中国不同变质程度煤制备水煤浆的性质研究

在相同的制浆条件下,以中国煤种资源数据库为依据,考察了24种不同地区、不同变质程度煤制备成水煤浆的成浆性、流变性及静态稳定性。结果表明,山西阳泉、山东淄博石谷、河北下花园等煤种适宜制浆,这些煤的浆体质量分数均可达到66%以上,浆体呈假塑性流体,且煤浆产生软沉淀的静态稳定性均在15 d以上;山西潞安石圪节、安徽淮南、淮北石台等煤成浆性较好,稳定性在7 d左右,浆体呈胀塑性流体;山东枣庄八一、甘肃靖远红会、河南鹤壁等煤可达到较高的煤浆质量分数,浆体流变性及稳定性均较差,其他的煤则不适宜用于制备水煤浆。     

煤孔结构特性对水煤浆性质的影响分析

通过三种不同的方法(CO2吸附法、N2吸附法和压汞法)测试了不同变质程度煤的孔结构性质,分析了煤的孔结构特性与水煤浆性质之间的关系。结果表明,煤的孔结构特性对水煤浆性质的影响较为复杂,主要是煤的大孔结构对煤浆成浆性的影响。在相近的孔体积和孔径分布下,煤的成浆性差别较大。孔结构特性本身作为一个独立的因素不能完全体现出对水煤浆性质的影响程度,与煤的表面性质如含氧官能团性质、煤表面的疏水性以及煤的吸水性等密切相关,共同影响着水煤浆的性质。     

煤质因素对水煤浆性质的影响

采用多元线性回归分析的方法研究了煤质因素对水煤浆成浆性、流变性及稳定性的影响。并采用多元逐步回归分析的方法对影响水煤浆性质的煤质因素进行了综合分析,以确定影响水煤浆性质的主要煤质因素,并建立了相关的经验方程。结果表明,与煤成浆性有关的主要煤质因素为煤的碳质量分数、空气平衡水分、可磨性指数以及压汞仪所测煤的比表面积,复相关系数达0.988;与煤浆流变性有关的主要煤质因素为煤的灰分质量分数、煤中可溶矿物离子的溶出量、压汞仪所测煤的孔体积以及煤表面的动电位性质,复相关系数为0.917;与煤浆稳定性有关的主要煤质因素为煤岩显微组分分析中丝质组分的质量分数和煤灰成分分析中SiO2的质量分数,复相关系数为0.779。     

萘油制备新型水煤浆添加剂的研究

研究了如何利用萘油中的有效成分合成出性能良好的水煤浆添加剂。通过合理的正交试验设计和多元线性回归分析方法得到了合成萘油添加剂的较佳工艺条件,即在75 g的萘油中,加入浓H2SO4 30 mL,在160 ℃时磺化2 h;加入HCHO 25 mL,在105 ℃时缩合1.5 h。利用实验合成的萘油添加剂与纯萘磺酸甲醛缩合物作添加剂分别对庞庄煤进行制浆实验。结果表明,萘油添加剂性能良好,可显著降低萘油添加剂的成本。应用傅立叶变换红外光谱对萘油添加剂的结构进行了分析,测出萘油添加剂主要为含有－CH2－,－SO3－等基团的芳香族化合物。对萘油添加剂改善水煤浆性能的作用机理进行了初步探讨。     

阴离子型添加剂的分子结构特征对水煤浆浆体性质的影响

选用分子结构特征不同的三类共七种添加剂和变质程度不同的八种煤,对添加剂的分子结构特征与煤质及水煤浆浆体各性质间的匹配规律进行研究。结果表明,以多核芳烃为缩聚单体的磺酸盐类添加剂中甲基取代基的引入对煤的成浆性不利,但有利于浆体向塑性流体转变和静态稳定性的提高;苄基取代基的引入能提高分析基氧体积分数低的煤种的成浆性,但是其浆体的静态稳定性较差。富含极性含氧官能团且变质程度较低的煤种在使用磺化程度较高的腐植酸盐类添加剂制浆时,可以制备出较高定黏浓度的水煤浆。腐植酸类添加剂磺化度较高时改善了浆体的流变性。对于腐植酸类和木质素类添加剂,磺化度较高的添加剂有利于挥发分较高的煤种所制浆体的静态稳定性的提高。     

污泥水煤浆燃烧和污染排放特性研究

在3.2 MW 卧式炉中对污泥水煤浆和大同烟煤水煤浆进行了对比燃烧实验,分别研究了煤浆的着火、燃烧、结渣及污染物排放特性。结果表明,掺混 10%污泥的水煤浆着火容易,燃烧稳定,炉膛火焰分布均匀,燃烧和结渣特性均优于大同烟煤水煤浆。污泥的添加使水煤浆燃烧烟气中SO₂和NO_x的浓度偏高,实际应用中可通过加入固硫剂等方式缓解。污泥水煤浆在卧式炉中的燃烧状况较理想,为城市污泥资源化利用提供了一条可行的新途径。     

利用分散稳定性分析仪研究水煤浆的稳定性

采用Turbiscan Lab浓缩体系分散稳定性分析仪研究了改性木质素系分散剂（GCL3S）和萘系分散剂（FDN）对水煤浆稳定性及浆体中煤颗粒沉降行为的影响。结果表明,水煤浆中煤粒沉降行为为差异沉降,在水煤浆制备过程中,煤颗粒之间会发生团聚,掺1.0％GCL3S的水煤浆清液区高度及平均沉降速率仅为掺FDN的68％,木质素系分散剂制备的水煤浆稳定性能优于萘系。分散稳定性分析仪不仅可以用于水煤浆的稳定性分析,还有助于揭示分散剂对水煤浆的稳定作用机理。     

聚对苯乙烯磺酸钠添加剂的分子量对水煤浆浆体性质的影响

选用了变质程度不同的八种煤和三种不同分子量的聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）添加剂,详细考查了该添加剂的分子量对水煤浆浆体性质的影响。结果发现,在考查PSS相对分子量的范围内（质均分子量为5.34×104～33.39×104）,八种煤的水煤浆成浆性随着分子量的增大而增加,水煤浆成浆性与PSS添加剂的平均分子量的关系可归因于添加剂在煤粒上的吸附,分子量小的PSS在煤粒上的吸附量大于分子量大的PSS;PSS分子量的增加有利于水煤浆的流变性由胀性向假塑性转变;PSS分子量的增加使水煤浆的静态稳定性得到显著的改善。     

煤直接液化残渣制备水渣浆成浆性的研究

以煤直接液化残渣制备了水渣浆,考察了粒径分布、搅拌时间、分散剂的用量及种类对水渣浆性质的影响。根据实验确定了制备水渣浆的最佳工艺参数：Alfred粒径分布模型（d_280~154μm、d_154~74μm、d_<74μm 质量分数分别为14%、16%、70%）,搅拌时间20 min,分散剂加入量为干渣基1.0%。实验结果表明,液化残渣制备水渣浆的定黏质量分数分别为73.5%（NSF）和71.0%（SL）。分散剂萘磺酸盐甲醛缩合物（NSF）的分散降黏效果优于改性碱木质素磺酸钠（SL）,而水渣浆的流变性,分散剂SL要优于分散剂NSF。     

壬基酚聚氧乙烯醚聚合度对水煤浆浆体性质的影响

研究了壬基酚聚氧乙烯醚型添加剂的聚合度对变质程度不同的8种煤所制得的水煤浆浆体性质的影响规律。结果表明,壬基酚聚氧乙烯醚添加剂的聚合度对于8种煤所制得的水煤浆的成浆性、流变性以及静态稳定性均有一定的影响,存在一最佳范围。研究还发现,用壬基酚聚氧乙烯醚型添加剂制备水煤浆时,该添加剂的作用与煤的分析基水分质量分数、丝质组分质量分数以及孔体积之间存在着相关性。     

KNO3体系中离子液体辅助水煤浆电解脱硫

在稳流条件下,考察了KNO₃体系中离子液体辅助煤浆电解脱硫效果.研究了煤浆电解过程中离子液体结构、浓度、温度和时间对脱硫率的影响.当咪唑类离子液体有机结构相同时,不同阴离子脱硫率由高到低顺序为:Br^- >BF₄^- >Cl^-;当阴离子同为Br^-时,咪唑脱硫效果优于吡啶.随着吡啶类离子液体([BPy]Br)浓度增加,脱硫率先增加,在0.3 mol/L处达到最大值,而后下降.此外,脱硫率随温度和时间增加而增大.最后,通过X射线光电子能谱(XPS)分析技术对实验前后煤中有机硫形态进行了分析.结果表明,噻吩主要通过萃取-氧化反应脱除,而其他形式有机硫(如硫醚、亚砜)则主要通过促进氧化及水解反应脱除.     

纤维素燃料乙醇废液与煤的成浆性能研究

提出了一种纤维素燃料乙醇废液大规模资源化利用的新方法—将纤维素燃料乙醇废液与煤共混制备废液煤浆作燃料用。借助旋转黏度计对废液煤浆(WLCS-CEF)进行流变性测定,研究了成浆浓度、废液加入量和添加剂对煤浆流变性的影响。结果表明,废液煤浆的表观黏度随成浆浓度及废液加入量的增加而增大,添加剂的加入明显改善废液煤浆的流变特性。废液中大分子量的木质素及未水解完全的纤维素和半纤维素能起到稳定煤浆的作用,同浓度下的废液煤浆比水煤浆稳定性高,且煤浆稳定性随浓度增大而增强,合适的添加剂也能改善稳定性。当选择添加剂A,成浆浓度为62%,废液添加量为煤量的2.5%时,制得的废液煤浆比较适合气化。     

煤与生物油的成浆性能研究

利用不同煤种的煤和生物油制备了不同浓度的生物油煤浆,考察了生物油煤浆的成浆浓度、表观黏度、流变特性和稳定性。结果表明,生物油煤浆是具有一定屈服应力的非牛顿流体,其流变特性可用宾汉姆方程来描述;生物油煤浆的屈服应力和表观黏度都随着固体浓度的增加而增大;随着剪切速率的增加,生物油煤浆的表观黏度减小;四种煤中,无烟煤的成浆浓度最高,可达42%,其含碳量高达49%,相当于同种煤制成的74%的水煤浆含量。烟煤次之,褐煤最低;生物油与煤粉之间能够形成絮凝性的大分子网络结构,使得生物油煤浆存在屈服应力并能够保持良好的静态稳定性,4.0~5.0 d天没有软沉淀产生,数月没有硬沉淀产生。     

不同水煤浆分散剂与煤之间的相互作用规律研究: Ⅹ 分散剂在煤粒表面上的吸附作用特征

研究了6种水煤浆分散剂在14种不同变质程度煤上的吸附作用特征。结果表明，多数分散剂在煤粒表面达到单层饱和吸附后，又形成多层吸附，单层饱和吸附量与煤的变质程度、比表面积以及分散剂的性质有关。在相同粒度分布下，煤的变质程度越低，表面含氧亲水官能团的比例越高，孔隙率越高，比表面积越大，这对增大吸附量有利。煤的变质程度越高，其表面疏水区面积的比例越高，分散剂通过疏水基团紧密吸附在煤表面的比例越大，这对增加高阶煤的吸附量有利。对不同煤，是变质程度还是比表面积为吸附分散剂的主控因素，主要依赖于分散剂的结构与性质。对同种煤，疏水与亲水基团呈线型分立分布的分散剂，吸附量明显高；而疏水与亲水基团呈线型间隔分布的分散剂，吸附量明显小。     

煤浆电解制氢的动力学研究

研究了煤浆电解过程中电压、温度、H₂SO₄浓度、Fe³⁺浓度等因素的影响,并进行了电解前后煤粉样品的热重测试和电解后溶液的成分分析。结果表明,电压、温度、添加的Fe³⁺浓度、H₂SO₄浓度等参数对电解过程的电流密度有较大影响。其中,温度对电流密度的影响符合阿伦尼乌斯方程,在电解电压1 V条件下煤浆电解活化能为31.87 kJ/mol。TGA和ICP分析表明,电解后煤中的部分金属离子溶入溶液,导致结构和灰分成分发生了较显著的变化。     

水煤浆燃烧炉内固体残留物的微观分析

以不同特性煤浆的炉内燃烧固体残留物为研究对象，对取自炉内不同部位及沉积于硅碳棒和灰污探针上的典型燃烧灰的化学成分、矿物组成、元素分布及微观结构等进行分析研究。结果表明，水煤浆灰样中含Al、Fe、Ca的化合物和矿物的质量分数高于黑液浆，Na、K、S、Cl的情况与此相反。Fe的富集是造成水煤浆沾污结渣的根本原因。Na和Fe是引起黑液浆沾污结渣的主要矿物元素，Na的作用比Fe更大。黑液浆灰样中含有大量的霞石和硫酸钠等低熔融温度富钠化合物，Na是引起沾污结渣的根源。微观分析结果与实际燃烧状况是一致的，黑液浆结渣特性强于水煤浆，并且二者的灰沉积机理是不同的。     

无烟煤掺混白酒酒糟制备生物质水煤浆

利用白酒酒糟与贵州无烟煤按不同比例掺混制备生物质水煤浆(BCWS),考查了酒糟掺混量、添加剂种类及含量对水煤浆成浆性能的影响。结果表明,在萘磺酸系添加剂(MF、NNO)和木质素磺酸钙(LS)三种添加剂中,MF的分散效果要优于其他两种,且添加量为0.5%时最佳;表观黏度为1 000 m Pa·s时,无烟煤单独制浆最大成浆浓度为70%,而掺混3%(干基)酒糟的BCWS定黏浓度为65.8%,浆体稳定性在3d以上;BCWS属于宾汉塑性流体,酒糟含有大量的亲水性含氧官能团,以及其管束和脉络结构,会引起BCWS表观黏度的升高,有利于提高BCWS的稳定性。     

不同相对分子质量对接枝磺化木质素水煤浆分散剂吸附分散性能的影响

采用接枝磺化缩聚法制备了不同相对分子质量碱木质素系水煤浆分散剂(GCL3J系列),研究相对分子质量对水煤浆吸附分散性能的影响。流变学研究结果表明,具有三维空间网络结构的GCL3J分散降黏性能均优于具有线性结构的萘系分散剂。等温吸附和Zeta电位测试结果表明,GCL3J在煤粒表面的吸附特征属于Langmuir型单分子层吸附,随着相对分子质量的增加,其在煤粒上的吸附量逐渐减少,吸附作用力逐渐增强,并逐渐以疏水作用吸附为主。中等相对分子质量的GCL3J-3(M_w为31 500 Da,特性黏度为8.06 mL/g)在煤粒表面吸附后,具有适宜的吸附量和吸附强度,且负电性最高,对水煤浆具有最优的分散降黏作用。     

全温度段裂解提质对锡盟褐煤成浆特性的影响

通过对锡盟褐煤进行涵盖高、中、低完整温度段的裂解提质,研究了裂解过程对煤质特性、成浆浓度、浆体流变特性以及稳定性的影响。对锡盟褐煤在隔绝空气条件下裂解,测量不同浓度浆体的黏度,并对剪切速率和表观黏度进行拟合得到不同浆体不同浓度的流变特性曲线,根据国标规定方法测量浆体的实际浓度以及浆体稳定性。并从裂解过程中样品表面官能团和孔隙结构变化角度分析裂解对锡盟原煤及半焦成浆特性的作用机理。实验结果表明,裂解过程可以减少样品中的含氧官能团,降低其亲水性,有利于成浆浓度的提高,成浆浓度随裂解温度的升高呈现先增大后减小的变化趋势,但是裂解对浆体的稳定性有负面影响。随裂解温度的提高,含氧官能团的分解导致半焦的孔隙结构发生显著变化,平均孔径先减小后增大,比表面积和孔容积呈先增大后减小趋势。     

神府次烟煤在不同温度下的热溶产物表征

利用FT-IR、热重、GPC以及同步荧光分析等对神府次烟煤在不同温度条件下的1-甲基萘热溶物和热溶残煤进行了表征。结果表明,热溶物中含有较多的脂肪结构,灰分几乎全部转移至残煤中;热溶残煤与神府原煤的热失重特性存在明显差别;在300~360 ℃,随着温度升高,热溶物数均分子量呈增加趋势,进一步提高温度,分子量减小;热溶物缩合芳环数随着温度升高而增加。据此表明,在低于煤初始热解温度下神府次烟煤的热溶主要以溶剂化作用破坏煤中的非共价键为主,其中,酮、酯等轻质组分易于脱除;而高于煤初始热解温度的热溶过程则伴有侧链和桥键等弱共价键断裂的热解反应和自由基缩聚反应,热溶物中三环等稠环芳香结构增加。