柳金秋等 : 不同分散剂及添加量对神木煤成浆性能的影响 2018 年第 5 期 用是改善煤炭颗粒表面的亲水性 ꎬ 使煤能均匀分散 在水中 ꎬ 保证水煤浆具有良好的流动性 [2-3] ꎬ 稳定剂 是为保证水煤浆存放时具有高黏度 ꎬ 流动时具有低 黏度 ꎬ 同时避免产生硬沉淀 [4-5] ꎮ 水煤浆添加

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1 中国煤炭期刊网 第 46 卷第 5 期 2018 年 Vol.46 煤炭科学技术 Coal Science and Technology 5月 May No.5 2018 不同分散剂及添加量对神木煤成浆性能的影响 柳金秋1 ꎬ段清兵1ꎬ2 (1.中煤科工清洁能源股份有限公司ꎬ北京 摘 100013ꎻ2.北京煤科成城科技发展有限公司ꎬ北京 100013) 要:为了比较萘磺酸甲醛缩合物( 萘系) 脂肪族 聚羧酸系 木质素磺酸钠 4 类分散剂在水煤浆 制浆过程中的作用及效果ꎬ通过成浆性试验研究了不同分散剂对神木煤成浆的最高浓度 黏度和流动 性的影响规律ꎬ并分析了不同添加剂的性能差异及其分散作用机理ꎮ 结果表明:在分散剂添加量为 0.2 时ꎬ分别使用萘系 脂肪族 聚羧酸系 木质素磺酸钠作为分散剂ꎬ制得神木煤浆最高浓度分别为 65.97 67.74 66.54 和 67.61 ꎮ 不同分散剂的分散性能从优到劣为萘系 脂肪族 聚羧酸系 木 质素磺酸钠ꎬ分散剂阴离子的匹配效果为磺酸基>羧基>羟基ꎮ 以萘系分散剂研究分散剂添加量对神 木煤水煤浆黏度的影响ꎬ发现分散剂的饱和吸附量为 0.6 ꎬ随着分散剂添加量增加ꎬ水煤浆黏度降 低ꎬ到达饱和吸附量后黏度反而增大ꎮ 关键词:分散剂ꎻ水煤浆ꎻ成浆性ꎻ粒度级配ꎻ饱和吸附量 中图分类号:TQ536 文献标志码:A 文章编号:0253 2336(2018)05 0224 05 Effects of different dispersants and dosage on coal water slurry properties of Shenmu Coal LIU Jinqiu 1 ꎬDUAN Qingbin 1ꎬ2 (1.China Coal Technology Engineering Group Clean Energy Company LimitedꎬBeijing 2.Beijing Chengcheng Coal Science and Technology Development Company LimitedꎬBeijing 100013ꎬChinaꎻ 100013ꎬChina) Abstract:In order to compare the effects of four dispersants of naphthaleneꎬ aliphaticꎬ polycarboxyliateꎬ sodium lignosulfonate dispersants during preparing the coal water slurryꎬ the effects law of different dispersants on the highest concentrationꎬ viscosity and fluidity of Shenmu coal water slurry were carried out. The performance of different dispersants and dispersing mechanism were analyzed. The results showed that the dosage of 0.2 of naphthaleneꎬ aliphaticꎬpolycarboxylic acidꎬ sodium lignosulfonate respectivelyꎬ the highest concentration of Shenmu coal slurry prepared were 65.97 ꎬ 67.74 ꎬ 66.54 and 67.61 respectively. The dispersion properties from good to bad was naphthaleneꎬ aliphaticꎬpolycarboxylate and sodium lignosulfonate. The matching effect of the dispersant anion was sulfonic group the bestꎬ followed by the carboxyl groupꎬ with the worst hydroxyl group. The effect of the dosage of dispersant on the viscosity of Shenmu coal water slurry was studied with naphthalene. It found that the saturated adsorption capacity of the dispersant was 0.6. With the dosage of disper sant increasedꎬ the viscosity of coal slurry decreased and the viscosity increased after reaching the saturated adsorption capacity. Key words:dispersantꎻ coal water slurryꎻ slurry abilityꎻ grain gradationꎻ adsorbance quantity 0 引 浆技术作为洁净煤技术的一项重要内容越来越受到 言 水煤浆作为清洁燃料和气化原料ꎬ是由 60 ~ 70 的煤ꎬ30 ~ 40 的水以及 0.1 ~ 1.0 的添加 剂组成ꎮ 随着环境 能源问题的矛盾日益凸显ꎬ水煤 收稿日期:2018 01 22ꎻ责任编辑:代艳玲 重视ꎬ水煤浆添加剂的开发和研究对水煤浆技术的 发展至关重要ꎬ是水煤浆技术的研究重点ꎮ 添加剂 按性能分为:分散剂 稳定剂以及其他一些辅助添加 剂 [1] ꎮ 煤是疏水性物质ꎬ不容易被润湿ꎬ分散剂作 DOI:10.13199 / j.cnki.cst.2018.05.036 基金项目:中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金资助项目(2018QN040) 作者简介:柳金秋(1990 ) ꎬ女ꎬ江苏徐州人ꎬ助理工程师ꎬ硕士ꎮ E mail:liujinqiu cctegce.com 引用格式:柳金秋ꎬ段清兵.不同分散剂及添加量对神木煤成浆性能的影响[ J].煤炭科学技术ꎬ2018ꎬ46(5) :224 228. LIU JinqiuꎬDUAN Qingbin.Effects of different dispersants and dosage on coal water slurry properties of Shenmu Coal[ J].Coal Science and Tech 224 nologyꎬ2018ꎬ46(5) :224 228.

2 柳金秋等 : 不同分散剂及添加量对神木煤成浆性能的影响 2018 年第 5 期 用是改善煤炭颗粒表面的亲水性 ꎬ 使煤能均匀分散 在水中 ꎬ 保证水煤浆具有良好的流动性 [2-3] ꎬ 稳定剂 是为保证水煤浆存放时具有高黏度 ꎬ 流动时具有低 黏度 ꎬ 同时避免产生硬沉淀 [4-5] ꎮ 水煤浆添加剂对 水煤浆的性能起着关键的作用 ꎬ 不仅直接决定着水 煤浆质量 ꎬ 还影响着水煤浆的经济性 [6] ꎮ 水煤浆添 加剂的分散性能是影响气化水煤浆工业应用的主要 性质之一 ꎮ 现在工业上应用较多的分散剂有木质素 磺酸钠 (MN) 萘系 (NSF) 聚羧酸系 (MPEG) 脂肪 族 (HSB) 等 [7-9] ꎮ 以上分散剂均具有一部分可溶于 水 ꎬ 另一部分易自水中逃逸的双重特性 ꎬ 其分子在水 煤浆中很容易被吸附在煤 - 水界面上形成独特的定 向排列的单分子膜 ꎬ 由于具有分散性 ꎬ 从而对水煤浆 [10] 成浆性具有一定的影响 ꎮ 戴财胜等研究了木质 素制神华煤水煤浆添加剂 ꎬ 比较了 DCSA( 神华水煤 浆添加剂 ) 与典型商用添加剂 NDF( 中国矿业大学 研制萘系添加剂 ) NSF( 南京大学研制萘系添加剂 ) 和 DCS( 碱木素复合型添加剂 ) 对神华煤成浆性影 响 ꎬ 结果表明 : 在相同的成浆条件下 ꎬDCSA 的分散 [11] 与稳定性能均优于 NDF NSF 和 DCSꎮ 孙美洁等 利用 Turbiscan Lab 稳定性分析仪研究了萘系分散 剂与木质素系分散剂对褐煤水煤浆稳定性的影响 ꎬ 研究表明 ꎬ 褐煤添加木质素分散剂的稳定性优于单 [12] 独使用萘系分散剂 ꎮ 孟献梁等研究了聚羧酸系 水煤浆分散剂对高灰煤泥成浆性的影响 ꎬ 结果表明 : Table 1 表 1 聚羧酸系水煤浆分散剂与煤泥样品结构相似 ꎬ 具有 [ 13 ] 很好的匹配性 ꎮ 王玥等研究了脂肪族磺酸盐分 散剂 (SAF) 对低阶煤制浆性能的影响 ꎬ 结果表明 : SAF 的相对分子质量和磺化度是影响其分散降黏作 用的主要因素 ꎮ 近年来 ꎬ 众多研究者对水煤浆添加 剂研发做了诸多工作 ꎬ 但不同结构特征的添加剂对 煤成浆性影响的相关报道较少 ꎬ 鲜有文献综合对 MN NSF MPEG 和 HSB 的分散性能进行综合对比 ꎬ 关于添加剂饱和吸附量与水煤浆黏度关系的研究也 较少 ꎮ 基于此 ꎬ 笔者采用神木煤进行成浆性试验 ꎬ 在 [ 14 ] 最佳粒度级配条件下 ꎬ 分别考察 MN NSF MPEG 和 HSB 四种添加剂对同一种煤制得的水煤 浆最高成浆浓度 黏度和流动性的影响 ꎮ 通过改变 分散剂的添加量 ꎬ 研究相同浓度条件下 ꎬ 分散剂添加 量对神木煤浆黏度的影响 ꎮ 通过试验研究得出 ꎬ 在 未进行复配条件下 ꎬMN NSF MPEG 和 HSB 的分散 性能的优劣情况 ꎬ 分析添加剂的饱和吸附量与水煤 浆黏度的关系 ꎬ 以期为提高分散剂的性能提供技术 参考 ꎮ 1 试验 1.1 煤质分析 神木煤的工业分析和元素分析 试验煤样选用神木煤 ꎬ 其煤质特性分析见表 1ꎮ 从煤质分析结果来看 ꎬ 神木煤属于低灰 低硫 高挥 发分煤种 ꎬ 为典型的气化用煤 ꎮ Proximate and ultimate analysis of Shenmu Coal 样品 工业分析 / % M ad A d V daf FC d 元素分析 ( 干燥基 ) / % w(c) w(h) w(o) w(n) w(s) t 神木煤 试验方法 水煤浆制备试验采用干法制浆 ꎬ 一次制浆量为 250 gꎮ 分别用棒磨机制得粒度合适的粗粉 ꎻ 利用球磨机通过不 散剂比例计算出所需粗粉 细粉 超细粉 水 分散剂的质量并混合 ꎬ 利用搅拌器在 800 r / min 条件下搅拌 6 minꎬ 制成水煤浆样品 ꎮ 水煤浆样品的粒度分布测定结果见表 2ꎮ 同研磨时间制得细粉和超细粉 ꎮ 根据设定浓度及分 表 2 水煤浆的粒度分布 Table 2 Particle size distribution of coal water slurry 粒径 / μm > ~ ~ ~ ~ 75 <45 质量分数 / % 成浆性分析 气化水煤浆成浆性分析包括煤浆的浓度 [15] 黏 [16] 度和流动性 ꎮ 水煤浆流动性的测量方法有 2 种 :1 观察法 ꎬ 可 以直观描述浆体的流动状态 ꎬ 受主观影响较大 ꎻ2 数 值法 ꎬ 测量结果准确 易比对 ꎬ 直观性较差 ꎬ 所以试验 225

3 2018 年第 5 期煤炭科学技术第 46 卷 中将 2 种测量方法配合使用 ꎮ 1) 观察法根据水煤浆流动特性 ꎬ 分为 A( 流动连续 ꎬ 平滑不间断 ) B( 流动较连续 ꎬ 流体表面不光滑 ) C( 借助外力才能流动 ) D( 泥状不成浆 ꎬ 不能流动 ) 四个等级 ꎮ 为了表示属于某一等级范围流动性的较小差别 ꎬ 分别用 + 号和 - 号加以区分 ꎬ + 号表示某一等级中流动性较好者 ꎻ - 号表示某一等级中流动性较差者 ꎮ 2) 数值法将水煤浆注满标准截锥圆模 ( 上口径 36 mmꎬ 下口径 60 mmꎬ 高度 60 mm)ꎬ 提起截锥圆模 ꎬ 在流动 30 s 后测定水煤浆在玻璃平面上自由流淌的最大直径 ꎮ 用最大直径来判断水煤浆的流动性 ꎮ 2 结果与讨论 2.1 不同分散剂对神木煤制浆成浆性的影响 不同分散剂对神木煤最高成浆浓度的影响根据 GB / T «气化水煤浆» 的相关 [ 17 要求 ] ꎬ 在分散剂添加比例为 0.2%( 添加比例为干基分散剂质量 / 干基煤质量 ) 时 ꎬ 以水煤浆黏度低于 mpa sꎬ 流动性好于 B - (12 cm) 以上为评判标准 ꎬ 分别考察使用 MN NSF MPEG HSB 分散剂时 ꎬ 神木煤制水煤浆的最高成浆浓度 ꎬ 结果如图 1 所示 ꎮ 图 1 不同分散剂对神木煤最高成浆浓度的影响 Fig.1 Influence of different dispersants on the maximum pulping concentration of Shenmu Coal 从图 1 可以看出 ꎬ 在分散剂添加量相同时 ꎬ 使用 NSF 或 HSB 分散剂得到水煤浆最高浓度大于使用 MPEG 分散剂 ꎬ 在这 4 种分散剂中 ꎬ 使用 MN 分散剂制得水煤浆最高浓度最低 ꎮ 这是由于除煤质本身的特点决定最高成浆浓度外 ꎬ 水煤浆分散剂分子结构特征包括取代基的性质 磺化度或聚合度等 ꎬ 与煤质及煤表面性质包括煤的变质程度 煤表面含氧官能团的数量和种类 内在水分含量以及煤中无机矿物等之间的匹配性 ꎬ 影响了煤的最高成浆性浓度 ꎬ 试验结果表明 NSF 和 HSB 与神木煤的匹配性更高 ꎮ 不同分散剂对神木煤制浆黏度的影响将最终成浆浓度设定为 67%ꎬ 在分散剂添加量为 0.2% 时 ꎬ 分别利用以上 4 种分散剂 ꎬ 在最佳粒度级配条件下制备水煤浆 ꎬ 考察不同分散剂对神木煤煤制水煤浆分散性的影响 ꎬ 结果如图 2 所示 ꎮ 从图 2 可以看出 ꎬ 分散剂 NSF 分散效果显著 ꎬMN 分散效果最差 ꎮ 当分散剂吸附到煤粒表面后 ꎬ 分散剂中的阴离子将成为煤粒双电层电位离子的主体 ꎮ 分散剂分散性能的好坏主要归因于分散剂分子中亲水阴离子基团的种类和数量 ꎮ 从结果可以看出 ꎬ 对于神木煤 ꎬ4 种分散剂阴离子的匹配效果为磺酸基 > 羧基 > 羟基 ꎮ NSF 和 MN 同为以磺酸基为主要亲水基团的分散剂 ꎬNSF 分散效果优于 MNꎬ 说明 NSF 中亲水基团含量高于 MNꎮ 图 2 不同分散剂对神木煤水煤浆黏度的影响 Fig.2 Effect of different dispersants on viscosity of Shenmu coal slurry 不同分散剂对神木煤制浆流动性的影响将最终成浆浓度设定为 67%ꎬ 在分散剂添加量为 0.2% 时 ꎬ 分别利用 4 种分散剂 ꎬ 在最佳粒度级配条件下制备水煤浆 ꎬ 考察不同分散剂对水煤浆流动性的影响 ꎬ 结果见表 3ꎮ 水煤浆作为一种流体 ꎬ 在水平 / 重力条件下能否自由流动也是判定其是否可以正常使用的标准 ꎮ 从表 3 可以看出 ꎬ 使用 NSF 对神木煤浆流动性改善效果较明显 ꎬHSB 次之 ꎬMN 和 MPEG 效果较差 ꎮ 分散剂最主要的作用是增强煤粉颗粒表面的静电斥力 ꎬ 改变其表面亲水性 ꎬ 使得煤粉颗粒能够均匀分散在水中 ꎬ 限制煤粉颗粒聚结的速度和程度 ꎬ 提高水煤浆混合体系的热力学稳定性 ꎮ 分散剂是一种表面活性剂 ꎬ 具有两性分子的特征 ꎬ 分子的一端是极性亲水基 ꎬ 另一端是由碳氢化合物组成的非极性憎水基 ꎮ 在制得的水煤浆中 ꎬ 分散剂 NSF 中亲水基向外伸入水中 ꎬ 憎水基与煤粉颗粒表面的官能团通过化学键结合的形式吸附在其表面上 ꎬ 使煤粉颗粒分子表面由憎水性反转为亲水性 ꎬ 并形成了具有一定厚

4 柳金秋等 : 不同分散剂及添加量对神木煤成浆性能的影响度和弹性的水化膜 ꎬ 从而改善了水煤浆的流动性 ꎮ 表 3 不同分散剂对神木煤制浆流动性的影响 Table 3 Effects of different dispersants on fluidity of Shenmu coal slurry 水煤浆质量分散剂分散剂流动性 / cm 流态分数 / % 添加量 / % MN C NSF B - MPEG C HSB B 分散剂添加量对水煤浆黏度的影响以 NSF 为研究对象 ꎬ 研究在水煤浆浓度为 67% 时 ꎬ 当 NSF 的添加量由 0.1% 逐渐增加至 1.0% 时水煤浆黏度的变化情况 ꎬ 结果如图 3 所示 ꎬ 从图 3 可以看出 ꎬ 在水煤浆浓度相同时 ꎬ 当 NSF 的添加量由 0.1% 逐渐增加至 0.3% 时 ꎬ 水煤浆黏度明显降低 ꎬ 添加量由 0.3% 逐渐增加至 0.6% 时 ꎬ 曲线较为平缓 ꎬ 表观黏度缓慢降低 ꎬ 添加量由 0.6% 逐渐增加至 1.0% 时 ꎬ 表观黏度缓慢上升 ꎮ 水煤浆表观黏度随分散剂的增加而降低 ꎬ 在分散剂的添加量为 0.6% 时 ꎬ 水煤浆表观黏度达到最低点 ꎬ 继续增加分散剂会使水煤浆表观黏度增加 ꎮ 产生这种现象的原因是 ꎬ 分散剂在煤表面具有饱和吸附量 ꎬ 即吸附到一定程度后 ꎬ 会达到吸附平衡 ꎮ 图 3 分散剂添加量对水煤浆黏度影响 Fig.3 Effect of dispersant dosage on viscosity of coal water slurry MN 分子中含有磺酸根及羟基等亲水基团 ꎬ 因而具有较好的水溶性 ꎬ 能够降低水的表面张力 ꎬ 但在水中不会形成胶团 [17] ꎮ NSF 的主要成分是萘磺酸甲醛缩合物 ꎬ 磺酸基对煤粉颗粒以短棒形式吸附 ꎬ 立体空间斥力较小 ꎬ 其分散作用主要由静电斥力决定 [18] ꎮ MPEG 是由 ( 甲基 ) 丙烯酸酯与 ( 甲基 ) 丙烯酸盐共聚得到 ꎬ 分子同时含有酯基和羧基 ꎬ 使其同时具有憎水性和亲水性 ꎮ 同 NSF 一样 ꎬ 羧基与煤粉颗粒间静电斥力大小决定了分散性能的好坏 [19] ꎮ HSB 是近几年发展起来的主要非萘系减水剂之一 ꎬ 2018 年第 5 期它是以丙酮 甲醛 亚硫酸钠 焦亚硫酸钠等为主要原料 ꎬ 经过磺化 缩合反应制得的阴离子高分子表面活性剂 [20] ꎬ 利用亚硫酸盐对羰基的加成在分子链中引入亲水的磺酸基达到分散效果 ꎮ 从试验结果可以看出 ꎬ 分散性能从优到劣为 NSF HSB MPEG 和 MNꎬ 阴离子基团的种类和数量决定了分散剂的分散效果 ꎮ 3 结论 1) 木质素磺酸钠 萘系 聚羧酸系 脂肪族 4 种分散剂 ꎬ 对神木煤成浆性能的影响从大到小为萘系 > 脂肪族 > 聚羧酸系 > 木质素磺酸钠 ꎮ 2) 分散剂分散性能的好坏主要归因于分散剂分子中亲水阴离子基团的种类和数量 ꎬ 对于神木煤 ꎬ 阴离子匹配效果从优到劣为磺酸基 > 羧基 > 羟基 ꎮ 3) 分散剂在煤表面具有饱和吸附量 ꎬ 神木煤制水煤浆表观黏度随萘系分散剂的增加而降低 ꎬ 在分散剂的添加量为 0.6% 时 ꎬ 煤浆表观黏度达到最低点 ꎬ 继续增加分散剂的添加量会使水煤浆表观黏度增加 ꎮ 参考文献 (References): [1] 刘明强 ꎬ 刘建忠 ꎬ 王传成 ꎬ 等. 水煤浆添加剂研究及发展动向 [J]. 现代化工 ꎬ2011ꎬ31(7):8-11ꎬ13. LIU MingqiangꎬLIU JianzhongꎬWang Chuanchengꎬet al. Research and development of coal water slurry additives [ J].Modern Chemi cal Industryꎬ2011ꎬ31(7):8-11ꎬ13. [2] 赵俊梅 ꎬ 白春华 ꎬ 荣令坤 ꎬ 等. 不同分散剂在低阶煤制水煤浆中的作用机理研究 [J]. 煤炭科学技术 ꎬ2017ꎬ45(4): ZHAO JunmeiꎬBAI ChunhuaꎬRONG Lingkunꎬet al.study on func tion performances and mechanism of dispersant in coal water slurry prepared with low rank coal [ J]. Coal Science and Technologyꎬ 2017ꎬ45(4): [3] 吴晓华 ꎬ 潘卫东 ꎬ 杨纯. 聚丙烯酸系列水煤浆添加剂对 3 种煤的流动性能研究 [J]. 煤炭学报 ꎬ2011ꎬ36(3): WU XiaohuaꎬPAN WeidongꎬYANG Chun.Study on the fluidity of poly-acrylic CWS additives on three coal samples[ J]. Journal of Cina Coal Societyꎬ2011ꎬ36(3): [4] 王利珍 ꎬ 杨祥生 ꎬ 陈荣荣 ꎬ 等. 水煤浆稳定性影响因素的研究进展 [J]. 煤化工 ꎬ2007ꎬ35(6): WANG Lizhenꎬ YANG Xiangshengꎬ CHEN Rongrongꎬ et al. Progress of the study on the stability of coal water slurry[ J].Coal Chemical Industryꎬ2007ꎬ35(6): [5] 张光华 ꎬ 魏辉 ꎬ 费菲. 丙烯酸系水煤浆添加剂的合成研究进展 [J]. 皮革与化工 ꎬ2010ꎬ27(4): ZHANG GuanghuaꎬWEI HuiꎬFEI Fei. Research progress in syn thesis of acrylic acid CWS additive [ J]. Leather and Chemicalsꎬ 227

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