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低阶煤在水煤浆领域的研究利用

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魏生海张瑜张晓慧徐宏伟韦孙昌谢欣馨曾梅

摘 ?????要：低阶煤的开发利用是煤化工行业比较棘手的问题，将低阶煤应用于水煤浆领域解决了其资源化利用问题。从原煤改性、配煤、添加剂、制备工艺四个方面简要总结了低阶煤制备较高浓度水煤浆的研究现状，并提出深入技术革新，开拓工业应用是未来发展的重中之重。

关 ?键 ?词：低阶煤;水煤浆;原煤改性;配煤;添加剂;制备工艺

中图分类号：TQ544 ????文献标识码： A ????文章编号： 1671-0460（2019）06-1250-04

Abstract： The development and utilization of low rank coal is a thorny problem in coal chemical industry. The application of low rank coal in the field of coal water slurry solves the problem of resource utilization. In this paper， the research status of preparation of high concentration coal water slurry from low rank coal was briefly summarized from four aspects： raw coal modification， coal blending， additives and preparation process. It's pointed out that in-depth technological innovation and industrial application are the most important in future development.

Key words： Low rank coal; Coal water slurry; Raw coal modification; Coal blending; Additives; Preparation process

水煤浆的研究一直是煤气化领域的热点，其浓度的高低直接决定着气化工艺能耗指标的高低，制备高浓度水煤浆对高气化效率、低比煤耗、低比氧耗等关键参数至关重要。高浓度水煤浆的制备一直是水煤浆领域的难题，尤其对于难成浆的煤种来说，更是需要攻克的难点。

低阶煤是公认的制浆性能较差的煤种，水分和灰分含量高，氧元素含量高，可磨性差，热值低，制备的煤浆浓度低，在气化领域无法满足应用要求。但是从我国煤炭资源储备来看，低阶煤的储量是非常丰富的，约占全国已探明煤炭储量的55%以上，尤其是褐煤，分布广泛，储量达1 303亿t，如何将这些劣质煤种开发利用实现其资源化利用成为研究者们探究的热点。

近年来，学者们纷纷致力于低阶煤制浆的研究，在优质煤种制浆的基础上，根据高浓度水煤浆成浆要求，从原料、工艺、添加剂等方面着手，进行一系列的探究实验，得到了较科学的改进方法。本文将主要围绕以下五个方面对低阶煤制浆进行介绍。

1 ?原煤改性对低阶煤成浆性影响

从自身结构来看，低阶煤属于芳香缩合程度低、支链上羧基、羟基等酸性含氧官能团较多的煤种，同时其孔隙率大，亲水性强，这些特征使其不具备制备高浓度料浆的要求[1]。通过外界方法改变结构组成，降低内在水含量、氧含量和孔隙率，是提高其成浆性能行之有效的途径。

目前对低阶煤改性研究较多的方法有水热提质法、微波提质法、化学改性法。水热提质法是开展研究较早的提质方法，它主要通過高温、高压、水热作用改变煤的结构、组成及性质，从而改善煤的成浆性能。

常鸿雁等对四种年轻煤在加压水蒸气下进行了脱氧改质研究，发现处理后的煤样氧含量降低，脱除率最高达20.7%，羧基和酚羟基含氧官能团含量也降低，最高脱除率分别达到78.5%和31.3%，同时煤样的热值和碳含量有所提高[2]。赵卫东等研究了小龙潭褐煤和印度尼西亚MIP亚烟煤两种低阶煤改性后成浆性能，结果表明随着水热反应终温的升高，煤样的煤阶升高，氧含量和内在水含量减少，煤/水界面接触角升高，煤表面的亲水性减弱，煤样的成浆浓度大幅提升，比未改性前分别增加19.95%和24.90%[3]。

相比于水热提质法，微波提质法起步较晚，在国内的研究处于初级阶段，但其快速高效性优于水热提质法。近年来，学者们对它在成浆领域的应用做了一些研究，比如杨虓等发现经微波辐照，褐煤的孔隙结构发生变化，表面含氧官能团减少，且在高湿环境下褐煤的复吸水分由 25. 58%下降至 21.65%[4]。任阳光等研究了微波对褐煤结构组成的影响，并进行了煤样成浆试验，发现微波辐照时间越长，煤样的含水率和表面含氧官能团含量逐渐降低，比表面积先升高后逐渐降低，平均孔径和孔体积均先降低然后再逐渐升高，且定黏浓度由原煤的 51.3%上升到微波辐照 12 min 时的 54.58%[5]。

化学改性法是另一种新兴改性方法，李响等用Span40、Span60、CTAB 、0号 Diesel 4 种化学物质对神东低阶煤进行表面改性，发现化学物质对煤质改性的主要原理是在其表面形成一层膜质结构，该结构具有强大的疏水性，可以有效地阻隔与水结合，促进与添加剂的结合能力，从而提高煤样的成浆浓度[6]。

2 ?配煤对低阶煤成浆性影响

除了原料改性外，配煤技术是从原料方面提高水煤浆浓度的另一种途径。在低阶煤制浆过程中加入成浆性较好的煤种，可以将水煤浆的浓度提高3%以上，不过不同的煤种其配煤效果存在差别，具体机理仍需进一步研究。

李寒旭等研究了配合煤对水煤浆性能的影响，结果表明配煤可有效提升难成浆煤样的成浆浓度，因配合煤性质和加入比例不同，配煤后成浆性能差异比较明显，经进一步研究发现配煤可以有效降低高灰熔点煤的灰熔点[7]。盛明在褐煤中加入半焦研究了其成浆性能，发现混配后水煤浆的成浆浓度比单独成浆提9.08%[8]。苏倩等以灵武煤田清水营矿煤为对象，研究了神木煤和末煤配煤后的成浆性能，结果表明清水营煤∶神木煤∶末煤=50∶40∶10时，其成浆浓度达59.18%，比清水营矿煤单独制浆浓度提高了8.27%[9]。李艳昌等进行了六种成浆性能好的煤与难成浆神华煤的配煤实验，发现配煤对神华煤成浆浓度的提高效果比较明显，配煤使得煤浆体系达到优劣结合的状态，且不同煤种的配煤实验存在差异[10]。他在另一篇文章中也验证了此观点，将性能好的不同煤种与性能差的不同煤种分别成浆，进行30种配煤实验，得到不是每一种成浆性较好的煤与成浆性较差的煤都能得到较好的效果[11]。

3 ?添加剂对低阶煤成浆性影响

添加剂的选择是低阶煤制备的关键，是影响煤样成浆性的一个重要因素，添加剂的加入可以有效提高煤粒表面的亲水性，增强煤粒表面的动电位，防止煤粒间的相互聚集，从而提高浆体的制浆浓度，改善浆体的制浆性能。

学者们对添加剂的研究比较深入，而且发现不同的添加剂对煤样成浆性的影响不同，从表1可知，添加剂结构差异明显是造成水煤浆成浆性差别的主要原因，此外添加剂的加入不仅能提高水煤浆的浓度和稳定性，同时还能改变水煤浆的流变特性。

4 ?制备工艺对低阶煤成浆性影响

水煤浆制备技术是影响其成浆浓度的核心因素，一直以来，学者们都致力于新技术的开发研究。目前，水煤浆制备工艺主要分三种技术：一代棒磨技术、二代分级研磨制浆技术和三代间断粒度级配制浆技术。棒磨技术是比较传统的研磨技术，该技术工艺简单、成本低，但由于制浆浓度低限制了其发展，在低阶煤制浆领域，研究最多的技术就是分级研磨制浆技术和间断粒度级配制浆技术。

分级研磨制浆技术与传统棒磨技术不同，它由两套研磨系统组成，一套为粗磨系统，另一套为细磨系统，工艺流程如图1所示。

吕向阳[12] 对比了自主研发MK-1添加剂和市售AYK 、AZM 添加剂对低阶煤成浆性的影响。对变质程度较低的煤种，MK-1 添加剂效果优于 AYK 及 AZM，水煤浆相同浓度和黏度时，MK-1 添加剂比市售 AZM 添加剂的使用量少50%，降低经济成本。

徐志永，等[13] 木质素磺酸钠、萘系、氨基、聚羧酸4种分散剂对补连塔低阶煤水煤浆的成浆性影响。 4种分散剂单独成浆，萘系分散剂成浆性最好，萘系与木质素磺酸钠1：1复配，成浆效果明显高于分散剂单独成浆效果。

王传成，等[14] 石油磺酸盐（PS）、亚甲基萘磺酸盐复合物（MC）、木质素磺酸盐（LS）3种添加剂对内蒙古薛家湾褐煤和胜利煤田褐煤成浆性的影响。不同添加剂对煤样最大成浆浓度不同，且2种褐煤水煤浆成浆浓度均较低，在表观黏度为1.0 Pa·s 下最大只有 52.06%;水煤浆的表观黏度均随浓度的增加而增加，在低浓度时，呈现牛顿流体的特征，高黏度时，呈现假塑性流体特征。

孙美洁，等[15] 2种不同分散剂类型（萘系和木质素系）对褐煤水煤浆稳定性的不同影响。两种分散剂的结构差异较大，萘系相比于木质素系而言，吸附膜厚度较小，改性煤粒产生的空间位阻较小，故其制备的水煤浆稳定性较差。

赵俊梅，等[16] 3种不同分散剂（氨基磺酸盐、木质素磺酸钠和萘系磺酸盐）对低阶煤成浆性的作用机理。分散剂的分子结构对分散性能有不同的影响，分散剂支链越多，吸附到煤颗粒上的能力越强，形成的空间阻力越大，静电斥力越强，煤颗粒表面的zeta电位绝对值越大，分散性能越明显。

苗真勇，等[17] 季铵盐类Gemini表面活性剂和十二烷基三甲基溴化铵（SAA）分散助剂与萘磺酸钠甲醛缩合物阴离子分散剂（NSF）复配对低阶煤成浆性能的影响。 Gemini助剂的增协作用比SAA更明显，可使低阶煤成浆浓度提高2%以上;助剂与NSF分散剂复配过程中，增加了煤表面的吸附位点，提高NSF吸附量，增加浆体的分散稳定性。

张桂玲，等[18] 以内蒙古1号，2号低阶煤为研究对象，对比了普通制浆技术与该技术的成浆情况。采用该技术制浆降低了煤浆的平均粒径，提高了堆积效率，且成浆浓度比常规制浆工艺提高了4%左右。

段清兵，等[19] 以两种新疆低阶煤为原料，考察了该技术对其成浆性的影响。与传统制浆相比，采用该技术后，两种煤浆粒度<0.075 mm 的粒级质量分数均提高了13%左右，成浆浓度分别提高3.14%、3.12%，且流动性和稳定性大大改善。

周永涛，等[20] 实验室中对比单磨機制浆工艺和三峰分形级配制浆工艺制取的水煤浆成浆性能，工业示范中对比投产后的运行效果。实验室研究：浓度提高 4.1%，且水煤浆流动性和稳定性显著改善;工业运行结果：水煤浆浓度由改造前的 61.7%提高至65.5%，比氧耗、比煤耗均降低，有效气含量提高。

王文伟，等[21] 介绍了该技术在神华新疆化工有限公司的应用情况。水煤浆质量分数提高3.3个百分点，析水率减少1.4个百分点，棒磨机产量提高 20%以上。

杨军红，等[22] 介绍了兖矿鲁南化肥厂应用该技术的情况。与单棒磨机相比，水煤浆浓度从59.7%提高到61.9%，产量从51.8 t·h-1提高到74.2 t·h-1，且气化指标也得到大大改善。

间断粒度级配制浆技术强调“以破代磨”，将原煤破碎与超细研磨技术有机组合，增大粗煤粉中的组分颗粒，使较细煤粉完全填充到粗颗粒间的空隙中，实现粗颗粒峰和细颗粒峰的完全分离，达到水煤浆粒度的高效紧密堆积，工艺流程如图2所示，目前，该技术主要以实验室研究为主，未进行工业化应用。

杜丽伟等以褐煤和精煤为原料，采用间断级配制浆工艺研究混配煤的成浆性能，结果表明加入40%精煤与褐煤进行混配，在间断级配制浆工艺下，水煤浆的成浆浓度最高达61. 24%，且浆体的流动性和稳定性较好[23]。陈浩以新疆宽沟煤为试验煤种，对比了不同工艺条件下的成浆性能，得出常规单磨机制浆工艺下，宽沟煤成浆浓度为51.6%，分级硏磨制浆工艺下，成浆浓度提高了3个百分点以上，间断级配制浆工艺成浆浓度最高，提高了7个百分点[24]。

5 ?超声波技术对低阶煤成浆性影响

超声波技术在医学、军事等领域应用非常广泛，但在水煤浆制备领域仍处于起步阶段，国内关于该技术的研究较少，但是从应用前景来看，该技术还是有很大的发展空间。

超声波技术制备水煤浆主要是通过超声辐照从而改变浆体性质，浆体的变化主要体现在煤粉级配明显细化，表观黏度降低，稳定性和流变特性显著改变等方面。郭照冰等以庞庄煤为研究对象，利用超声技术对其成浆性进行探究，发现超声辐射有很强的分散作用，煤粉的粒度分布更加合理，填充效率更高，煤粉对添加剂的饱和吸附量增大，整个浆体的性能明显提升[25]。程军等考察了不同超声辐射对制浆性能的影响，发现最佳的强化条件为超声波频率为10kHz，作用时间为1min，且浆体的平均粒径比常规制浆要低，浆体呈现屈服假塑性流体[26]。

6 ?电磁场磁化技术对低阶煤成浆性影响

电磁场磁化技术制浆主要通过磁化作用使制浆原料的物理化学性质发生变化，从而改变物质的成浆性能，不同的物质对其磁化的磁场强度和机制不不同。

李寒旭等在0～4 000 Gs磁场强度范围内，考查了淮南、华亭和北宿煤的成浆情况，发现不同煤种磁化后制得的料浆与原煤相比，结果并不相同，而且每种煤磁化的条件也存在较大差异[27]。汤永新等对煤和水进行磁化后制浆，发现煤浆的吸水率降低，稳定性增大，通过分析可知，当有外界磁场存在时，水中氧和氢之间结合键距离变长，表面张力降低，与煤的附着力增强，煤粒之间的静电力增大，所以整个体系的稳定性变好[28]。

7 ?结论

低阶煤的开发研究是一个漫长的过程，其在水煤浆领域的应用是煤化工行业的重中之重，尽管从已有研究来看，不管是实验室研究还是工业化应用都取得一定的进展，但很多方面仍需加强和改进，比如深化原煤改性方法、探究新的高效添加剂、寻找新的制备工艺及促进工业化推广等。在当前煤化工格局下，研究者们应着力以市场需求为导向，真正开展有意义的研究，解决当前低阶煤面临的难题，推动煤化工行业的快速发展。

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