不同水煤浆添加剂与煤,散剂用量对水煤浆流变特性的影响

收稿日期:20030916

基金项目:国家自然科学基金项目(50074033)

作者简介:邹立壮(19612),男,山东省文登县人,中国矿业大学教授,博士,从事表面活性剂化学和洁净煤技术方面的研究.第33卷第4期　　　　　　　　　　　　　　中国矿业大学学报　　　　　　　　　　　V ol .33N o .42004年7月　　　　　　　　Journal of Ch ina U niversity of M ining &T echnol ogy 　　　　　　　　　Jul .2004文章编号:100021964(2004)0420370205

不同水煤浆添加剂与煤之间的相互作用规律研究

——分散剂用量对水煤浆流变特性的影响( )

邹立壮,朱书全,支献华,崔广文

(中国矿业大学化学与环境工程学院,北京　100083)

摘要:用6种分散剂和6种不同变质程度的煤进行了成浆实验以研究分散剂的用量对水煤浆(C W S )流变特性的影响.结果表明,分散剂的种类和用量不仅影响C W S 的表观黏度而且还影响其流变特性.分散剂用量过多或过少都会增加C W S 的表观黏度,但不同分散剂的最佳用量范围不同,这主要取决于分散剂的结构、性质及其与煤粒间的相互作用特征.分散剂用量主要关系到煤粒表面改性的程度;分散剂的种类主要影响到改性煤粒表面的结构特征.

关键词:水煤浆;分散剂用量;流变特性

中图分类号:TQ 53　　文献标识码:A

Study of Interacti on Features Bet w een D ifferent

C W S

D ispersants and Coals

——Effect of D is persan t Do sage on C W S R heo l ogical Behavi o r ( )

Z OU L i 2zhuang ,ZHU Shu 2quan ,ZH I X ian 2hua ,CU I Guan 2gw en

(School of Che m ical and Environm ental Engineering ,CUM T ,Beijing 100083,Ch ina )

Abstract :Influence of dis persan t dosage on C W S rheol ogical behavi o r w as studied using 6Ch inese

coals and 6dis persants

.T he results show that the dis persant and its dosage not only influence the apparen t visco sity but als o the rheol ogical behavi o r of C W S .Surp lus or scan ty dis persant do sage w ill increase the apparent viscosity of C W S .But the op ti m al dosage is different for differen t dis persan ts m ainly because their structures ,p roperties ,and interacti on characteristic betw een coal particles and dis persants are differen t .T he usage of dis persan t has m uch to do w ith the extent of

dis persan t 2modified p roperty of coal particles

.T he type of dis persant m ainly influence the surface structure characteristic of coal particle .

Key words :C W S ;dis persant dosage ;rheol ogical behavi or

C W S 的流变特性对于煤浆的工业应用非常重

要,理想的C W S 流型是屈服假塑性,并且具有适

宜的触变性.C W S 的流变特性既关系到浆体的稳

定性又直接影响到C W S 的泵送、雾化、燃烧.研究

表明[127],影响C W S 流变性的因素主要有煤的种类

和性质,粒度分布,煤浆浓度,添加剂的种类、性质

以及温度等等.虽然人们也注意到添加剂的用量,能够影响C W S 的流变特性,但系统的研究工作还未见报道.文献[8210]曾系统研究了14种不同变质程度的煤与12种分散剂成浆的流变特性及成浆特性,分析讨论了煤与分散剂的组成、结构特征对煤成浆性和C W S 流变特性的影响.作为系统研究工作的一部分,本文报道分散剂的用量对C W S 流变特性的影响.

1　实验部分

1.1　样品

以文献[829]为基础,确定了不同变质程度的下列6种制浆用煤,山西大同(SD T)弱粘煤,河北下花园(XH Y)弱粘煤,河北唐山(H T S)1 3焦煤,安徽淮北(A HB)焦煤样,山西潞安(SLA)瘦煤样,河南鹤壁(HHB)贫瘦煤样,煤质分析结果见文献[8].选用AD1(磺化腐植酸盐系),AD3(木质素磺酸盐系),AD7(萘磺酸、苯乙烯、马来酸共聚物)、AD9(萘系)、AD10(改性萘系)、AD11(改性聚(甲基)丙烯酸盐).分散剂的相关分析结果见文献[9].

1.2　测定方法

在初步制浆实验的基础上,对同种煤在浓度固定的条件下,分别用不同量的分散剂成浆,搅拌时间和速度同文献[8],用H aake RV12型粘度计测定相应C W S的流变曲线.

2　结果与讨论

2.1　分散剂用量对C W S流变特性的影响

不同分散剂在不同用量时,对不同煤C W S流变特性的影响是很复杂的,但也表现出下列一些明显的特点:

1)同种煤在粒度分布、浓度等相同条件下,所形成C W S的流变特性不仅与分散剂的种类、性质有关,而且与分散剂的用量直接相关.

2)下花园,潞安煤不仅容易和多数分散剂形成假塑性C W S,而且绝大多数分散剂浓度的变化对浆体流型的影响很小.

3)不同浓度的AD3与不同煤形成C W S时,全部具有假塑性流型.而AD11与不同煤成浆时,基本上都形成胀塑性C W S,但某些情况下,AD11浓度的变化,能引起浆体流型的明显变化.

4)分散剂用量低时,C W S粘度增高,但却容易形成假塑性浆体.

5)6种煤在实验条件下,不含任何添加剂形成的C W S,在刚能流动到浓度下降10%时,均形成屈服假塑性浆体,且触变性不明显.

在无分散剂时,以疏水表面为主的煤颗粒,由于强的疏水作用,在水中很易聚集,并形成大小不一、无规则松散的三维团粒结构,在团粒空隙包含了很多可作为分散介质的自由水,在外剪切作用下,大的聚团很容易变成小聚团,并放出包含在团粒空隙间的水,使浆体变稀,表观粘度降低,表现出很明显的屈服假塑性.当外力消除后,煤粒间通过疏水作用形成聚团时,其作用位置和方式选择性要求低,因此,浆体静态结构恢复快,从而使这些浆体并未表现出明显的触变性.

当有分散剂存在时形成的C W S,由于分散剂结构、性质的差别,导致了改性煤粒间不同的相互作用特征,从而形成了具有不同流变特性的C W S[8].当分散剂相同时,分散剂用量对C W S流变性的影响,本质上还是分散剂改性煤粒间相互作用的变化引起的,并可从以下几个方面讨论相关结果.

1)当分散剂用量低至不足以使煤粒表面达到饱和吸附或更低时,虽然可使煤粒的亲水性得到一定程度的改善,但煤粒间的相互作用方式仍主要由煤粒自身的性质控制着,因此浆体容易表现出假塑性或屈服假塑性流型.

2)当分散剂用量足以使煤粒表面达到饱和吸附时,即,分散剂对煤粒表面改性的程度达到最高,此时煤颗粒间的相互作用方式和强弱主要由煤粒表面分散剂的结构和性质控制着.

无论是容易形成假塑性浆体的AD3分散剂,还是容易形成胀塑性浆体的AD11分散剂,以及由煤粒与分散剂作用的总结果决定浆体流变性的AD1,AD7,AD9等分散剂,其特点在上述浓度下都充分表现出来.

3)对于AD3分散剂,尽管在用量多与少时,与所有的研究用煤均形成假塑性或屈服假塑性C W S,但低浓度时,C W S流变曲线滞后环小,浓度高时C W S流变曲线滞后环大.这种差别反映出AD3分散剂浓度高与低时,所改性煤颗粒之间相互作用的特征是不同的.显然,分散剂浓度低时,煤粒自身的表面性质对浆体形成静态三维结构的方式仍然产生明显的影响,且分散剂浓度越低,煤粒自身表面性质对浆体静态结构形成方式的主控作用越明显,其浆体流变曲线的滞后环越小.当AD3分散剂的用量使煤粒表面充分改性时,煤粒间可以通过其表面分散剂富含的-OH之间产生氢键,以及较大的立体网络式分子结构,形成松散的三维浆体结构,这种结构受外力剪切破坏时,恢复较慢,因此浆体流变曲线产生较明显的滞后环.很明显,虽然在AD3浓度较高和较低时,浆体都具有屈服假塑性,但煤粒间形成的静态三维结构是存在着明显差别的.

4)对AD11分散剂,前期研究已表明,在正常使用浓度时,它与绝大多数成浆用煤形成胀塑性或屈服胀塑性C W S.而实验结果表明,在其用量较少

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第4期　　　　　　　　　　　邹立壮等:不同水煤浆添加剂与煤之间的相互作用规律研究

时形成的C W S 也表现出假塑性或屈服假塑性;但在用量相对较多时,浆体却表现出假塑性或屈服假塑性.前文[8]已经分析,由于AD 11分散剂的分子线度较长,疏水、亲水基团相间分布,当AD 11顺应煤粒表面曲率形成多点吸附时,很易使浆体在静态时形成有序密堆积结构,这是导致正常浓度下,AD 11分散剂与绝大多数成浆用煤形成胀塑性

C W S 的主要原因

.当AD 11浓度较高时,煤粒表面达到饱和吸附后,AD 11分子主要存在于浆体分散介质中,由于丰富的亲水基团,使溶液中的AD 11分子易呈舒展状态.这些伸展的、分子线度较长的AD 11分子,可以与吸附在煤粒表面上的AD 11分子通过氢键或其它分子间相互作用相互联结,形成相对松散的立体网络结构,这可能是AD 11浓度高时,形成C W S 呈假塑性或屈服假塑性的主要原因.

5)对于下花园、潞安煤,由煤岩分析结果[8]

知,二者含有较多的黏土矿物,煤中解离的细小的

粘土颗粒在分散剂作用下,很易分散成胶体或类胶体粒子,而大的黏土颗粒易吸水膨化.这些带电的胶态和膨化的粘土颗粒分散在煤粒之间,对浆体形成稳定的静态三维结构非常有利,由于这种结构主要不是靠改性煤粒表面分散剂相关基团的特性相互作用形成,所以一方面表现出浆体的屈服值往往都较小,另一方面,浆体的流变性受分散剂的种类,数量影响也较小.

2.2　分散剂用量对C W S 表观粘度的影响不同煤样在各自成浆浓度固定条件下,其浆体表观粘度(剪切速率为100s -1)随分散剂用量的变化关系见图1,其中w (AD )表示添加剂的用量(占干基煤的质量分数).实验结果表明

:

1)总体上看,当分散剂用量较低时,浆体表观粘度随分散剂用量的增加而迅速降低,当分散剂用量超过某一数值时,浆体表观粘度呈下列几种变化趋势:a .随分散剂用量的增加,浆体表观粘度基本上保持不变(大同-AD 7,AD 9,AD 10;唐山-AD 1,AD 3,AD 10;淮北-AD 1,AD 7,AD 9;下花园-AD 1,AD 10;鹤壁-AD 7,AD 9,AD 10;潞安-AD 7,AD 9).b .随分散剂用量的增加,浆体表观粘

度呈缓慢增大趋势(大同-AD 1,AD 3,AD 11;唐山

-AD 7,AD 9;淮北-AD 3,AD 10;下花园-AD 3,AD 7,AD 9;鹤壁-AD 1,AD 3,潞安-AD 3,

AD 10).c

.随分散剂用量的增加,浆体表观粘度呈明显增大趋势(唐山、淮北、下花园、鹤壁、潞安-AD 11,潞安-AD 1).

2)仅从分散降粘效果看,AD 11,AD 7,AD 9适用的煤种范围相对较宽,但对不同种煤,且均在最佳用量范围内,三者并不是表现出固定顺序的分散降粘效果.例如:对大同、唐山、淮北、鹤壁煤,AD 11

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比AD7,AD9的分散降粘效果更好.对唐山、淮北、鹤壁、潞安煤,AD7,AD9的分散降粘效果相近.对潞安,下花园煤,AD7,AD9的分散降粘效果优于AD11.而对大同煤AD9明显好于AD7的降粘效果.

3)AD1,AD3,AD10总体分散降粘效果不如AD7,AD9,AD10.除了它们三者之间对不同种煤表现出不同的降粘效果外,在某些情况下,它们又表现出较好的分散降粘效果.如,对下花园煤AD1,AD10与AD7,AD11,对大同煤AD3,AD1与AD7表现出非常相近的分散降粘效果.尽管AD1,AD3,AD10用量高一些,但从性能与价格比上看,则AD1,AD3,AD10对这些煤更具有经济实用的优势.

关于不同分散剂对不同煤产生不同分散降粘效果的原因,在文献[9]中已作了讨论,而分散剂用量不同产生不同的降粘效果,可从以下几个方面考虑:

1)当分散剂用量不足以使成浆煤粒的疏水表面充分改性为亲水表面时,煤粒表面还保持部分原来的疏水区.由于改性颗粒表面亲水基团密度相对较小,所以无论从形成双电层后产生的静电排斥作用,或是形成水化膜的厚度,还是分散剂吸附在煤粒表面上后所产生的空间位阻效应看,这些有利于颗粒分散的因素都难以达到最佳状态.相反,由煤粒间的疏水作用和范德华引力所产生的聚集作用还占有一定的优势,这种状态下,不仅团粒结构中包含了相当数量的自由水,而且因煤粒之间接触机会增大,必然导致运动阻力增加,这是分散剂用量低时,浆体表观粘度高的主要原因.

2)从理论上分析,水煤浆分散剂的用量,仅控制在分散剂在煤粒表面达到饱和吸附即可,而饱和吸附量的多少取决于煤粒的比表面、煤质性质,以及分散剂的结构、性质等(有关实验结果将在后续工作中报道).当分散剂用量过多时,除了经济因素外,还容易使浆体的粘度增大.首先,所用分散剂都是高聚物,量过多时,必然导致分散介质的粘度增高,这对降低C W S的粘度是不利的.其次,分散剂用量过多时,容易在煤粒表面上产生多层吸附,使改性煤粒产生的空间位阻过大,虽然这会增加浆体稳定性,但容易导致堆积效率减小,成浆浓度降低,表观上浆体粘度增大.再者,当分散剂溶于水时,由于较强的水化作用,必使相当数量的水分子被固定在分散剂的溶剂化层之内,所以,分散剂用量越多,能作为分散介质的自由水越少,在同样情况下,这无疑会明显增大浆体的粘度.综上所述,无论从经济因素还是浆体的性质看,分散剂的用量过多都是不利的,而本研究中那些随着分散剂用量增加浆体粘度基本不变的情况,是对一定分散剂用量范围而言的.实验表明,任何分散剂其用量超过一定值时,浆体的表观粘度都增大.

3　结　论

1)分散剂的种类、用量不仅影响C W S的分散降粘效果,而且还影响到C W S的流变特性,但是不同用量的同种分散剂或者是同种用量的不同分散剂,对C W S流型和触变性影响的微观起因是不同的.分散剂用量的多与少主要关系到煤粒表面改性的程度,不同改性程度煤粒间相互作用的主控因素是不同的;而不同分散剂主要是影响煤粒表面改性的结构特征.因此不仅可以通过分散剂的种类、用量控制C W S的流型,而且还可以控制其触变性的程度.

2)分散剂用量对C W S的表观粘度产生明显影响,多数分散剂用量过多与过少时,都对C W S 的降粘产生不利的影响,而不同分散剂的最佳用量范围明显不同,这主要取决于分散剂的结构、性质及其与煤粒表面的相互作用特征.

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(责任编辑　李成俊)

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