水煤漿技術(shù)研究現狀

煤炭加工與綜合利用2005年第3期COAL PROCESSING COMPREHENSIVE UTILIZATIONNo.3,2005水煤漿技術(shù)研究現狀王金玲,高惠民(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢430070)摘要:介紹了水煤漿的品種特性、制漿方法、工藝及水煤漿添加劑的作用機理,綜述了水煤漿添加劑的研究現狀及目前國外學(xué)者利用納米氣泡橋聯(lián)機理制備煤冰分散體系的方法及機理。關(guān)鍵詞:水媒漿;種類(lèi);制漿工藝;添加劑;作用機理中圖分類(lèi)號:TQ534.4文獻標識碼:A文章編號:10058397(200503-002804水煤漿(CWF)是上世紀80年代發(fā)展起來(lái)的點(diǎn)種以煤代油的新型燃料,是具有一定粒度級配(1)由于燃料油的加入,使得油水煤漿具有較的煤粉與水外加少量添加劑的混合物1。它把低的燃點(diǎn)燃燒中有微爆炸和水一汽過(guò)程存在,燃灰分很低而揮發(fā)分高的煤研磨成微細煤粉,按合燒效率很高。理的煤水比例,加入分散劑和穩定劑配制而成,可(2)由于油水煤漿的顆粒較小、粘度較低,可以象燃料油一樣運輸貯存和燃燒,可用于電站鍋以直接用在燃油鍋爐中,對鍋爐和噴嘴的改造費爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)爐窯代油或代氣燃燒。生產(chǎn)用較低,而且還可以用在重型柴油機上代油燃燒。水煤漿的原料煤,灰分一般小于8%,硫分小于(3)油水煤漿作為工業(yè)燃料,由于提高了燃燒5%,因此燃燒時(shí)煙塵和SOn排放遠低于燃燒原效率,大大減少了對環(huán)境的污染。煤。水煤漿是一種新型煤代油燃料,它既保持了(4)油水煤漿在內相中又引入了另外一種液煤炭原有的物理特性,又具有象石油一樣的流動(dòng)相顆粒,有助于提高穩定性。性和穩定性,被稱(chēng)為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。目前在國外2制漿方法及工藝利用納米氣泡的冷凍抽真空法制備煤/水分散體系(及煤/油/水分散體系),以代替使用添加劑制制漿方法有干法和濕法兩種,目前主要用濕備水煤漿(油水煤漿),正處在實(shí)驗室研究階法4。濕法制漿工藝從原料上分為末精煤和浮段選精煤制漿工藝兩種;從制漿濃度上分為高濃度濕法制漿、中濃度濕法制漿以及高、中濃度兩磨機1水煤漿的品種及特性級配制漿。根據水煤漿的性質(zhì)和用途,可將其劃分為精目前水煤漿制備工藝趨于多樣化,主要有:磨煤水煤漿、精細水煤漿、經(jīng)濟型水煤漿(中灰媒水機高濃度制備工藝,振動(dòng)磨煤泥高濃度制備工藝,煤漿、中高灰煤泥水煤漿)、氣化用水煤漿、環(huán)保型超細浮選精煤制備工藝,水洗精煤、高濃度聯(lián)合制水煤漿等,各種水煤漿的品質(zhì)特性見(jiàn)表11備工藝中濃度雙峰級配制備工藝等山。在中國油水煤漿(OWCM)是繼油煤漿(COM)和水的水煤漿制備工藝中,最具代表性的是利用浮選煤漿(CWM)之后發(fā)展起來(lái)的一種新型煤基代油精煤制漿,它具有制漿工藝簡(jiǎn)單、投資少制漿成流體燃料,它與COM和CwM相比有以下優(yōu)本低的優(yōu)點(diǎn),同時(shí),它還可以改善選煤廠(chǎng)產(chǎn)品結構中國煤化工是高精煤質(zhì)量大有收稿日期:20050120CNMH作者簡(jiǎn)介:王金玲(1978-),女,內蒙古赤峰人,武3制漿工藝的依據6G漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院2003級礦物加工工程碩士研究生,電話(huà):027-87882128制漿工藝的依據為原料煤特性、添加劑特性、2005年第3期王金玲,等:水煤漿技術(shù)研究現狀制漿設備性能和用戶(hù)對水煤漿的要求等。關(guān)鍵技爐內結渣,對于大多數釆用固態(tài)排渣的爐子,要求術(shù)有煤種選擇、級配技術(shù)和添加劑技術(shù)。制漿用煤煤炭的灰熔點(diǎn)高于1250℃。至于煤炭的發(fā)熱量、的選擇一方面應滿(mǎn)足燃燒用戶(hù)的需要另一方面應灰分與硫分指標,則應根據用戶(hù)的需求而定?？贾久禾砍蓾{性的難易,因為它直接影響水煤漿的制備水煤漿時(shí),要求煤炭不但應磨至一定的質(zhì)量與生產(chǎn)成本所以合理選擇制漿用煤十分重細度,更重要的是它的粒度分布應能使大小顆粒要。從燃燒角度出發(fā),制漿用煤的揮發(fā)分含量不能相互充填,有較高的堆積效率,即堆積孔隙盡可能太低,鍋爐用水煤漿時(shí),通常要求煤炭的揮發(fā)分>小,以減少孔隙內的水量,提高制漿濃度,改善水28%,否則煤漿不易穩定著(zhù)火燃燒。此外,為防止煤漿流動(dòng)性。衰1水煤漿品質(zhì)特性先用原料煤水煤漿特性濃度:大于65%粘度:1Pa·s精煤水煤漿洗精煤灰分小于10%作為鍋爐代油燃料穩定性:大于3個(gè)發(fā)熱量:18.84~20.93M/kg濃度:50%~55%精細水煤漿超低灰精煤,灰分為1%-2%粘度:小于0.3Pas作為內燃機燃氣透平燃料濃度:65%-68%原生煤泥灰分為15%~25%用作鏈條鍋爐燃料穩定性:大于15d經(jīng)濟型水煤漿濃度:50%-65%浮選尾煤,灰分大于25%用作沸騰爐或鏈條爐燃料穩定性:3-5d濃度:58%-65%穩定性:1~2d化水煤漿普通原煤灰分小于25%粘度:1Pa“s用作德士古爐氣化造氣原料流動(dòng)性較好,粒度偏粗,小于74m的占60%左右濃度:大于65%制漿過(guò)程中加人脫硫劑粘度:1±0.2Pas可提高脫硫率10%~20%環(huán)保型水煤漿濃度:30%-33%入堿性有機廢液枯度:小于1.2Pa·s適合高硫煤地區鍋爐燃用,脫硫效果好穩定性:30d原煤水煤漿原煤灰分大于20%,爐前制漿濃度:60%左右用作工業(yè)窯爐燃料穩定性4.1.1分散劑的作用機理水煤漿添加劑作用機理及研究現狀分散劑的主要作用是改變煤粒表面的親水煤炭為疏水性物質(zhì),不易為水所潤濕;煤漿中性,增強靜電斥力促進(jìn)煤粒均勻的分散在水中,的煤粒很細,具有很大的比表面積,容易自發(fā)地聚防止煤粒聚結,提高水煤漿的流動(dòng)性。分散劑都結因而煤粒與水不能密切結合成為一種漿體。是一些表面活性劑它是兩親分子,一端是由碳氫水煤漿屬粗分散體系,很容易產(chǎn)生煤水分離,因化合物構成的非極性的親油基,另一端是親水的此,低粘度和良好的穩定性是水煤漿最為重要的極性基。非極性疏水端極易與碳氫化合物的煤炭性能。要改善這些性能,在制漿時(shí)必需加入少量表面中國煤化工舒另一端親水基的化學(xué)添加劑,包括分散劑與穩定劑。由此可見(jiàn),朝外CNMHG轉化為親水,并添加劑的性能又是水煤漿生產(chǎn)的關(guān)鍵。形成永化膜。水化膜中的水與體系中的“自由水”4.1添加劑的作用機理578不同,它因受到表面電場(chǎng)的吸引而呈定向排列。30煤炭加工與綜合利用2005年第3期當顆粒相互靠近時(shí),水化膜受擠壓變形,引力則力點(diǎn)是控制分子量可同時(shí)兼顧水煤漿的流變性和穩圖恢復原來(lái)的定向,這樣就使水化膜表現出一種定性。日本研制出了一些性能優(yōu)良的專(zhuān)用水煤漿彈性。煤粒表面吸附的添加劑分子與水化膜可產(chǎn)添加劑,如:聚苯乙烯磺酸鹽(PS)與聚乙烯磺酸生空間位阻與靜電斥力效應,使煤粒分散。具有(PSA)的混合物該混合添加劑可適用于不同灰空間位阻效應的添加劑,同時(shí)起降粘和穩定作用。分煤種水煤漿的制備已經(jīng)得到工業(yè)化應用。以如果是離子型分散劑,同時(shí)還可以使周?chē)奂郾揭蚁┗撬徕c為基礎的水煤漿添加劑加入量多的離子,這些離子和水分子結合也能形成水化少,分散性、穩定性都比較優(yōu)良2膜,增強分散作用。陰離子型的水煤漿分散劑還有丙烯酸與其他4.1.2穩定劑的作用機理丙烯酸單體共聚和羧酸及磷酸鹽系列兩類(lèi)13。穩定劑有兩種作用,一方面使水煤漿具有剪422非離子型分散劑切變稀的流變特性,即當靜置存放時(shí)水煤漿有較1)聚氧乙烯系列。這類(lèi)分散劑主要優(yōu)點(diǎn)是高的粘度,開(kāi)始流動(dòng)后粘度又可迅速降下來(lái);另一親水性好,分子量質(zhì)量易調節、控制,不受水質(zhì)及方面是使沉淀物具有松軟的結構,防止產(chǎn)生不可煤中可溶性物質(zhì)的影響,但價(jià)格昂貴,一般用量在恢復的硬沉淀。為了提高水煤漿穩定性,使水煤0.5%以上。美國 Exce Fuel公司14)報道了一種漿中的顆粒聚結并和周?chē)乃嗷ソ宦?lián),形成脆能改善剪切穩定性和降低粘度的水煤漿添加劑,弱但又有一定強度的三維空間結構,在靜置它時(shí)該添加劑是由兩種表面活性劑復配而成,每一種可有效地阻止顆粒沉淀,即使沉淀也是松軟的可表面活性劑具有不同分子質(zhì)量的親水基足以潤濕恢復的軟沉淀,一旦受外力剪切作用,結構受到了分散煤顆粒,即一種表面活性劑帶有高分子質(zhì)量破壞,粘度又迅速降下來(lái)。的氧乙烯基,另一種則帶有低分子質(zhì)量的氧乙烯4.2水煤漿添加劑的研究現狀基,兩種表面活性劑共用時(shí)可使煤的質(zhì)量分數達分散劑又分為陰離子型和非離子型(陽(yáng)離子到70%以上。壽崇琦等15選出了多環(huán)芳香羧酸型表面活性劑很少用作分散劑)。非離子型的顯甲醛縮合物(NASP)和較長(cháng)碳鏈聚氧乙烯醚為主著(zhù)特點(diǎn)是用量少,可同時(shí)作分散劑和穩定劑但價(jià)劑并配合CuSO4、Fe2(SO4)3為助劑的配方。格昂貴。陰離子型分散劑價(jià)格相對便宜,是制漿(2)聚氧乙烷系列。這種經(jīng)過(guò)復配的水煤漿分散劑具有優(yōu)良的成漿特性,其用量也比較小。首選的添加劑。非離子型分散劑的共同特點(diǎn)是它們能兼作穩4.2.1陰離子型分散劑定劑。(1)各類(lèi)取代基聚茶磺酸鹽系列。其特點(diǎn)是4.2.3穩定劑系列具有減粘作用,增加流動(dòng)性,但通常穩定性差且價(jià)大多數有機多糖類(lèi)高分子聚和物,如:Gua格高所以常和其它類(lèi)型分散劑共用。膠、 Xanthan膠、黃原膠等均用作穩定劑。其穩定(2)木質(zhì)素磺酸鹽。其主要來(lái)自于造紙廢液再作用主要表現為形成漿體中顆粒間的橋鍵,縱橫加工。最大優(yōu)點(diǎn)是原料豐富,易于加工,價(jià)格便宜交錯構成空間網(wǎng)絡(luò )式結構。程京艷等人16發(fā)現且漿的穩定性好。缺點(diǎn)是雜質(zhì)含量大,常不單獨使的阿拉伯膠與國際市場(chǎng)普遍看好的黃原膠有相同用。但復配法并不會(huì )改變木質(zhì)素磺酸鹽作為表面的效果,且價(jià)格較便宜?；钚詣┑挠H水親油基團及其表面活性。李鳳起等4.2.4其他添加劑人1通過(guò)對木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行化學(xué)改性使漿體日本研究人員研制出了一種F-3006添加分散穩定性顯著(zhù)提高煤漿定粘濃度提高2%。劑17,其用量少,所制煤漿粘度較低。并通過(guò)研(3)腐植酸鹽及磺化腐植酸鹽系列。此類(lèi)分究煤表面結構及其物化性質(zhì)與分散劑的相關(guān)性,散劑的許多特點(diǎn)和木質(zhì)素相似,但其分散性更佳,可單獨使用。主要缺點(diǎn)是漿的穩定性差。中國煤性能優(yōu)良的分散劑(4)聚烯烴系列。冉寧慶等人通過(guò)對亞甲CNMHG基萘磺酸鈉-苯乙烯磺酸鈉-馬來(lái)酸鈉共聚物5納米氣泡橋聯(lián)制備煤/水分散體系的機理(NDF)對水煤漿分散性能的研究,發(fā)現其主要優(yōu)當今國內外水煤漿的生產(chǎn)制備是靠化學(xué)方法05年第3期王金玲,等:水煤漿技術(shù)研究現狀來(lái)控制,即添加各種分散劑和穩定劑。目前南澳能源的結構不會(huì )改變。因此,以煤代油是我國大學(xué)的 Ian Wark Research Institute提出了納米氣項長(cháng)期的能源政策。目前,我國的水煤漿技術(shù)已泡新概念2(國內外研究人員運用先進(jìn)的測試技達到國際領(lǐng)先水平,正向工業(yè)化和生產(chǎn)裝置大型術(shù),均已證明納米氣泡的存在19),并已在實(shí)驗室化方向發(fā)展,水煤漿作為一種以煤代油技術(shù)將能中應用納米氣泡橋聯(lián)機理制備粘土礦物/水懸浮發(fā)揮其應有的作用。液、油/水分散體系、石墨水分散體系、煤/水及煤參考文獻/油小水分散體系。其中煤/水煤/油/水分散體系在水煤漿的制備中將有很好的應用前景。[]李智偉我國水煤漿燃燒技術(shù)與工業(yè)發(fā)展前景[].云南冶經(jīng)典DLVO理論認為膠體顆粒間的互相作金,2002,31(6):43-4[2]龔文琪礦物加工研究的前沿課題及最新進(jìn)展——出國研用能為其范德華吸引能與雙電層排斥能之和修工作匯報[R].武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院(VP=vE+V),該理論在解釋微粒的分散凝聚行為時(shí),常常出現一些偏差。因此僅僅考慮范德[3]朱紅趙煒,閆學(xué)海油水煤漿三元混合體系的制備及特性華吸引能和雙電層排斥能是不夠的,還需要加上研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,31(6):579[4】付貴祥李新元水煤漿技術(shù)的應用發(fā)展與研究[J]水力其他相互作用能,于是便產(chǎn)生了擴展的DLVO理采煤與管道運輸,2000(4)論( EDLVO理論):VP=VE+Vw+V1m+Vm+[5]張榮曾何維軍高濃度水煤漿燃料的制備技術(shù)[J.佛山Vs+VM(式中:Vm為水化排斥能,VHA為疏水瓷,2003,(4):12-13[6]王柱勇第三講:水煤漿燃料(CWF)的制備[J選煤技術(shù),吸引能,Vs為空間穩定化排斥能,VMA為磁吸引1994,(6):36能)。關(guān)于VH的起因,當前最新研究進(jìn)展認為是[7]謝寶東邱學(xué)青,王衛星,木質(zhì)素改性與木質(zhì)素水煤漿添加由于氣泡的橋聯(lián)作用,即疏水表面吸附的納米級劑[J]造紙科學(xué)與技術(shù),2003,22(6):122氣泡產(chǎn)生吸引作用,互相靠近后氣泡破裂,表面發(fā)[8]朱書(shū)全,鄒立壯,黃波崔廣文,王奇水煤漿添加劑與煤之間的相互作用規律研究[J]燃料化學(xué)學(xué)報,2003,31(6):生接觸,因此導致疏水礦物在水中易團聚,難于分9-524散。如能清除溶液中及礦物表面吸附的納米氣[9]郭照冰,吳國光水煤漿添加劑的研究現狀與發(fā)展趨勢泡,破壞礦物顆粒的團聚,即能實(shí)現充分分散[J].潔凈煤技術(shù),2001,7(1):32-33Ian Wark Research Institute的研究人員正在探索[10]李鳳起,支獻華梁存珍,等.木質(zhì)素磺酸鹽化學(xué)改性及制漿性能研究[J]煤炭加工與綜合利用,200,0(2):26清除納米氣泡的方法。其中采用的方法之一是反[1]冉寧慶,戴郁菁朱光,等亞甲基萘磺酸-苯乙烯磺酸復冷凍一抽真空一解凍,直至氣體排盡。采用這來(lái)酸鹽對水煤漿的分散作用研究[J]南京大學(xué)學(xué)報(自種方法已經(jīng)在實(shí)驗室中制備出完全分散的滑石然科學(xué)版),1999,3(5):643-647水懸浮液。在此基礎上澳大利亞科學(xué)家正在研究[12]孫慈忠表面活性劑在水煤漿制漿中的應用[]精細與專(zhuān)用化學(xué)品,2002,(8):18油/水混合體系煤/水及煤/油小水分散體系的制[13]張延霖邱學(xué)青,王衛星水煤漿添加劑的發(fā)展動(dòng)向[J]現備新工藝。用反復冷凍一抽真空-解凍的方法,代化工,2004,24(3):16-17.排盡油小水煤/水煤/油/體系中溶解的氣體[14] Oxce Fuel Company Coal aqueous slurry[ P]. US: 4645514制備出穩定的油水煤/水、煤油/水分散體系[15]壽崇琦,趙春賓,賈海波,等水煤漿添加劑及水煤漿穩定即使重新向體系中充氣,也不會(huì )破壞其穩定性(其的研究[J].日用化學(xué)工業(yè),2003,33(2):17-18原因尚在研究之中)。[16]程京艷,張玲,劉艷華,等一種水煤漿新型穩定劑的研究利用納米氣泡橋聯(lián)機理制備穩定的煤/水分[J]煤炭加工與綜合利用,199(3):24散體系的方法,為水煤漿的生產(chǎn)制備提供了一種[17]曾凡,馬學(xué)軍朱書(shū)全,等煤炭加工利用文集:水煤漿技術(shù)譯文集-國際煤漿會(huì )議論文選[M].北京:中國煤炭加工新的思路。利用協(xié)會(huì ),19946結束語(yǔ)[18]中國煤化工評述口嫌炭轉化我國的能源以煤為主,石油相對缺乏,石油進(jìn)[19]CNMHG林,胡釣固液界面納米氣泡的研究[電子顯微學(xué)報,203,2(2):136-141口量大。預計在未來(lái)的30~50a內,以煤為主要