水煤浆流变特性影响因素及相关研究

时间：2024-08-31

杨国辉

(大型煤气化及煤基新材料国家工程研究中心，山东滕州 277527)

水煤浆是一种非均相、非牛顿型流体，由煤粉、水、添加剂混合而成，是煤洁净利用的重要部分。煤的制浆性能受到多种因素影响，如煤的变质程度、煤的表面亲水特性、煤的孔隙度、煤中的矿物质成分等[1-4]。随着优质煤种的逐渐减少，目前，多采用低变质程度的煤制备水煤浆，普遍出现煤浆浓度较低、稳定性较差等情况。

低变质程度的煤种由于煤的氧/碳比较高，孔隙度发达，可自由流动的水较少，因此制备的煤浆浓度偏低。部分煤种由于煤质的原因，存在煤浆流态较差的情况，即煤浆稳定性较差。煤种成浆浓度低，通过适量增加添加剂用量的方法来提高煤浆浓度，但添加剂的用量过高会导致煤浆流态变差，稳定性得不到保障，影响煤浆在管道中的输送[5-10]。

1 水煤浆流变性能简介

煤浆属于典型的非均相固液混合物，其中煤浆的流变性能反应其稳定性。煤浆的形态分为宾汉塑性体、胀塑性体、假塑性体等多种非牛顿型流体。煤浆在低剪切速率条件下，保持较高的粘度，有利于煤浆的稳定性，确保维持一段时间不分层。在高剪切速率条件下，保持较低的粘度，有利于煤浆的流动性及雾化，避免因粘度高导致跑浆等情况的发生。煤浆在不同剪切速率条件下(通常指10～100 s-1区间)，其粘度区间分布不宜过窄，否则会导致煤浆稳定性变差，严重时出现硬沉淀，影响煤浆的稳定输送。

通常情况，剪切速率10 s-1条件下煤浆粘度应在700 mPa·s以上，剪切速率100 s-1条件下，煤浆粘度大于380 mPa·s。10～100 s-1的区间粘度值应相差300 mPa·s以上，否则影响煤浆的稳定性，容易导致煤浆分层，煤浆的流变性能同时受到煤粉粒度级配、煤颗粒的表面特性、添加剂种类及用量等多种因素的影响。

2 水煤浆流变特性机理

水煤浆属于复杂的多相悬浮体系，施加剪切应力产生的速率梯度受到其物理结构变化的影响，反过来其物理结构又会因剪切作用而引起变化，因此水煤浆的流变特性呈现多样性[11-12]。

从目前的研究看，水煤浆涵盖了牛顿流体和几乎各种类型的非牛顿流体。煤水混合物流变机理对于流变特性与物质结构主要表现为：无论是静止还是剪切状态，一部分水用来浸润煤粉颗粒表面，并形成一层被颗粒表面吸附而不能参与流动的薄液体层；在浆体受到剪切作用后，颗粒间原有的空间网状结构遭到破坏并在高剪切速率条件下形成沿剪切方向的层状颗粒排列，即煤粉颗粒排列由随机的排列结构状态向沿剪切方向的层状有序结构状态转变，其排列有序状态与施加的剪切应力有关；在有序排列的煤粉层中，颗粒与颗粒间的水分不参与剪切流动；在受到剪切作用并达到稳定状态时，剪切变形主要发生在有规律排列的煤粉颗粒层与层之间的水层中，而煤粉颗粒层上吸附的水分变形很小。由于具有较高的固含量、相对较小的煤粉颗粒以及添加剂的加入使得煤粉颗粒与水紧密结合形成网状结构，多数水煤浆表现出典型的非牛顿型流体特性。水煤浆的非牛顿流体特性通常具有如下特点：非单项性，即流变特性要用多个参数来表示；非单值性，粘度随着剪切速率发生变化；非可逆性，粘度与剪切作用持续的时间有关，即表现出一定的触变性[13-14]。多数工业用水煤浆存在屈服应力，在低剪切速率和高剪切速率条件下，均呈现牛顿流体特性，在中等剪切速率条件下呈现剪切稀化特性，只有极少数呈现胀流性流体特性[15]。

3 水煤浆流变特性影响因素

影响水煤浆流变特性的因素主要有煤种煤质及其理化特性、水煤浆的浓度、水煤浆的粒度分布情况、添加剂的种类及用量。以上影响因素对水煤浆的浆态影响较大，工业应用中影响煤浆的储存、输送及雾化等。

3.1 煤种煤质的影响

从煤的碳、氢、氧、氮等元素分析，O/C值对煤的成浆性影响最大，比值越大，成浆性越差。极性官能团含量越高，表面电性越强，从而减弱了煤表面对阴离子添加剂的吸附，成浆性较差。低变质程度的煤主要结构单元为苯环、萘环、菲环等，中等煤化程度的煤主要结构有菲环、蒽环和芘环。低变质程度的煤内水含量较高，比表面积也相对较高，因而比高变质程度的煤成浆性差。

内蒙古地区煤样(SLWS)变质程度较低，在工业煤浆制备中遇到的主要问题在于其煤浆流变特性较差，不同剪切速率条件下煤浆的粘度区间窄，析水率较高，影响煤浆的储存及输送。

采用添加剂S-1、S-2对煤样SLWS进行制浆试验，浓度可达到57%。用漏斗法测定煤浆流动性，分别为0.56 mL/s、0.61 mL/s，但煤浆的稳定性较差，在量筒中静止24 h，析水率达8.31%、9.26%。使用NXS-4C型水煤浆粘度计，测量水煤浆在不同剪切速率下的粘度，测试结果见表1和图1。

表1 煤样SLWS粘度测试结果

图1 不同添加剂时煤浆粘度随剪切速率的变化趋势

由以上图表得出：采用添加剂S-1、S-2对煤样SLWS进行制浆试验，不同剪切速率条件下(10～100 s-1)，煤浆粘度区间均较窄，分别为563～296.7 mPa·s及559～280.1 mPa·s。煤浆粘度区间较窄，且100 s-1条件下煤浆粘度较低，均小于300 mPa·s，导致煤浆不稳定，容易发生分层沉淀，堵塞煤浆输送管道，影响正常生产运行。

根据以上情况，采用配煤的方法来改善煤浆稳定性。采用SLWS与内蒙YPH煤样配煤，SLWS与YPH的比例为2∶1、1∶1、1∶2。在煤浆浓度57%的条件下，采用添加剂S-1对以上比例的混煤进行制浆试验，粘度结果见表2和图2。

图2 不同配煤比例时煤浆粘度随剪切速率变化趋势

表2 混煤粘度测试结果

由以上图表得出：SLWS与YPH煤样不同比例混配后，采用添加剂S-1开展制浆试验，随着YPH煤样比例的增加，煤浆粘度区间明显变大。其中，SLWS与YPH煤样1∶2混配后，10～100 s-1剪切速率条件下，煤浆粘度区间范围较为合理(811～420.4 mPa·s)，且剪切速率100 s-1条件下煤浆粘度大于380 mPa·s，相对比较适中(420.5 mPa·s)。SLWS与YPH煤样2∶1、1∶1、1∶2混配后，静止24 h，煤浆析水率分别为7.33%、6.20%、4.17%，1∶2混配后煤浆析水率低于5.0%，其稳定性良好。

3.2 煤浆粒度配比的影响

煤浆粒度的配比情况对流变特性影响较大，从而影响煤浆的稳定性，主要为析水率偏高。以下从榆林某甲醇厂气化车间三台磨煤机(1号、2号、3号)制备煤浆的粒度情况分析，具体粒度数据见表3。

表3 三台磨机煤浆粒度分布情况

榆林某甲醇厂气化车间三台磨煤机(1号、2号、3号)制备煤浆粘度见表4和图3。由图表得出：1号、2号磨机磨制煤粉粒度较为合理，小于200目的煤粉比例约44%，3号磨机制浆小于200目的煤粉比例约38%，大颗粒煤粉相对较多。

图3 煤浆粘度随剪切速率变化趋势(三台磨机)

表4 三台磨机取样煤浆粘度测试结果

现场煤浆析水率、粘度测试结果显示：1号、2号磨机煤浆静止24 h析水率均小于5.0%，分别为3.62%、3.77%。3号磨机生产的煤浆粘度区间较窄(647～351.2 mPa·s)，静止24 h析水率7.79%，出现少量硬沉淀，煤浆稳定性较差，影响煤浆在管道中的稳定输送。

由此可见，小于200目煤粉比例在40%～50%之间较为合理。煤粉小于200目的比例低于40%，会影响煤浆的流变特性，析水率偏高，其稳定性偏差，影响煤浆输送的稳定运行。

3.3 添加剂的影响

添加剂对煤浆稳定性影响较大，不同煤种适用的添加剂不同，单一的添加剂难以满足所有煤种对制浆的要求。尤其是陕蒙地区难制浆的煤种，煤质较差，煤种制浆浓度偏低。采用常规木质素等为主的添加剂时，通过增加添加剂用量的方法，提高煤浆浓度作用不明显，且煤浆稳定性较差。在实际生产过程中，出现带浆、跑浆的问题，造成生产的不稳定性。通过木质素、萘系、聚烯烃磺酸盐、聚氧乙烯醚等进行复配，复配后的添加剂制浆浓度得到提高，且煤浆稳定性较好，煤浆流变特性得到改善。

以内蒙古地区ZLW煤样为例，采用木质素等常规添加剂(代号A11)进行制浆，其煤浆浓度较低(约54%)，增加添加剂用量至煤基的0.35%，煤浆浓度提升不明显(约55%)，且工业应用中出现跑浆、带浆的情况，煤浆稳定性较差。更换以木质素、萘系、聚烯烃磺酸盐、聚氧乙烯醚等复配后的添加剂(代号B02)后，制浆浓度提升至56.5%，且煤浆流变特性较好，稳定性适中。

测试结果具体见表5。

表5 煤样ZLW粘度测试结果

由图4和表5得出：采用常规添加剂A11、复配添加剂B02对煤样ZLW进行制浆试验。常规添加剂A11在用量增加后，制浆浓度55%的条件下，不同剪切速率条件下(10～100 s-1)，煤浆粘度区间均较窄，为602～311.1 mPa·s，煤浆粘度区间较窄，且100 s-1条件下煤浆粘度偏低，为311.1 mPa·s，煤浆静止24 h出现大量软沉淀，析水率测试结果偏高，为5.66%，煤浆稳定性偏差，容易发生分层沉淀，堵塞煤浆输送管道，影响生产的正常运行。

图4 煤浆粘度随剪切速率变化趋势(不同添加剂)

根据以上情况，采用复配添加剂来改善煤浆流变特性及稳定性。采用B02复配添加剂，制浆浓度提升至56.5%。煤浆流变特性得到改善，不同剪切速率条件下(10～100 s-1)，煤浆粘度区间为829～403.2 mPa·s，煤浆粘度区间较为合理，且100 s-1条件下煤浆粘度比较适中(403.2 mPa·s)，煤浆静止24 h仅出现少量软沉淀，测试析水率为3.91%，稳定性明显得到改善。