徐志強，鄭劍平，李凡飛，王 磊，涂亞楠

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.教育部煤基漿體燃料工程研究中心，北京 100083)

近年來，我國能源安全形勢變得日益嚴峻，煤炭資源作為當前我國主要能源，其清潔高效利用至關重要。水煤漿技術作為煤炭清潔高效利用技術之一，在一定程度上得到了很大的發(fā)展。目前，水煤漿主要應用于東南沿海區(qū)域的中小型工業(yè)鍋爐、陶瓷等建材領域中的噴霧干燥塔的燃料和現(xiàn)代煤化工領域作為德士古氣化爐的原料[1]，應用廣泛。但如何制備出高濃度水煤漿，高效率地利用煤炭資源顯得尤為重要。

水煤漿的制備過程中，有效地控制好顆粒的粒度分布，形成良好的粒度級配，可制得高濃度漿體。不同粒度分布一般堆積效率也會不同，其對水煤漿的可制漿濃度、流變性和穩(wěn)定性等產生重要影響[2]。一般而言，堆積效率越高，可制漿濃度越高，穩(wěn)定性越好[3]。但對于等堆積效率而不同粒度分布條件下，水煤漿制漿濃度和穩(wěn)定性的變化規(guī)律方面卻未見相似研究。

本文提出了一種顆粒外圍水層厚度的概念和相應理論計算方法，并探討了相同堆積效率、不同粒度分布條件下，水煤漿的可制漿濃度與穩(wěn)定性隨著顆粒外圍水層厚度的變化規(guī)律。

1 模型建立

在張榮曾提出的隔層堆積理論模型[2]及Tu等提出的顆粒堆積效果評價指標E的計算方法[3]等的研究基礎上，提出了水煤漿體系中煤顆粒外圍水層厚度的計算模型。

1.1 顆粒外圍水層厚度的定義

在水煤漿體系中，顆粒與顆粒間不直接接觸，兩個顆粒的表面之間存在一層水。單就某個顆粒而言，其外圍水層厚度被認為是中間層的一半，記為L。顯然L值與水煤漿濃度直接相關，如圖1所示。

圖1 顆粒外圍水層厚度L的示意圖

1.2 假設

參照Tu提出的堆積效果評價指標E的計算模型假設[3]，本模型的假設如下：

1)均勻性假設——在水煤漿體系中，煤顆粒是均勻分布的。

2)離散型假設——整個水煤漿體系可以劃分為有限數(shù)量的計算微元結構，且每個結構中的顆粒粒徑分布完全一致，且具有相同的堆積模式和堆積效率。

3)可變形假設——計算微元可以發(fā)生變形、重組，甚至可以分割為數(shù)量不限的更小結構離散到整個體系，但在計算中仍被認為是同一個微元的內部元素。

4)平均性假設——在同一個水煤漿體系中，所有顆粒的L值均相等。

5)堆積模式一致性假設——忽略因粒度效應對不同大小顆粒表面水層厚度的影響，且水層厚度無論多大或多小均不對顆粒堆積體系膨脹或壓縮有任何干擾。

1.3 建模計算

首先參照Tu提出的堆積效果評價指標E的計算模型[3]，使用同樣的方法計算E值。

而對于任一顆粒，當外圍形成水層后，其體積將發(fā)生膨脹。顯然，不同粒徑顆粒的膨脹率是不同的。如圖1所示，由于有水的存在，可認為每個顆粒均增加了一層外圍水層，其粒徑將增大2L。

對于任一i級次級粒級，其平均粒徑di因外層有水層后的平均粒徑Di為：Di=di+2L。則相應的體積膨脹率φi為：

此時，以膨脹后的窄粒級固體顆粒體積作為實際體積替換Tu的方法中的窄粒級固體顆粒體積進行相似計算。據上述總表觀體積，并利用顆粒體積、顆粒視密度、顆粒真密度、水的密度等參數(shù)，就可以計算出顆粒體積增大2L后的體系的固體顆粒質量濃度，或者就是水煤漿的計算濃度。顯然，這個計算過程無法給出確定的L值。因此具體的計算操作是，先給定L一個小值，并以更小的增量ΔL進行反復計算，直至水煤漿計算濃度值恰好超過實測濃度值時，將此值及前一個值做平均，即可得到相對準確的L值。其準確性可以由增量ΔL的大小來確定，本文中采用0.01μm。

2 煤樣性質與研究方法

2.1 煤樣性質

煤樣來自于神東集團哈拉溝選煤廠神優(yōu)2號產品，其工業(yè)分析與元素分析見表1。

由1.3節(jié)計算過程解釋可知，為了較為準確計算各煤樣制備的水煤漿的L值，需要測試煤樣的真密度、孔隙率，本文參照真密度測試國家標準檢測煤樣的真密度及采用壓汞法測試煤樣的孔隙率，并計算出內在水分，測量結果見表2。

表1 煤樣煤質分析結果 %

表2 煤樣的密度、孔隙率和內水

2.2 研究方法

研究選取亞甲基二萘磺酸鈉(NNO)作為制漿用分散劑，其最佳用量經預試驗確定為干煤質量的0.8%。樣品處理方法為：將收到的煤樣在空氣中進行干燥2～3d，制成實驗所需的空氣干燥基。將空氣干燥基煤樣(>100kg)，揀出大塊矸石后，然后按照GB/T 474—2008經過小型顎式破碎機破碎至3mm以下過篩后，利用二分器進行混合、縮分至10kg，用樣品袋真空封存，存放在陰涼處。其余煤樣送入球磨機中進行磨制，控制不同的研磨時間后，用電動振篩機過0.3mm篩子，篩上物料再投入球磨機研磨，最終制取0.3mm以下煤粒封存于樣品袋中并標記好。研磨時間根據其物料粒度分布(采用OMIC LS-C(I)型激光粒度分析儀測試粒度分布)進行控制，以得到煤樣的粗樣、細樣、超細樣三種樣品(CS、FS、CFS)，作為配置不同粒度分布的制漿樣品。由此得到的粒度分布如圖2所示。

圖2 煤樣粒度分布圖

制漿方法為：將粗、細、超細樣品按選定的配比準確稱量，加入一定量的分散劑和水，使用高速攪拌器，在低轉速條件下將煤粉、分散劑和水進行預先捏混4～5min，使煤樣充分潤濕，形成有一定流動性的混合物，然后進行高速攪拌混勻10min，攪拌速率為1000r/min，使煤顆粒與藥劑間得到進一步熟化。粗、細及超細樣品的配比依據E值相近、L值不同的原則進行遴選。最終CS∶FS∶CFS質量比為0∶5∶8、0∶5∶2、3∶8∶1、9∶9∶1，其E值分布在84.61±0.01%，見表3。

表3 不同配比下顆粒間堆積效率E和水層厚度L

煤漿特性檢測方法：水煤漿濃度采用Sartorius MA35快速水分分析儀測試，表觀粘度、切應力和剪切率等采用Brookfield DV2T型旋轉粘度計測試，并依據Herschel-Bulkley模型[1，4-8]進行擬合。在此，定義可制漿濃度R值：在最優(yōu)用藥量、常溫及剪切速率為100s-1條件下，水煤漿的表觀粘度達到1000mPa·s時的漿體濃度。水煤漿穩(wěn)定性采用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀進行測試分析，觀察15d靜置后，析水率h和穩(wěn)定性指標TSI值的變化規(guī)律[9-11]。

3 水層厚度L對漿體特性變化的影響

3.1 L值對可制漿濃度R的影響

不同L值下的可制漿濃度R如圖3所示?？梢姡S著L值的增大(由最小值到最大值增大了約50%)，R值也呈現(xiàn)增加趨勢。也就是說，在堆積效率相近的條件下，適當增大L值將會提高制漿濃度。這主要是因為等堆積條件時，L值大的配比中粗顆粒含量占比大，相當于整體外表面積下降。此時若仍以等濃度且等堆積效率制備水煤漿時，L值大的配比的水煤漿體系中的自由水量相對L值小的配比要多一些，從而使粘度下降。故在可制漿濃度角度進行考察時，相應的制漿濃度會高一些。但由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，所有配比的可制漿濃度均分布在59.95±0.3%之間，在很窄的范圍內變化。也就是說，盡管L值相對增大了約50%，但所對應研究的濃度值僅相對提高了約0.5%，濃度增大幅度很小。可見，在堆積效率相近的情況下，L值僅能在很有限的范圍內對可制漿濃度進行調節(jié)，且滿足L值越大，可制漿濃度越大。因此，圖3也從側面驗證了，采用E值進行堆積效率和制漿過程的指導更為有效。

圖3 R與L的關系

3.2 L值對水煤漿析水率h的影響

不同L值條件下，水煤漿經過靜置15d后的析水率如圖4所示?？梢?，顆粒外圍水層厚度L值越大，靜置15d后的析水率也越大。主要是因為四個配比的E值是近似相等的，即制備水煤漿的可制漿濃度也都是很相近的，水層厚度L越大，也就意味著體系中形成的煤、水、分散劑的三維空間結構中所包含的自由水含量就越多。隨著靜置時間的增加，原形成的三維穩(wěn)定體系被慢慢破壞掉，失去穩(wěn)定，將釋放出自由水，且L值越大，釋放出自由水量越多，即形成更厚頂部澄清層，析水率h也就更大。

圖4 L與h之間的關系

3.3 L值對水煤漿穩(wěn)定性指標TSI的影響

不同L值條件下，經Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀基于背散射光譜檢測結果得到的水煤漿穩(wěn)定性指標TSI值如圖5所示?？梢?，在堆積效率相近的條件下，TSI值隨著L值的增大而增大，即水煤漿穩(wěn)定性變差。這主要是由于L值表征了復合顆粒(指含有外圍水層的煤顆粒)間的距離，其值越高，表明顆粒受微觀條件下的布朗運動引起的微剪切越強，可以自由移動的距離也就越大，從而不僅提供了更多的動能，也提供了更寬的可壓縮移動范圍，進而導致顆粒團聚并沉降的態(tài)勢更高，使得水煤漿整體的穩(wěn)定性變差。

圖5 TSI與L的關系

4 結 論

1)等堆積效率下，顆粒整體較粗的煤所制備的水煤漿的水層更厚，其可制漿濃度更高，但提高的幅度很小，揭示了采用E值進行堆積效率和制漿過程的指導更為有效。

2)水層厚度越大，外圍水層中的自由水含量也越多，顆粒的可移動范圍也越大，顆粒受到微剪切的影響作用也就越顯著，使得體系的析水率越大，穩(wěn)定性指標TSI值越高，水煤漿趨于更不穩(wěn)定。