水煤浆分散剂的研究新进展探讨

水煤浆分散剂的研究新进展探讨

何浩鹏

（广东中联邦精细化工有限公司）

摘要：水煤浆气化和燃烧技术属于现阶段洁净技术的主要组成部分，可以对水煤浆的质量进行提升和促进，以此来提升煤炭资源的高效利用，实现环境和经济的双重价值，其中水煤浆的分散剂对水煤浆质量会产生极大的影响和制约，因此开发新兴高效的水煤浆分散剂属于现阶段的研究热点内容。其中，常规分散剂当中具备明显的制浆成本优势，比如腐植酸磺酸盐和木质素磺酸盐方式，但是水煤浆的浆体本身的稳定性相对较差，不适合长距离的运输。现阶段利用低成本的改性剂来进行分散剂的应用属于当下的研究重点，可以实现高性能低成本的分散剂应用，具备一定的环保和循环经济意义。

关键词：水煤浆；分散剂；进展

引言

水煤浆属于一直借助于物理加工的方式来得到的一种带油煤基流体燃料，对于煤在传统方式下的燃烧方式进行了改善，具有较大的环保节能的优势特点。在我国当前煤炭资源较为丰富的前提下，水煤浆已经成为了油、气等能源的代替拼，属于具备基础经济的洁净能源。随着当下能源的不断消耗，优质的煤炭资源也逐渐减少，因此需要重视对储量丰富的低阶煤炭资源的开发和应用。低阶煤炭具备全水分和内在水分高且易挥发、孔隙率高的特点，难以制成煤浆，因此需要利用适合的方式来进行成浆性的改善。
一、水煤浆概况

我国是一个富煤的国家，自1985年以来一直是世界领先的煤炭生产国。据国际能源署的中期煤炭市场报告，2017年我国煤炭产量增长至33.76亿吨，对比2016年增加1.08亿吨（3.3%）,全球煤炭产量增加了2.25亿吨，增长了3.1%。

表1-1 主要煤炭产地（亿吨）

近年来，中国、美国等一些国家的煤炭能源产业发展到了极限，各国也开始认识到燃煤火力发电厂（TPP）对公共卫生和环境造成的危害。传统的煤炭燃烧利用方式对环境污染严重，燃烧产生的碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物、颗粒物等排放浓度高，不利于可持续发展。相比之下，新型的煤基液体清洁燃料——水煤浆（CWS）显示出了巨大的环保节能优势，具有很好的发展前景。

典型的水煤浆一般是由60%～70%的煤、30%～40%的水以及大约1%的化学分散剂加工制成的一种高浓度的浆状流体。这种浆体可以像油一样流动和燃烧，不仅保留了煤炭的优点，而且更为环保。水煤浆通过雾化喷嘴雾化燃烧，燃烧效率可以高达98.5%以上，而且由于水的掺入，燃烧区的火焰温度更低，大幅减少了氮、硫氧化物的生成[1]。

作为一种能够替代石油、天然气等能源的洁净能源，自上世纪70年代末以来，水煤浆一直是我国科研工作者的研究重点。1982年，王祖讷、张荣曾[2]等率先带领团队开展了水煤浆技术的研究，迅速达到了国际领先水平，并且指导着我国的水煤浆制浆厂和电站燃用水煤浆的工作。水煤浆引燃点的研究、浆体的储存运输、泵送燃烧、烟尘的收集、硫氧化物和氮氧化物的减排控制等技术的发展, 已取得了不小的研究成果[3]。

经过了40年的实验研究以及工业化发展，我国水煤浆的应用范围已涉及了多个行业的技术领域。截至2016年底，我国每年的燃料水煤浆用量已达到3000万吨以上[4]，主要作为工业锅炉的煤、石油、天然气的代替品。国家能源局对外发布的《煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020）》中对低氮燃烧技术以及水煤浆燃烧技术十分重视，提到要积极发展和推广先进的洁净型煤和高浓度水煤浆技术，发展水煤浆燃烧技术的改造示范，实现工业锅炉的全面达标排放。

为了提高水煤浆的燃烧效率和保持良好的雾化效果，制得的水煤浆必须同时具有高热值和低黏度的特性。因此，在保持良好的流动性的同时，最大限度地提高水煤浆的制浆浓度是一个具有挑战性的课题。

目前，利用低阶煤制备高浓度水煤浆的技术主要有两种，分别为粒度级配技术和低阶煤的改性[6]。用水热处理，微波干燥等方法对低阶煤进行改性成本较高，工艺复杂，技术方法未完全成熟，因此仍处于实验研究阶段。粒度级配技术经过多年的发展，已开发至第三代制浆技术——间断粒度级配制浆技术。相比于初代单磨机制浆技术，不仅大幅提高了浆体的流动性和稳定性，而且还提高了制浆浓度，能使低阶煤等难制浆煤种的浓度提高6%左右[7]。但是第三代制浆技术开发的时间较短，处于工业试验阶段，有待进一步的推广和完善。

1.1水煤浆分散剂种类与分散机理

煤种选择、煤粉粒度级配、添加剂是水煤浆研制的三大关键技术[8]。一般来说，煤质和煤粉粒度是相对稳定的，添加剂将起到关键的作用，而添加剂直接影响到水煤浆的性能和生产成本。因此，研究和发展环保、高效、廉价的水煤浆添加剂是水煤浆技术发展的关键。

常用的分散剂有离子型和非离子型，而水煤浆的制备主要选用阴离子型，主要有萘系、腐值酸系、木质素系、聚羧酸系等

[11]。

水煤浆添加剂主要为分散剂、稳定剂等一些辅助药剂，其中分散剂的性能起主要的作用。在水煤浆中，分散剂的作用机理主要有以下三个方面[9]：

1）润湿分散作用。煤是属于非极性碳氢化合物，其疏水性较强，在水的作用下极易团聚在一起，分散能力较差，浆体的流动性低。水煤浆分散剂一般含有大量的亲水基团和疏水基团，其中疏水的一端与煤粒表面结合，而亲水基团朝向水中。此时煤粒表面被分散剂分子部分或全部覆盖，原本的煤/水界面转变为分散剂/水界面，界面张力大幅下降，同时煤粒表面形成的水膜将煤粒隔离开，达到分散降黏的目的。

2）静电斥力分散作用。煤粒之间存在着静电斥力和范德华力，当煤粒带足够的电荷时，此时静电斥力大于范德华力，煤粒就会互相排斥，起到分散作用。然而有研究表明，颗粒能否稳定分散既不是颗粒间的静电斥力大于范德华力的充分条件，也不是必要条件。张荣曾[10]等发现，只调节溶液的pH能使煤粒的表面电位提高至-50mV，但是分散性却没有提高。同时常用的非离子型分散剂也有较好的分散降黏作用，说明颗粒间的静电斥力大于范德华力并不是必要的。

3）空间位阻分散作用。水煤浆分散剂吸附后，煤粒表面转为亲水，形成一层水化膜。形成水化膜具有一定的空间位阻，产生的弹力使煤粒隔离开，而不是团聚在一起，从而达到分散效果。

分散剂的主要功能可以分为多个方面来进行分析：其一，颗粒的团聚对于液体的黏度会得到增加，利用分散剂对煤表面的电荷数进行改善，以此来增加浆体当中颗粒产生的静电斥力，利用此种静电斥力对颗粒的团聚进行阻止。离子型的分散剂可以有效的提升煤颗粒内部的静电斥力能力，尤其是分散剂内部存在的硫酸基和羧酸基类，可以对浆体的Zeta电位起到提升作用。在分散剂的加入下，浆体的Zeta电位会增大，对应的浆体黏度会降低，在脂肪酸的分散剂作用下可以使得浆体的Zeta电位呈现出最高状态，但是对应的黏度缺升高，也就是说，浆体的黏度所产生的变化趋势和电位变化的趋势完全不一致，因此对浆体的黏度产生的影响因素不止Zeta电位因素，分散剂的性能可以起到一定的作用。其二，分散剂吸附在颗粒表面之后，在分散剂分子之间的空间位阻效应下可以对颗粒的团聚产生影响，实现浆体黏度的降低，在长链聚羧酸当中的亚甲基结构可以实现空间位阻效应，分散剂内部具备一些很容易产生空间位阻效应的大分子结构，比如环糊精等，也可以对水煤浆当中产生的位阻效应进行提升。其三，分散剂可以对煤炭颗粒表面的亲水或者疏水性进行改善，以此来影响煤表面的水分子吸附以及脱附，有效的调节浆液黏度。对于具备两亲结构的分散剂而言，一般都是疏水性的亚甲基和芳环结构与疏水性的煤层表面产生了相互作用，从而使得亲水性的羧基、甲氧基和磺酸基等官能团朝向水，对煤表面的疏水性能可以起到改善调节作用。

不同的类型的分散剂各有优点，适应的煤种和应用的范围也有所不同。萘磺酸盐系列分散性能较好，适应的煤种较多。但是制浆的稳定性差，吸附力弱，而且具有毒性，容易造成环境污染。由于腐植酸资源丰富, 分布广泛，储量大，磺化腐值酸盐系列分散剂价格低廉，但用量大且稳定性差。聚羧酸系列分散剂的分散性能与制浆稳定性都较好，但是价格昂贵，用于水煤浆厂制浆成本较高。木质素系分散剂分散性能较好，价格低廉，拥有巨大的潜能，以可再生资源为原料，具有良好的发展前景[12]。

吴江[13]等对腐植酸进行磺甲基化改性，分析磺甲基化腐植酸对不同煤种制浆的适应性，发现磺甲基化腐植酸分散剂对陕西彬长煤的降黏效果最好，比较适用于煤阶较高的煤种。王睿[14]以烯丙基磺酸钠(SAS)和甲基丙烯酸(MAA)为单体，不同物质的量比进行自由基反应，共聚制得多种两元聚羧酸盐(PMAS)系列聚羧酸盐分散剂，探究羧基和磺酸基的比值对煤的分散性能影响，结果发现当羧基和磺酸基的比值约为3.23时，水煤浆的表观粘度最低，浆体较为稳定，分散降黏效果最好。韩敏[15]以工业萘合成β-萘磺酸钠甲醛缩合物，探究该高效萘系水煤浆分散剂的分散效果，结果表明,制浆浓度为60%，浆体的粘度为627mpa·s，流动性较好，可满足水煤浆的制浆要求。

二、水煤浆的应用

   水煤浆属于清洁燃料和气化能源，燃烧的方式可以分为雾化悬浮燃烧、流化悬浮燃烧2种，可以适用于电站锅炉、中小工业锅炉等建筑领域内，气化的水煤浆具有相当广的应用量，主要应用于煤化工领域范围内，利用水煤浆的加压气化技术来实现多种燃料的合成，比如氨、甲醇、二甲醚、烯烃等。

    1、燃料水煤浆的应用

在我国的水煤浆应用当中，主要在电站锅炉和工业锅炉当中得到了应用。在在水煤浆中加入脱硫剂可以实现二氧化硫的排放降低。水煤浆当中所包含的水分对于火焰温度可以实现降低作用，减少热力的生成，随分在水煤浆的燃烧和传热过程中可以起到有效的助燃和传热增强的辅助作用，可以变相的对汽化潜热损失进行弥补，增强其燃烧效率和热效率。在实际应用过程中，水煤浆的燃烧率接近燃油的水平，负荷调节在40%到100% 的范围内都可以实现稳定燃烧，起到经济环保节能的效果。但是随着现阶段环保的要求，很多的中小工业过滤需要利用替代燃料来满足基本的生产需求，水煤浆可以实现成本降低的作用，在减轻企业负担的同时满足环保需求。

2、气化水煤浆的应用

煤气化技术属于煤化工行业的龙头产业，可以实现煤炭的高效应用，在反应器类型的区别下，煤气化可以分为多种技术，比如固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术。其中气流床气化技术在煤种的适应性方面相对较强，气化的温度以及强度都相对较高，受到了各方面的关注，在进料的方式进行区分，可以分为水煤浆的气化和煤粉气化。水煤浆的气化具有煤种适用程度广泛且周期长且稳定的特点，效率相对较高且环境相对友好。其中水煤浆的气化技术当中，有德士古气化技术、多喷嘴对置式气化技术、晋华炉气化技术这三种类型的技术。在德士古气化技术当中，主要是水煤浆的进料加压气流床工艺，在1300～1500℃、3～7MPa的情况下，水煤浆可以和氧气充分混合之后利用喷嘴实现雾化操作，快速的喷入气化炉内。在汽化炉内部的耐火衬里的高温辐射作用下，可以实现一系列复杂的物理和化学变化，如预热、水分蒸发、煤干馏、挥发物裂解燃烧、碳气化等，最终可以产生湿煤气及熔渣，生成产物当中包含着CO、H2、CO2和水蒸气，湿煤气和熔渣在一起进入到气化炉底部之后可以实现急冷室水浴，熔渣被淬冷、固化截留在水内部，其中的煤气和所包含的饱和蒸汽进入到了煤气的冷却净化系统内。在晋华炉气化技术应用当中，在气化过程中水煤浆和氧气在工艺烧嘴之中进入到气化炉的燃烧室内部，其内部的煤粉、水和氧气在一定的条件下可以实现复杂的氧化还原反映，最终生产粗合成气。在离开燃烧室之后，高温高压的气体和灰渣向下会进入到辐射式的废热锅炉内，进行转化为高压饱和蒸汽，出口部分可以将气体降温进入到激冷段。经过此阶段之后进入到激冷室的底部位置，实现洗涤冷却操作。

结束语：综上所述，我国的水煤浆技术工艺方面的研究相对较多且技术基本成熟，但是在添加剂和分散剂方面的研究方面和国外的水煤浆分散剂技术相比较具备一定的差距，在分散剂的应用方面可以对水煤浆的质量起到制约作用的同时还影响着水煤浆成本的应用，成本费用属于制浆成本的主要因素。因此对再生资源原料的水煤浆分散剂研究方面具有重要的现实意义。水煤浆添加剂的普遍适用性原则下，有限种类的添加剂在煤种的适用程度方面具有一定的差异，因此需要开展水煤浆的分散剂复配和分散剂的适用面研究。

参考文献：

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