本文引自《浙 江 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) （工學(xué)版）》2011年2月，第45卷第二期，作者虞育杰，劉建忠，張傳名，趙衛(wèi)東，周俊虎，岑可法。版權(quán)歸原作者所有。

摘 要：為了研究低揮發(fā)份煤的制備水煤漿的性能，利用黏度計(jì)對(duì)水煤漿的溫度、表觀黏度、剪切應(yīng)力以及剪切速率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，分析加入５種不同添加劑后低揮發(fā)分煤水煤漿的成漿特性、大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫升特性、流變特性等性能，發(fā)現(xiàn)水煤漿的黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高；在黏度為１０００ｍＰａ·ｓ時(shí)，加入不同添加劑的低揮發(fā)分水煤漿的大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在７０％左右；加入不同添加劑對(duì)水煤漿的溫升性能有不同影響，水煤漿的黏度隨著溫度的升高而逐漸降低，但是當(dāng)水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，高溫可能導(dǎo)致部分添加劑失效；隨著剪切速率的增加，水煤漿的黏度逐漸降低，為假塑性流體．結(jié)果表明低揮發(fā)份煤具有很好的性能用于制備高濃度水煤漿．

關(guān)鍵詞：低揮發(fā)分煤；添加劑；水煤漿；成漿特性；流變特性

水煤漿是由煤粉，水和少量添加劑混合加工制成的穩(wěn)定流體．影響水煤漿成漿和流變特性的因素很多，其中重要的因素是煤質(zhì)特性．研究表明，影響成漿性和流變性的煤質(zhì)因素主要包括煤的變質(zhì)程度、表面親水性、孔隙率、礦物的種類與含量、可磨性、煤巖［１－７］組分以及表面性質(zhì)等。煤的變質(zhì)程度越低，煤中氧碳比越高，親水官能團(tuán)越多，內(nèi)在水分越高，孔隙越發(fā)達(dá)，可磨性指數(shù)越小，則煤的成漿性越差，盡管上述因素都屬于煤的自然屬性，但制備水煤漿用的各種添加劑，可以在一定范圍內(nèi)程度不同地改變這些屬性，如果不利于成漿的某些因素被減弱，或有利于成漿的因素被增強(qiáng)，都能提高煤的成漿性［８］．此外，為了提高水煤漿熱值，一般建議采用精煤制漿，以往的研究基本［９－１０］上集中在精煤成漿特性和流變特性的研究 ．隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)煤種的限制已成為水煤漿推廣應(yīng)用的主要障礙，近年來采用原煤（一般是高揮發(fā)分和高熱值）制漿已成為一個(gè)新的研究方向，但原煤和精煤在成漿特性等方面顯然存在較大差異，因此，對(duì)原煤成漿特性、流變特性和穩(wěn)定性的研究將成為研究熱點(diǎn)．

本文主要對(duì)一種擬在電廠使用的低揮發(fā)分原煤的成漿性、流變性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，包括加入不同添加劑對(duì)低揮發(fā)分煤成漿的影響，并對(duì)其大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫升特性和流變特性的影響進(jìn)行研究，尋找能與這種低揮發(fā)分煤達(dá)到佳匹配的添加劑，獲得佳成漿效果．對(duì)低揮發(fā)分煤成漿特性的研究在國(guó)內(nèi)外研究成果將對(duì)擴(kuò)大水煤漿煤種的選擇和降低水煤漿燃料成本有重要的意義．

１  實(shí)驗(yàn)部分

１．１  實(shí)驗(yàn)樣品及其制備

如表 １ 所示是低揮發(fā)分煤的煤質(zhì)分析，從中可以看出，該煤種的內(nèi)在水分低、含氧量低，有利于制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿．

將低揮發(fā)分煤磨制成煤粉，平均粒徑約為2８μｍ．采用干法制漿：先計(jì)算出制漿所需的煤粉量和水量，然后添加質(zhì)量為干煤粉量０．８％的添加劑，使用電動(dòng)攪拌器將煤粉、水和添加劑攪拌均勻 ． 攪拌速率設(shè)定為 １０００ｒ ／ ｍｉｎ ，攪拌時(shí)間１５ｍｉｎ．添加劑包括安陽(yáng)雙環(huán) ＮＣ添加劑、安陽(yáng)雙環(huán) Ｍ 添加劑、南京大學(xué)研制的分散劑、棗莊八一水煤漿廠生產(chǎn)的分散劑和木質(zhì)素磺酸鈉 ． 其中安陽(yáng)雙環(huán) ＮＣ和 Ｍ 添加劑含有少量的穩(wěn)定劑；木質(zhì)素磺酸鈉是一種天然高分子聚合物，具有很強(qiáng)的分散性 ．

１．２  水煤漿黏度的測(cè)定

使用 ＨＡＡＫＥ ＶＴ５５０ 型 黏 度 計(jì)，采 用 ＧＢ ／Ｔ１８８５６．４ － ２００２［ １１ ］ 規(guī)定的方法測(cè)量水煤漿的黏度和流變特性．將適量水煤漿樣品倒 入測(cè) 量 容器，在２０±０．０５℃ 的恒溫水浴中，使剪切速率從 ０ 升至１００ｓ－１ ，在剪切速率為１００ｓ －１ 時(shí)．每隔１ｍｉｎ記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共計(jì)５次，然后將所有數(shù)據(jù)取平均值即為水煤漿的表觀黏度 η ．

１．３  水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

采用 ＧＢ ／ Ｔ１８８５６．２ － ２００２［ １１ ］ 中規(guī)定的干燥法進(jìn)行水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù) ｗ測(cè)量．

２  結(jié)果與討論

２．１  低揮發(fā)分水煤漿成漿特性

２．１．１  添加劑對(duì)成漿特性的影響  

如圖１所示是采用５種不同添加劑時(shí)，低揮發(fā)分水煤漿的成漿特性曲線．由圖１可見，加入不同的添加劑時(shí)，低揮發(fā)分煤的成漿特性的變化規(guī)律基本一致．在這５種添加劑中，將表現(xiàn)黏度 η 為 １ ０００ＭＰａ · ｓ 時(shí)對(duì)應(yīng)的定黏質(zhì)量分?jǐn)?shù) ｗ ｄ （水煤漿）確定為水煤漿的大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見表２ ），可以得到加入不同添加劑時(shí)低揮發(fā)分煤的大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為７０％左右，這表明這種低揮發(fā)分煤是屬于易成漿的煤種．加入南大分散劑時(shí)的大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，約為７１．６２％．

由于添加劑種類不同，與煤表面的相互作用（如有效吸附作用等）也不同，因此添加劑對(duì)于煤顆粒的分散效果也相應(yīng)不同．也就是說，煤種與添加劑之間存在“適應(yīng)性”或“配合”問題．由表２知，南大分散劑對(duì)汕頭低揮發(fā)份煤顆粒的分散效果好，明顯優(yōu)于其他添加劑．

２．１．２ 成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏度的關(guān)系

圖 １表明低揮發(fā)分煤在加入不同的添加劑后，表觀黏度都隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大．這是因?yàn)殡S漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，漿體體系中固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，顆粒之間起潤(rùn)滑作用的自由流動(dòng)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，顆粒之間摩擦力增加，導(dǎo)致漿體的黏度增加，即對(duì)于同一種煤，漿體的黏度與漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)特征．

３．１．３ 低揮發(fā)分水煤漿溫升特性

水煤漿的溫升性能影響磨機(jī)的磨礦效果，一般希望水煤漿的表觀黏度隨著溫度ｔ的升高而降低，這對(duì)磨礦的過程是有利的，反之則可能影響到磨礦過程．此外，為了達(dá)到較好的霧化效果，水煤漿在爐前往往進(jìn)行加熱，以降低黏度。

因此，對(duì)水煤漿黏溫特性的了解是十分重要的．如圖２～６所示是低揮發(fā)分煤加入不同的添加劑后水煤漿的溫升性能曲線，可以看出，低揮發(fā)分水煤漿的溫升性能受添加劑的影響較大，其表觀黏度隨著溫度的升高而降低；其中加入南大分散劑和安陽(yáng)雙環(huán) ＮＣ添加劑所制成的水煤漿有較好的溫升性能，在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下仍能保持其表觀黏度隨著溫度的升高一直降低；而加入木質(zhì)素磺酸鈉、八一分散劑和安陽(yáng)雙環(huán) Ｍ 添加劑所制成的漿樣，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，表觀黏度隨著溫度的升高而降低．隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，表觀黏度隨著溫度的升高先降低后升高，在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，表觀黏度隨著溫度的升高迅速上升，并出現(xiàn)劇烈波動(dòng)．這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，隨著溫度的升高，分子間的距離增大，分子間的相互作用力減弱．由于表面張力是分子間的作用力引起的，分子間作用力的減弱導(dǎo)致表面張力的變小，使得水煤漿的表觀黏度降低１３－１４ ．而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，添加不同添加劑后，漿體隨溫度的變化規(guī)律不盡相同，這可能與添加劑的溶解度不同，分散功能隨溫度升高失效的程度不同有關(guān)．

２．２ 低揮發(fā)分水煤漿流變特性

２．２．１ 添加劑對(duì)流變特性的影響 

如圖７～１１所示分別為低揮發(fā)分煤加入５種不同添加劑后成漿的流變特性曲線．流變特性是水煤漿的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)水煤漿的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和燃燒都有較大影響．由 圖７～１１可見，低揮發(fā)分煤水煤漿在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，其黏度較低，黏度受剪切速率 γ的影響較小，曲線接近水平直線，部分還出現(xiàn)“剪切變黏”的現(xiàn)象；隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，加入不同的添加劑后，漿體均表現(xiàn)出明顯的“剪切變稀”的流變特性，即表觀黏度隨著剪切速率γ的增加而逐漸降低．其原因在于：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，低揮發(fā)分水煤漿體系中存在的自由水份額較多，雖然經(jīng)過攪拌已經(jīng)成為漿體，但煤顆粒之間由于斥水引力以及范德華力的影響，在某些局部發(fā)生相互吸引，形成局部結(jié)團(tuán)，而這些小結(jié)團(tuán)的外圍，則形成水膜和“水包煤”特征，當(dāng)剪切速率增加時(shí)，水膜被打破，小結(jié)團(tuán)內(nèi)部的顆粒相互分開，形成新的未被潤(rùn)濕的煤表面，這些表面需要部分自由水進(jìn)行潤(rùn)濕，造成漿體體系中原有的自由水份額降低，使?jié){體黏度升高．隨著漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，漿體又會(huì)表現(xiàn)為剪切變稀的特征，是因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)升高使?jié){體體系內(nèi)自由水減少，在攪拌成漿后，煤顆粒之間相互連接并形成包住水的特征，隨剪切速率的增加，“煤包水”的狀態(tài)被打破，自由水流出，使?jié){體黏度降低 ［１５ ］．

２．２．２  低揮發(fā)分水煤漿流變方程和流變特征  

水煤漿屬于非牛頓流體文獻(xiàn)［１６ ］，其流變特征可以采用冪律模型加以描述：τ ＝ Ｋγｎ ，式中：τ 為剪切應(yīng)力，Ｐａ ； Ｋ 為稠度系數(shù)； ｎ 為流動(dòng)指數(shù)， ｎ ＜１時(shí)為假塑性流體，ｎ ＞１時(shí)為脹塑性流體．使用曲線擬合及小二乘法回歸法，可得到水煤漿的流變方程及各參數(shù)的值，對(duì)加入 ５ 種不同添加劑的水煤漿進(jìn)行擬合后的參數(shù)見表 ３ ，擬合后的曲線見圖１２～１６．

表３及圖１２～１６表明，添加不同添加劑制取的水煤漿基本都符合冪律模型，只是塑性指數(shù)（稠度Ｋ）和流動(dòng)指數(shù)ｎ不同．稠度指數(shù) Ｋ 表示漿體的稠度，Ｋ 值越大，說明漿體越稠，黏度越大，表３中 Ｋ值的變化規(guī)律與圖１中表觀黏度的變化相一致，即隨漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Ｋ 值呈增大的趨勢(shì)．而流動(dòng)指數(shù)ｎ隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且除了加入南大分散劑和 Ｍ 添加劑的漿樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí)ｎ＞１之外，其余漿樣的流動(dòng)指數(shù)ｎ＜１，為假塑性流體；ｎ變小表明漿體的假塑性特征增強(qiáng)．

３ 結(jié) 論

 （１）低揮發(fā)分水煤漿的表觀黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；其大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，屬于易成漿的煤種；不同添加劑的加入對(duì)其大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)有不同的影響，其中加入南大分散劑時(shí)大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，為７１．６２％．

（２）低揮發(fā)分水煤漿具有良好的溫升性能，其表觀黏度隨著溫度的升高而降低；但是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，添加不同添加劑的水煤漿隨溫度的變化規(guī)律不盡相同，部分漿體的黏度隨著溫度的增加先降低后升高，有一個(gè)極小值．

（３）低揮發(fā)分水煤漿在加入不同的添加劑，尤其在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，能表現(xiàn)出良好的 “剪切變稀”的流變特性，為假塑性流體，這種性能對(duì)水煤漿的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和霧化都是有利的．

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［ １５ ］趙衛(wèi)東．低階煤水熱改性制漿的微觀機(jī)理及燃燒特性研究［ Ｄ ］，杭州：浙江大學(xué)，２００９．ＺＨＡＯ Ｗｅｉ － ｄｏｎｇ ， Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ － ｒａｎｋ ｃｏａｌ ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ  ｕｐｇｒａｄｅｄ ｂｙ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ［ Ｄ ］， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ： Ｚｈｅｊｉａｎｇ  Ｕｎｉ －ｖｅｒｓｉｔｙ ， ２００９．

［ １６ ］ ＭＩＳＨＲＡ Ｓ Ｋ ， ＳＥＮＡＰＡＴＩ Ｐ Ｋ ， ＰＡＮＤＡ Ｄ．Ｒｈｅｏｌｏｇｉ－ｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｃｏａｌ － ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ ［ Ｊ ］ ．Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅｓ ，２００２ ， ２４ （ ２ ）： １５９ － １６７．