存在差距。从图1 的粒度分布可以看到，样品3 相比于样品4 在0.045 mm 到0.15 mm 区间有较多颗粒存在，样品2 相比于样品4 在0.15 mm 到0.3 mm 区间有较多颗粒存在，即样品2 和样品3 在中间粒径（0.045 mm～0.3 mm）范围内的颗粒较样品4 多。根据隔层堆积理论[11]，具有高填充率的两级之间要有足够的粒径差，即上层粒级的粒径下限与下层粒级的粒径上限需有足够的空间，否则无法保证下层粒级都能填充到上层的空隙中去，成浆效果最好的样品4 实质上是去除了0.045 mm 到0.3 mm 的颗粒，相比于样品2 和样品3 有更大的粒径差，使下层颗粒可以更多地填充到上层颗粒的空隙中去，达到了较高的堆积效率，因此成浆性最好。

2.3 高浓度水煤浆流变性的探讨

隔层堆积理论可以较好地解释高浓度水煤浆成浆原因，但同时样品4 的成浆特性试验中，其表观黏度和流动性又与其他样品有所区别，当其成浆质量分数达到65%以后，虽然表观黏度超过了国标的数值（1 300 mPa·s），特别是质量分数为67%时黏度甚至超过黏度计的量程（＞1 800 mPa·s），但其流动性依然符合要求。一般认为，煤浆黏度越高，其流动性越差，而对比样品2 和样品4，发现样品2 质量分数为63%时，其黏度为1 359 mPa·s，流态为B-，而样品4 质量分数为66%时，其黏度已经达到了1 582 mPa·s，而流态仍为B；另一方面通过对比样品1 和样品2，也可以看到煤浆质量分数为61%时，样品1 所制煤浆黏度仅为562 mPa·s，但流态已经为C，而样品2 所制煤浆虽然黏度为1 052 mPa·s，但流态依然为B+，这种表观黏度和流动性不统一的现象在实际生产中也存在。

为了排除流动性判定时由人为因素引起的误差，借鉴GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》[12]中所述的方法，对样品2、样品3 和样品4 所制水煤浆的流动性进行定量检测，试验结果见图2。

图2 采用GB/T 8077—2012 方法对煤浆流动性的定量检测结果

由图2 和表5 中样品流动性结果可以看出，目测法判断结果和标尺定量的检测结果是统一的，这也进一步证实了表5 的试验结果。

样品1～4 均属于不连续的颗粒级配，为了确定这种表观黏度和流动性不统一的现象是否也在连续级配浆体中存在，利用搅拌细磨机将部分原始样品研磨成细粉，再与原始样品配比调浆，其中细粉的加入比例均指细粉干煤质量占总干煤质量的百分比，细粉的粒度分布见图3，粗细煤粉配比调浆试验结果见表6。

图3 细粉粒度分布曲线

表6 粗细煤粉配比调浆试验结果

由表6 数据可以看到，煤浆表观黏度与流动性仍然存在不统一，尤其是原始样品质量分数62%的煤浆与加入10%细粉后质量分数63%的煤浆相比，前者表观黏度比后者低60 mPa·s，但其流态却不如后者。因此，通过以上试验可知，煤浆黏度与流动性不统一的现象存在于连续级配与非连续级配中，且当煤浆中粗细颗粒的粒径差较大时，这种现象更加明显。

为了分析这种现象，笔者尝试引入浆体与粒状物料输送水力学中非均质复合流[13]的概念，把煤浆中的细颗粒和水组成一种稳定的浆液并视为复合流中的液相，其余的粗颗粒视为固相，那么复合流就成为以浆液为液相的两相流。当复合流中的细颗粒增加时，煤浆黏度增大，一方面能减小浆体中粗颗粒的沉降速度，使这种复合流垂向浓度分布的更加均匀，有利于减少流动阻力；另一方面，如果黏度增加过多，使流动的黏性阻力增加，不利于总的流动阻力的减少。因此，具有明显粒度级配的煤浆其细颗粒的含量应存在一个合适的比例，这样才能有利于减少总的流动阻力。

3 结 论

3.1 试验用煤在常规研磨条件下、添加剂加入量为0.3%（干基/ 干煤）时，可制备出质量分数为61%的煤浆；分别去除原有煤粉0.045 mm 以下、0.045 mm～0.15 mm、0.15 mm～0.3 mm 以及0.045 mm～0.3 mm 部分后，制成的具有不连续级配特征的煤浆，其流变性发生了较大变化，其中去除0.045 mm～0.3 mm 部分后，成浆质量分数提高了3 个百分点，在黏度符合要求的前提下，流动性大幅提高。

3.2 连续级配和非连续级配的煤浆均存在黏度与流动性不统一的现象，当级配中粗细颗粒粒径差较大且细颗粒含量达到一定值时，这种现象更加明显。这是因为细颗粒的增加，可以使垂向浓度更加均匀，有利于减少流动阻力；但过多细颗粒的加入，使黏性阻力的影响变得显著，不利于总流动阻力的减少，因此采用粒度级配技术制浆，其细颗粒含量存在一个合理的区间。