新疆准东煤制水煤浆提浓的添加剂及其适应性研究

孙友文，李乐伦，刘 颖，魏国栋，俎 宇，王石维，孙 慧，陈 艳

（1.兖矿新疆煤化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 832000；2.宁波中科远东催化工程技术有限公司，浙江 宁波 315040）

0 引 言

我国是一个“富煤、少油、缺气”的国家［1］，在全国已探明化石能源储量中，煤炭储量占94%，石油和天然气储量仅占6%，煤炭在我国化石能源结构中占据绝对主导地位。新疆准东地区煤炭资源储量丰富，预测煤炭资源储量达3 900×108t，累计已探明储量2 136×108t，是我国最大的整装煤田。准东煤田以褐煤和长焰煤等低阶煤为主，其煤质介于年轻烟煤与褐煤之间，主要煤质特点［2］为：高氧碳比，煤颗粒表面含氧官能团多、亲水性好，属成浆性能较差的煤种，制备的水煤浆浓度低。

水煤浆应用技术是煤炭资源高效清洁利用的有效途径之一。水煤浆通常是由55%～65%的煤、35%～45%的水和少量添加剂组成的煤基流体燃料和气化原料［3-4］，其利用途径主要有燃烧放热和气化，目前我国水煤浆的应用呈南方及沿海城市以燃烧放热为主、北方及主要产煤区以气化为主的特点［5］。水煤浆应用技术中，水煤浆作为浆体燃料和气化原料，浆体的浓度与运行成本有着非常大的关系——研究表明，水煤浆浓度哪怕提高1%，都可带来非常可观的经济效益。

水煤浆气化过程中，如果水煤浆浓度太低，即进入气化炉的原料中水分太多，气化过程中会消耗大量热量用于水的汽化，导致气化装置煤耗、氧耗偏高，所产粗煤气中有效气含量偏低，明显影响气化装置的运行效能；而影响水煤浆质量的三大因素是原料煤煤质特征、煤浆粒度分布和制浆添加剂。因此，低阶煤制水煤浆的提浓研究，尤其是不同煤种制水煤浆提浓的添加剂之适应性研究具有非常重要的意义。

1 试验条件及方法

在新疆准东地区煤田不同矿区选取具有代表性的6种不同变质程度的低阶煤，开展添加不同种类添加剂的水煤浆提浓试验（单种煤制浆），以评价实验室合成出的不同种类添加剂在合适的粒度级配下对水煤浆的提浓作用，以及不同种类添加剂与不同煤种在成浆性方面的适应性及匹配性，以期找出与各煤种适配的添加剂，使准东煤的成浆浓度在原基础上平均提高2%以上。

1.1 试验原料

本试验原料煤为新疆准东煤田6个不同矿区的煤粉，6个煤样（代号）的工业分析和元素分析数据见表1（硫含量采用红外光谱法测得），6个煤样灰分之煤基氧化物含量分析数据见表2。

表1 6个煤样的工业分析和元素分析数据 %

表2 6个煤样灰分之煤基氧化物含量分析数据 %

由表1可以看出：6个煤样的氧元素含量高低顺序为MC≈BS＞YM＞BP＞LHG＞HS，6个煤样的碳元素含量高低顺序为HS＞BP＞MC≈YM＞LHG＞BS，6个煤样的氧碳比（O／C）高低顺序为BS＞MC≈YM＞LHG≈BP＞HS；6个煤样的灰分高低顺序为LHG＞BS＞BP＞MC≈YM＞HS。可以得出，煤样HS／BP／LHG的变质程度高于煤样YM／BS／MC的变质程度，以此组具有代表性的6种不同变质程度的新疆准东煤作为研究对象，能更全面地反映准东煤的煤质特性，利于更全面地指导水煤浆提浓添加剂及其适应性研究工作的开展。

由表2可以看出：6个煤样灰分中的氧化物主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，6个煤样的这3种主要成分含量合计高低顺序为LHG＞MC＞BP＞YM＞BS＞HS。灰分中的氧化物含量对水煤浆的粘度有较大的影响，进而影响煤浆的流动性及成浆性。

1.2 试验所用添加剂

试验所用水煤浆添加剂主要采用实验室自行合成且经过配方优化的合成添加剂，其代号分别为110830、110831、110832、110833、061704、051802、110817、110818、110819、102303；为比较不同添加剂在新疆准东煤制浆中的提浓效果，还挑选了市场上应用效果较好的木质素配方添加剂，包括AYSHMZS、TJSSMZS、SQMZS和QLJYMZS。

1.3 试验方法

1.3.1 煤浆的制备及试验所用仪器设备

实验室煤浆的制备：煤粉制备采用GJ-2B双钵密封式制样粉碎机，每个料钵中分别加入100 g预破碎并烘干好的小颗粒煤，研磨得到一定粒度分布的煤粉；称取150 g煤粉，测定煤粉的固含量，以干基量计算并称量制浆所需的水和添加剂，将水、添加剂、煤粉混合搅拌润湿，然后用电动搅拌器搅拌浆体，搅拌器转速设定为800 r／min、搅拌时间设定为3 min，得到状态均匀的水煤浆浆体。

本试验主要使用的仪器设备：DHG-9070A型鼓风干燥箱，JJ-1A恒速电动热搅拌器，Sartorius BSA2202S-0.01 g电子天平，Sartorius MA37红外水分测定仪，NXS-4CP型恒温水煤浆粘度计，Bettersize2600智能激光粒度仪。

试验通过调整添加剂配比、添加剂量、水量等条件，得到不同浓度、粘度、流动性、析水率以及稳定性的水煤浆样品，测试所得浆体样品的浓度以及恒温40℃时的粘度，从而评价不同水煤浆样品的流动性和稳定性。

1.3.2 水煤浆质量的评价方法

1.3.2.1 水煤浆流动性的评价方法

将搅拌均匀的水煤浆样品流过内径为11 mm的玻璃管，记录流过50 mL水煤浆样品的耗时，并目测浆体流动的连续性。评价标准：浆体流过玻璃管的耗时在12 s以内，表明水煤浆具有优良的流动性，可以很好地满足生产需要，记录为B级；耗时12～16 s，表明水煤浆的流动性稍差，一定程度内也可满足生产需要，记录为C级；耗时超过16 s，表明水煤浆的流动性较差，不能满足生产需要，记录为D级。各等级内水煤浆流动性更细微的差别以“+”、“-”号表示（“+”表示在该等级内流动性更好一些，“-”号表示在该等级内流动性更差一些）。

1.3.2.2 水煤浆稳定性的评价方法

将100 mL量筒收集到的50 mL以上水煤浆用保鲜膜封口，静置24 h，之后放入玻璃棒，观察玻璃棒自由下落的状态，结合手动放入的按压感，按以下四种分类标准进行标记：无析水，玻璃棒能够快速地自由下落到量筒底部，浆体分布均匀、无沉淀，浆体软，浆体状态未发生改变，表明水煤浆的稳定性好，记录为A级；浆体析水＜5%，玻璃棒能够快速地自由下落，浆体分布均匀、基本上无沉淀或有极少量软沉淀，浆体软，浆体状态基本上未发生改变，表明水煤浆的稳定性较好，记录为B级；浆体析水＞5%，浆体分布不均匀，沉淀现象严重，有软沉淀，搅拌后能再生成均匀的浆体，表明水煤浆的稳定性较差，记录为C级；浆体分布明显不均，析水多，沉淀坚硬，搅拌后不能再生成均匀的浆体，表明水煤浆的稳定性差，记录为D级。各等级内水煤浆稳定性更细微的差别以“+”、“-”号表示（“+”表示在该等级内稳定性更好一些，“-”号表示在该等级内稳定性更差一些）。

1.3.3 准东煤的粒度分布

通过改变制样粉碎机的两个不锈钢钵体里的煤样添加量和制样的粉碎时间（煤样添加量越少、粉碎时间越长，所得煤粉粒度越小），得到一定粒度分布的煤样煤粉。将一定粒度的煤样煤粉与水、添加剂混合搅拌制成煤浆，进行成浆性分析，测试其流动性良好的情况下煤浆浓度的最大值，并对成浆最优的煤粉用激光粒度仪进行粒度分析，探索适合准东煤煤样的粒度双峰级配，得到效果较好的粒度级配。6个准东煤煤样成浆最优的煤粉粒度级配分布见表3。

表3 6个煤样成浆最优的煤粉粒度级配分布 %

2 不同种类添加剂的水煤浆提浓试验

分别以新疆准东地区煤田6种低阶煤——YM、BS、MC、HS、BP、LHG为煤样，制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加实验室自行合成的110830、110831、110832、110833、061704、051802、110817、110818、110819、102303等合成添加剂，同时挑选市场上应用效果较好的木质素配方添加剂AYSHMZS、TJSSMZS、SQMZS、QLJYMZS作为对比试验添加剂，进行准东煤制水煤浆提浓的添加剂适应性试验研究。

2.1 不同添加剂之YM煤的成浆性试验

以低阶煤YM为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.15%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以TJSSMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之YM煤的成浆性试验结果见表4。可以看出，低阶煤YM制成的水煤浆添加实验室合成添加剂，水煤浆浓度最高可达59.60%，较添加木质素添加剂TJSSMZS的水煤浆浓度高2.75%，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低，流动性和稳定性等级为B或B+，表明浆体的流动性和稳定性较好。

表4 不同添加剂之YM煤的成浆性试验结果

2.2 不同添加剂之BS煤的成浆性试验

以低阶煤BS为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.15%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以SQMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之BS煤的成浆性试验结果见表5。可以看出，低阶煤BS制成的水煤浆添加实验室合成添加剂，水煤浆浓度最高可达59.05%，较添加木质素添加剂SQMZS的水煤浆浓度高2.53%，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低（除添加110817添加剂制得的水煤浆粘度稍高外），流动性和稳定性等级在B级以内，表明浆体的流动性和稳定性较好。

表5 不同添加剂之BS煤的成浆性试验结果

2.3 不同添加剂之MC煤的成浆性试验

以低阶煤MC为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.15%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以TJSSMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之MC煤的成浆性试验结果见表6。可以看出，低阶煤MC制成的水煤浆添加实验室合成添加剂，水煤浆浓度最高可达62.62%，较添加木质素添加剂TJSSMZS的水煤浆浓度高3.16%，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低，流动性和稳定性等级在B级以内，表明浆体的流动性和稳定性较好。

表6 不同添加剂之MC煤的成浆性试验结果

2.4 不同添加剂之HS煤的成浆性试验

以低阶煤HS为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.10%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以QLJYMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之HS煤的成浆性试验结果见表7。可以看出，在将合成添加剂量由0.15%降至0.10%的情况下，低阶煤HS制成的水煤浆浓度最高可达66.91%，浆体浓度很高，较添加木质素添加剂QLJYMZS的水煤浆浓度高2.71%，优势明显，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低，流动性和稳定性等级均为B+，表明浆体的流动性和稳定性良好，能很好地满足生产需要。

表7 不同添加剂之HS煤的成浆性试验结果

2.5 不同添加剂之BP煤的成浆性试验

以低阶煤BP为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.15%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以AYSHMZS和QLJYMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之BP煤的成浆性试验结果见表8。可以看出，低阶煤BP制成的水煤浆浓度最高可达65.06%，较添加木质素添加剂AYSHMZS和QLJYMZS的煤浆浓度分别高出1.0%和1.31%，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低，除添加110832和110831添加剂制得的水煤浆稳定性等级为C级以外，添加其他合成添加剂制得的水煤浆流动性和稳定性等级均在B级以内，表明浆体的流动性和稳定性尚好。

表8 不同添加剂之BP煤的成浆性试验结果

2.6 不同添加剂之LHG煤的成浆性试验

以低阶煤LHG为煤样制成合适粒度级配的水煤浆，分别添加0.15%的不同合成添加剂，进行成浆性试验，同时以TJSSMZS为添加剂进行对比试验，不同添加剂之LHG煤的成浆性试验结果见表9。可以看出，低阶煤LHG制成的水煤浆浓度最高可达65.02%，较添加木质素添加剂TJSSMZS的水煤浆浓度高2.41%，优势明显，且添加实验室合成添加剂制得的水煤浆粘度较低，除添加110830和110832添加剂制得的水煤浆稳定性等级为C级以外，添加其他合成添加剂制得水煤浆的流动性和稳定性等级均在B级以内，表明浆体的流动性和稳定性尚好。

表9 不同添加剂之LHG煤的成浆性试验结果

3 不同种类添加剂与不同煤种的适应性研究

为探究不同种类添加剂与不同煤种的适应性，将实验室合成的6种添加剂——110817、110818、110819、110831、110832、110833分别按顺序用代号A、B、C、D、E、F表示，分别添加到YM、BS、MC、HS、BP这5种低阶煤中制成水煤浆，测试最优添加剂添加量下每种添加剂对应煤样制得水煤浆的最大浓度，将不同添加剂在不同煤样中的成浆浓度按照由大到小的顺序排列，YM煤的成浆浓度试验结果为E＞D＞C＞A＞B＞F，BS煤的成浆浓度试验结果为A＞B＞C＞D＞E＞F，MC煤的成浆浓度试验结果为D＞B＞A＞E＞C＞F，HS煤的成浆浓度试验结果为B＞D＞A＞E＞C＞F，BP煤的成浆浓度试验结果为F＞E＞D＞A＞B＞C。可以看出，不同分子结构的添加剂，在不同煤样上应用具有不同的成浆效果，添加剂的提浓作用对于每一种煤的规律并不完全一致，也就是说，每一种煤有自身对应适合的添加剂，只有针对性地进行试验研究和评价，才能找到各煤样适配的添加剂，以实现最大限度提高水煤浆浓度的目标。

4 结束语

通过对新疆准东地区煤田多种煤样开展水煤浆提浓的添加剂试验研究，结果表明，实验室合成的多种添加剂，在较小的添加量条件下，就能较好地提升新疆准东地区低阶煤制水煤浆的浓度，且制得的水煤浆粘度较低，浆体的流动性和稳定性总体上表现较好，能很好地满足生产需要；同时，通过不同种类添加剂与不同煤种的适应性研究试验，找到了适合每种煤样制备性能最优水煤浆的合成添加剂，这对新疆准东低阶煤及我国低阶煤的高效清洁利用具有积极的意义。