水煤浆添加剂工业试验

水煤浆添加剂工业试验
张家明(安徽淮化集团有限公司，安徽淮南 232038) 2002-01-16
0 前言
我国煤炭资源十分丰富，石油资源相对短缺，在一次能源生产与消费结构中以煤为主的格局相当时期内难以改变，因此发展洁净煤技术是现实的选择。

水煤浆技术是我国洁净煤技术的主要组成部分，水煤浆作为一种煤基液态燃料，在我国经过10多年的技术开发、工业性试验和商业示范应用，已显示出具有代油、节能、燃烧效率高和污染低等诸多优势。

煤炭的主体是有机质，它的表面具有强烈的疏水性，煤粉又具有极大的比表面，很容易自发地彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体，浓度较高时会形成一种湿的泥团。

当水煤浆中的固体颗粒呈现聚结状态，流动时剪切平面必然会通过这些聚结物，引起较大的机械阻力，使得体系粘度高、流动性差。

添加剂一般是含有大量离子基团的大分子表面活性剂。

煤水体系中加入添加剂后，添加剂分子吸附在煤粒表面：一方面，亲和力强的芳环和侧链烷基为疏水基吸附在煤粒表面非极性区域内；另一方面，—CH3等离子基团中的一部分吸附在带相反电荷的煤粒表面，其余部分则作为亲水基指向液相，使得水分子吸附在煤粒表面，从而使煤粒表面由疏水性变为亲水性，固液界面张力得到了降低，促进了煤粒在水中的分散；同时，加入添加剂后，不带电的煤粒表面因吸附添加剂分子而带负电荷，同种电荷相互排斥，从而形成了一个阻止粒子聚集的电势垒，利于煤颗粒的分散。

添加剂在煤粒表面不仅发生物理吸附，而且存在较强的化学吸附，使添加剂分子很难从煤粒表面分离开来，一定程度上保持了煤颗粒间的电势垒。

同时，水化膜将煤粒隔开，减少了煤粒间的阻力，起到了降粘作用。

根据淮化德士古气化炉所用的水煤浆性能指标要求，我们将有关厂家提供的3种类型添加剂在工业装置上对义马煤进行了成浆试验。

本次工业试验的目的是确认该产品能否作为工业用水煤浆添加剂，该产品作水煤浆添加剂的用量及工业操作条件，考核用该产品制得煤浆的特性以及对生产的影响。

1 试验
1.1 原料煤的性质
试验所用煤样为义马煤，煤质分析结果列于表1煤粒度分布服从实际生产要求。

由表1可知，义马煤硫含量较低，挥发分含量高，发热量大，灰熔点较低，属于比较理想的气化煤种。

但分析基水分较高，可磨指数偏低，难以制备成高浓度的水煤浆，可制浆的最高浓度为 65.61％。

1.2 水煤浆添加剂
试验选用了3种添加剂，即陕西渭河化肥厂提供的木质素添加剂、上海昆山水煤浆添加剂厂提供的丙烯酸添加剂、上海焦化厂提供的萘系添加剂，3种添加剂理化性质列于表2。

3种添加剂在工业装置上用义马煤进行了成浆试验，在2＃磨机内磨制完成了添加量试验、1＃磨机内磨制完成了制浆浓度试验，考察
了水煤浆的流动性、稳定性，以及对生产的影响。

试验期间，制浆用煤量(干煤)为17～29t／h，水煤浆产量为30～45 t／h。

1.3 主要控制指标及分析仪器
主要控制指标见表3。

使用的分析仪器为NXS-11型旋转粘度计，SCB-609B水分快速测定仪，PHS-2酸度计。

2 结果与讨论
2.1 添加剂添加量试验
制浆试验分系统置换、最佳添加量试验、最高浓度试验；稳定运行4个阶段。

系统置换阶段主要看该添加剂是否与原添加剂相溶，两种添加剂制得水煤浆是否起化学反应，制浆系统是否有不良反应。

为了确定添加剂对义马煤的最佳用量，试验保持煤浆浓度相对稳定，调节添加量来控制煤浆粘度，当粘度不能满足Texaco气化炉对水煤浆的要求时，该添加量即为最佳添加量。

添加剂添加量试验结果见表4。

从表4可以看出，pH值基本保持不变，添加剂用量逐步降到满足煤浆特性生产要求，系统生产稳定，试验第一阶段完成。

从表4可以看出，木质素添加剂添加量在0.20％～0.25％(浆基)之间较为适宜，煤浆浓度为(62±0.5)％时，最佳添加量为0.22％(浆基)。

丙烯酸添加剂添加量在0.20％～0.25％(浆基)之间较为适宜，煤浆浓度为(62±0.5)％时，最佳添加量为0.23％(浆基)。

萘系添加剂添加量在0.18％～0.28％(浆基)之间较为适宜，煤浆浓度为(62±0.5)％时，最佳添加量为0.23％ (浆基)。

2.2 浓度试验
最高浓度试验是根据筛选的最佳添加量，保持3种添加剂添加量基本不变，即木质素添加剂添加量为0.22％(浆基)，丙烯酸添加剂添加量为0.23％(浆基)，萘系添加剂添加量为0.23％(浆基)，调节球磨机煤量和水量，改变煤浆浓度，当粘度不能满足要求时，即为该添加剂制浆最高浓度。

浓度试验结果见表5。

从表5可以看出，3种添加剂在其添加范围内时，均可以制得浓度为63％的水煤浆。

木质素与丙烯酸添加剂所制煤浆流动性、稳定性较好，萘系添加剂所制煤浆粘度较低，稳定性差，析水较多。

试验期间，使用萘系添加剂，煤浆泵多次发生不打量情况；使用木质素与丙烯酸添加剂，煤浆泵未发生不打量情况，系统运行正常，满足Texaco气化用水煤浆的需要，煤浆性能稳定。

2.3 粒度分布对成浆性的影响
粒度组成是煤浆的一个重要特征，浓度相同的煤浆若粒度组成不同，煤浆特性也不相同。

在本次试验中，取不同时间的煤浆，测定其粒度组成，结果见表6。

由表6可知，使用3种添加剂制得的水煤浆，其粒度组成与原添加剂制浆的粒度组成相近，满足Texaco气化用煤浆的需要。

2.4 添加剂制浆气化效果
3种添加剂制得的水煤浆全部使用到Texaco气化炉上，试验期间Texaco气化炉压力、温度稳定，喷嘴雾化效果良好，排渣顺利，合成气组分稳定，气化灰水处理系统运转正常，各排放指标符合生产要求，整个系统运行状态良好。

后系统净化、合成工序运行稳定，各工艺指标运行正常，日产合成氨330t，接近我公司最好水平。

3 结论
3.1 由工业试验数据可知，义马煤属于低变质程度、难成浆煤种，木质素与丙烯酸作为义马煤的添加剂制得的水煤浆，其煤浆特性、pH 值、粒度组成符合Texaco气化装置用水煤浆的要求。

3.2 使用木质素添加剂制浆时，其添加量在0.20％～0.25％之间较为适宜，最佳添加量为 0.22％(浆基)。

添加剂量在0.22％(浆基)时，对义马煤可以制得浓度为63.3％的水煤浆。

使用丙烯酸添加剂制浆时，其添加量在0.20％～0.25％之间较为适宜，最佳添加量为0.23％(浆基)。

添加剂量在0.23％(浆基)时，对义马煤可以制得浓度为62.9％的水煤浆。

3.3 木质素与丙烯酸添加剂所制煤浆流动性、稳定性较好，萘系添加剂所制煤浆粘度较低，稳定性差，析水较多。

试验期间，使用萘系添加剂，煤浆泵多次发生不打量情况。

3.4 试验期间整个系统运行状态良好，各工艺指标运行正常。

木质素与丙烯酸两种添加剂可以作为义马煤水煤浆的添加剂。

水煤浆添加剂在高浓度水煤浆生产中的应用
周长丽(河北工业职业技术学院环境与化学工程系，河北石家庄，050091) 2006-05-24
1 前言
石油作为一次性不可再生的能源为人类服务了将近一个世纪，但目前已经濒临枯竭；开发核能，虽然经济，但是具有一定危险性，
其最终的社会和经济效益目前还无定论；因此，人们重新将目光转向煤炭。

中国的产煤大国，煤炭作为能源的储量可供人类继续使用300年；中国也是耗煤大国，长期以来，国内采用直接燃煤的落后技术，一方面造成煤炭的不完全燃烧，热值较低，浪费了宝贵的能源；另一方面，直接燃煤所带来的环境污染、酸雨等，已成为环保极难解决的问题。

高浓度水煤浆是近20年发展起来的一种煤基流体燃料，将具有一定粒径分布的煤粉均匀分布在水中形成高度分散的煤水混合物。

它由70％左右的煤，30％水及少量化学添加剂制成，是一种浆体燃料。

它具有石油一样的流动性和稳定性，通过泵送、雾化后可以稳定地燃烧，也可以管道输送、远洋运输，并长期贮存。

水煤浆在取代油、气及干煤燃烧方面，其热值相当于燃料油的一半，具有环保、节能等综合效益，是我国洁净煤技术的一项重要内容。

可代替燃料油用于锅炉，电站与工业炉窑；代替煤炭燃用，具有燃烧效率高、负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件、节省用煤等优点。

最重要的是其二氧化硫和粉煤灰排放少，避免了酸雨的形成，环境污染小，具有极高的社会和经济效益。

2 高浓度水煤浆制备所需的技术措施
要做出高性能要求的高浓度水煤浆，单用细煤粉与水简单混合起来是无法实现的，还必须采取一些特殊的技术措施，主要有：
2.1 级配技术
级配技术是制浆的关键技术之一，是水煤浆产品中颗粒大小的组成情况，将原料煤磨成水煤浆产品，要求产品的粒度组成有较高的堆积效率，堆积空隙最小，大颗粒间的空隙被较小颗粒充填，小颗粒间的空隙又被更小的颗粒充填，以此减少空隙的水量，提高制浆浓度，改善产品流动性。

制浆工艺流程中，要有实现较佳级配的功能。

2.2 添加剂技术
在高浓度水煤浆性能中，最为重要的是低粘度和良好的稳定性、流动性。

然而，煤炭属疏水性物质，又是颗粒悬浮体，即使易制浆煤种并具有高堆积的颗粒分布，无化学添加剂也不可能制成希望的高浓度水煤浆。

添加剂的主要作用在于改变煤颗粒的表面性质，促使颗粒在水中分散，使浆体有良好的流变特性和稳定性。

此外，还要借助添加剂调节煤浆的酸碱度，消除有害因素(如气泡、有害成分等)。

根据作用不同，可将添加剂分为分散剂、稳定剂和助剂三大类，其中前两种最为重要。

2.2.1 分散剂
分散剂是最重要的添加剂，其主要作用是改变煤表面的亲水性，降低煤水界面张力，使煤粒充分润湿和均匀分散在少量水中。

煤炭的主体是有机质，它是结构十分复杂的大分子碳氢化合物，其表面具有强烈的疏水性，不易为水所润湿。

细煤粉又具有极大的比表面积，在水中很容易自发地彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。

所以制浆中必需加入少量的化学添加剂，即分散剂，以改变煤粒的表面性质，从而使水煤浆有良好的流变特性。

其中最要紧的是降低粘度，使之有良好的流动性；其次是有理想的流型。

由于各地煤炭的性质千差万别，适用的添加剂会因煤而异，不是一成不变的。

分散剂属表面活性剂，常见阴离子型和非离子型。

(1)阴离子型分散剂
此类化合物属低分子量电解质或大分子及准高分子聚电解质。

包括磺酸盐、羧酸盐及少量磷脂类。

普遍应用的是磺酸盐、萘磺酸盐、磺化腐植酸盐、磺化木质素及石油磺酸盐及磺化沥青等。

(2)非离子型分散剂
水煤浆用的非离子型分散剂分子的亲水端，是聚氧乙烯链或再配以少许磺酸基。

亲固端是烷基、烷基苯或烷基苯酸等。

2.2.2 稳定剂
稳定剂的作用是使煤颗粒稳定悬浮在水中，不发生硬沉淀。

由于水煤浆毕竟是一种固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结。

在重力或其他外力作用下，很容易发生沉淀。

为防止发生硬沉淀，必需加入少量的化学添加剂，即稳定剂。

稳定剂有两种作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当静置存放时
水煤浆有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面是使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。

稳定剂主要有无机电解质、高分子化合物两类，如各种可溶性盐类、高分子表面活性剂、纤维素、聚丙烯酸盐等。

稳定剂的用量随煤种、稳定剂类型、要求的稳定期而异，变化在干煤量的0.1％～0.006％之间。

从以上可以看出，水煤浆添加剂是水煤浆生产过程中必需的重要助剂，特别是对高浓度、高稳定性水煤浆的制备，添加剂的作用尤为关键。

为使水煤浆既具有高分散性，又能在长期贮存和远距离输送中有足够的稳定性，作为水煤浆的添加剂，必须考虑分散剂和稳定剂之间的配合效应，以保证水煤浆的最终性能。

迪昆公司在借鉴气化用水煤浆分散剂的基础上，选择以有机羧酸为主体的共聚物合成路线，制取分散性能高、稳定性能好、成本较低廉的水煤浆分散剂，并与酰胺类稳定剂配成CWF型水煤浆添加剂。

使用结果显示，其分散性、润湿性及动静态稳定性等性能基本相似舌日本产添加剂，某些性能甚至优于日本该类产品。

目前，迪昆公司正在根据不同用户的不同煤种要求，形成系列水煤浆添加剂。

利用该添加剂制备浓度达69％的水煤浆，经过1700多海里的运输，仍保持了高稳定性及流动性等优良指标。

专家指出，在能源多样化的时代，工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉以水煤浆代油、代气、代煤和在化肥生产中，水煤浆具有良好的推广应用前景。

3 水煤浆添加剂的加入方式
高浓度水煤浆制备添加的分散剂采用湿法连续加入方式，稳定剂采用干法定量间断加入方式，工艺流程框图见图1。

4 水煤浆技术指标及经济效益分析
4.1 水煤浆技术指标
(1)灰分：≤10％
(2)平均粒度：50μm
(3)浓度：70％水煤浆低位发热量5000kCal／kg
(4)表面粘度：1.2±0.2Pa·s
(5)流变特性：具有屈服值，为假塑性流体；并且具有触变性。

(4)稳定性：静止存放三个月不发生硬性沉淀。

4.2 经济效益分析
水煤浆是代替燃烧用柴油、汽油，重油、渣油等石油燃料的最佳替代品。

水煤浆的制备是选用优质的精选煤粉，用大型球磨机连续性出料，磨至煤粉粒径在75微米左右，用水和一定数量的添加剂配置成浓度约在70％左右的水煤浆。

性能优良发的水煤浆可以长期保存，长距运输使用。

按目前重油价格计算，一吨重油约1700元／t，两吨水煤浆的热值可以达到一吨重油的热值，而两吨水煤浆的价格仅在 700元左右。

因此，若用水煤浆代替重油等，按原来每天燃料10吨重油计算，用水煤浆后，可以每天节约费用1000×10＝1万元，一年可以节约资金365万元。