煤的性质对其成浆性影响的研究综述

王慧杰

摘要：煤是水煤浆的主要原料和热源，其性质是决定水煤浆性质的关键因素。本文对煤性质对其成浆性的影响进行了详细分析。

关键词：水煤浆；煤质；成浆性

水煤浆是由一定比例的煤、水和相应的药剂，经搅拌混匀后的一种稳定的煤-水分散体，其技术源起于20世纪70年代的“石油危机”期间。经过多年的发展，水煤浆已成为一项成熟的技术，并得到了广泛的发展。

一、水煤浆简介

水煤浆是一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料，它由65%左右的煤、34%的水和1%的添加剂经物理加工而成。其改变了传统的煤炭燃烧方式，显示出了环保节能的巨大优势。近年来，随着废弃物循环利用技术的采用，成功开发出环境友好型水煤浆，它可在不增加成本的前提下，极大地提高了水煤浆的环保效益。在我国丰富的煤炭资源保障下，水煤浆已成为替代油、气等最基本、最经济的洁净能源。

1、发展概况。水煤浆是20世纪70年代兴起的一种新型煤基液体燃料，由65%的煤、34%的水和1%的化学添加剂通过一定的工艺过程制成，其灰分、硫含量低，燃烧时火焰中心温度低，燃烧效率高，烟尘、SO2及NOx排放量均低于燃油和燃煤。许多国家将其作为以煤代油的燃料技术进行研究、开发和储备，且已实现商业化使用。

我国水煤浆的研究工作始于20世纪70年代末，80年代初，与国外同步，直接原因是国际上爆发的石油危机，使各个国家都在寻找以一种代替石油的新能源。而我国是一个富煤、少气和贫油的国家。因此，我国一直致力于水煤浆的研发工作，并于1983年5月攻关研制出了第一批水煤浆试燃烧成功。近年来，我国水煤浆制备技术及燃料技术发展迅速，先后完成了动力锅炉、电厂锅炉、轧钢加热炉、热处理炉、干燥窑等炉窑燃用水煤浆的工程试验。

2、优点。①经济性：水煤浆属于煤基清洁燃料，我国的能源结构决定煤炭的价格涨幅低于燃油、燃气。②安全性：水煤浆属于非易燃流体，相对于油、气、煤粉的易燃、易爆来说，提高了其安全性。③高效性：水煤浆燃尽率高，节省燃料。④环保性：水煤浆是一种深度洁净煤技术，环保达标。

二、煤质对成浆性的影响

1、水分。原煤含水率对煤的成浆性影响主要是由于煤浆颗粒孔隙中的水吸附所致。煤的内在水吸附在煤颗粒的孔隙中，只有经加热的方式才能将其剔除。在水煤浆的制备过程中，内在水分不能形成水化膜，参与降低颗粒间的机械阻力，也不能参与改善浆体的流动性，反而会降低可制得水煤浆的浓度。研究表明，最高内在水分含量高的煤种很难制备出高浓度的水煤浆。

2、含氧量。煤中的氧元素主要以含氧官能团的形式存在，只有少量的氧在煤的大分子结构中成为杂环氧。如褐煤的主要含氧官能团是酚羟基，其次是羟基与羰基，而甲氧基很少，随着碳含量的增加，这些基团有降低的趋势。含氧官能团是亲水性基团，在水煤浆制备过程中，亲水性基团干扰分散剂在颗粒表面的吸附，降低其分散性，导致水煤浆粘度增加。可利用微热量仪测定不同变质程度煤在水中的润湿热，研究煤的润湿热与煤中水分、氧含量及与水煤浆之间的关系，结果发现润湿热与煤的成浆性有较好的对应关系；煤和水的作用为放热反应，煤阶越低，其含氧量越多，润湿热越大，煤的成浆性能越差。同时，孔隙结构中含氧官能团的含量高，将增强孔隙表面的亲水性，原有的外在水分通过毛细管作用被吸入孔隙中，不但降低了煤的成浆性，而且提高了对其提质处理的难度。

3、灰分。煤经洗选后，在不添加任何添加剂的情况下，煤浆的pH值和粘度随灰分的降低而增加，当加入LomarD表面活性剂后，不同灰分煤浆间的粘度差别很小。有学者研究了17%灰分原煤、53%灰分精煤和1.6%灰分低灰精煤的表面化学特性与成浆性的关系。先将SplashDam煤分选后得到这三种煤，并将其破碎成相同粒径分布，测定其表面积、密度、被甲醇/水溶液润湿的临界表面张力、在非离子和阴离子及阳离子表面活性剂溶液中的润湿性、50%浓度煤浆的电泳淌度随pH值的变化，发现从原煤到精煤的表面性质与成浆性的变化比从精煤到低灰精煤的这些变化更为明显。研究结果表明，洗选出的矿物多为粘土矿物，除去的铁和钠矿物较少，对钙、硫矿物影响不大；低灰精煤中的可溶铁含量最高；高灰原煤比其他煤更易被润湿，因此高灰煤浆的性质与时间关系不大；精煤的表面性质随pH值的变化比原煤的小，且在较宽的pH值范围内，煤浆粘度较低，沉降稳定性较好。

此外，灰分高的煤容易制得高浓度的水煤浆；对添加剂吸附能力强的煤，一般具有较好的稳定性；在一定pH值条件下，-电位绝对值的变化是煤和添加剂相互作用程度的量度；调整酸度使表面电位降低有利于水煤浆的稳定性，反之有利于提高水煤浆的浓度。另外，煤中矿物质对水煤浆的影响存在着不同的观点，究其原因是研究人员使用的添加剂与煤样不同。因此，不同矿物成分和含量的煤样需要使用不同类型的阴离子添加剂进行制浆，以获得更好的技术与经济性能。

4、煤的表面电性。煤的表面物理化学性质，特别是表面电性对水煤浆的流变性能有一定的影响。1)表面电荷对水煤浆的性质有很大影响。当煤颗粒表面电荷较大时，浆液粘度较低，浆液为牛顿或宾汉塑性流体，但破坏了浆液沉降稳定性；当煤颗粒表面电荷接近零时，发生絮凝，浆液粘度较高，具有良好的沉降稳定性。只有当表面电荷适当时，才能兼顾浆体的流变性及稳定性。2)煤的表面既疏水又不均匀。煤表面的荷电程度取决于煤粉的润湿性。3)具有较好表面润湿性的煤颗粒，其表面电性取决于煤有机部分极性官能团的本征电荷数和煤中可溶性无机矿物的情况，因此煤的-电位与pH值的关系较复杂，且存在多个等电点；当除去煤中的矿物质后，-位与pH值的关系非常简单，只有一个等电点。4)水煤浆的pH值随时间而变化，并逐渐趋于煤在水中的自然pH值。5)煤的电荷也影响水煤浆的最大可达浓度。当煤表面荷电高时，颗粒倾向于更高效的堆积，煤浆最大可达浓度大。

有学者研究了外加电解质对煤浆流变性的影响：在使用阴离子表面活性剂的情况下，煤颗粒的分散主要依赖于静电排斥力，而高价金属离子的加入对煤浆的流变性有很大的影响；而对于非离子表面活性剂，颗粒间的分散依赖于立体排斥效应，金属离子的加入对水煤浆的稳定性影响不大。此外，用超声波法研究了PSS及NSF两种分散剂的分散性及其与表面电动位的对应关系。结果表明，利用能使煤表面-电位绝对值增大的分散剂制浆，具有良好的分散性和较低的浆粘度。

因此，当pH值一定时，煤的表面电性受外加金属离子、外加有机表面活性剂、煤中矿物溶解离子和煤表面极性的影响。在煤种选定的情况下，阴离子表面活性剂的添加能改善煤的表面电性，煤颗粒的分散性较好，水煤浆的粘度较低；外加金属离子会降低煤颗粒的表面电性，增加煤颗粒间相互凝聚的趋势，增加水煤浆的粘度，提高水煤浆的稳定性。因此，在实际应用中，将一些金属离子用作水煤浆的稳定剂，而溶于煤中的金属离子和外加的金属离子具有相同的作用。

综上所述，煤的孔隙率与表面特性对成浆性的影响均有所体现。所有具备脱孔、脱含氧官能团的处理手段，均能提高低阶煤的成浆性。从煤粉在水环境中的稳定分散可知，水会优先进入煤孔隙，但不会稳定分散煤颗粒，因此需要额外的水来提供足够的流动性；而高含氧官能团含量的煤表面具有较高的亲水性，这将恶化分散剂在颗粒表面的定向吸附，导致药剂用量的增加，从而不必要地增加了水化膜的厚度，致使需要额外的水来保证流动性。由此可见，煤的孔隙率和煤表面氧含量是影响煤浆质量的重要机理因素。

参考文献：

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