0.   引　　言

准格尔煤田位于中国北部内蒙古自治区西南部，地处鄂尔多斯盆地的东北缘，已探明煤炭储量26.8 Gt^[1]。准格尔煤为低硫、低磷、高灰熔点、较高挥发分和较高发热量的长焰煤^[2]，煤中氧化铝含量为9%～13%，粉煤灰中氧化铝含量为45%～55%^[3]，属于高铝煤种。准格尔煤存储量大，氧化铝含量高，若能高效回收粉煤灰中的氧化铝，则能一定程度上缓解我国铝土资源的进口压力，实现对准格尔煤的资源化利用，提高其产品附加值。

目前，从粉煤灰中提取氧化铝的方法以酸法^[4]、碱法^[5]及酸碱联合法^[6-7]为主，但不同的提取工艺，其提取效率均一定程度上受制于粉煤灰中高岭石活性的影响，而该活性又与煅烧温度密切相关^[8]。研究表明，当煅烧温度在500～800 ℃时^[9]，煤粉中的高岭石和勃姆石会脱去结晶水，自身晶体结构遭到破坏，进而形成无定形的非晶质偏高岭石和γ-Al₂O₃，此时粉煤灰具备较高的反应活性；而当煅烧温度超过800 ℃时^{[10- 11]}，温度的升高首先会导致非晶态SiO₂不断从偏高岭石或高岭石结构中析出，之后当温度继续升高，非晶态SiO₂则逐渐同Al₂O₃聚合相^[12]变成莫来石、刚玉结晶，γ-Al₂O₃发生相变生成稳定性极强的α-Al₂O₃，该升温过程导致粉煤灰的反应活性持续下降。

目前，准格尔煤主要以煤粉形式应用于煤粉锅炉、循环流化床 (Circulating Fluidized Bed, CFB) 锅炉中，通常，煤粉炉主燃烧区温度≥1 400 ℃，极大地影响了灰渣的后续处理价值。CFB锅炉850～900 ℃的燃烧温度虽然较煤粉炉低，但是为了提高灰渣利用价值，仍需要在进一步降低燃烧温度的基础上保持高的燃烧效率，这也是提高准格尔煤资源化利用效率的关键。水煤浆通常含有30%～40%的水，作为CFB锅炉的燃料有助于消除燃烧过程中形成的局部高温，同时其较低的燃料粒径也使得其具有较高的燃烧效率。因此，将准格尔煤以水煤浆的形式应用于CFB锅炉中，则可利用水煤浆的低温燃烧特性提高粉煤灰中高岭石的活性，是一种极具潜力的准格尔煤资源化利用方式。

水煤浆诞生于1970年，是一种由煤、水及少量添加剂构成的煤基液态燃料，被视作石油、天然气的替代物，被广泛应用于锅炉燃烧及煤液化^[13]、煤制甲烷^[14]、煤制烯烃^[15]等煤化工领域。近年来，水煤浆产业发展迅速，Gaudin－Schuhmann模型^[16]、Alfred模型^[17]、Rosin－Rammler模型^[18]及隔层堆积理论^[19-20]、分形级配理论^[21]的出现，推动了水煤浆制备工艺由1代单棒/球磨机制浆工艺向2代双峰级配煤浆提浓工艺、3代三峰级配煤浆提浓工艺^[22-23]演变，而以萘系、木质素系、聚羧酸系等^[24-26]为代表的新型、高效阴离子分散剂的开发则提高了水煤浆对煤种的适应性，拓展了制浆煤源。然而，现有研究表明，准格尔煤采用常规制浆工艺，所得浆体易沉降分层，无法形成均匀稳定的水煤浆，因此，笔者针对准格尔煤开展了一系列制浆试验，旨在探究常规制浆工艺下准格尔煤无法成浆的原因，探讨煤粉粒度、添加剂种类及用量对其质量分数、流动性、流变特性及稳定性的影响。

1.   试　　验

1.1   试剂与仪器

1）试剂：分散剂亚甲基双萘磺酸钠（NNO），工业级，绍兴浙创化工有限公司；分散剂甲基萘磺酸钠的甲醛缩合物（MF），工业级，山东汇邦新材料科技有限公司；分散剂木质素磺酸钠（LS）、木质素磺酸钙（LC），均为工业级，济南浩企生物科技有限公司；试验用煤为准格尔煤，煤质分析结果见表1。

表  1  准格尔煤的工业分析和元素分析

Table  1.  Proximate and ultimate analysis of Jungar coal

工业分析/%					元素分析/%						发热量/(MJ·kg−1)
Mt	Aar	Vdaf	FCar		Car	Har	Oar	Nar	St.d		Qgr,ar	Qnet,ar
9.20	29.63	37.95	36.92		44.89	2.65	10.82	0.74	0.44		17.53	16.77

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2）仪器：旋转粘度计，DV2T-HB型，美国Brookfield公司；动态流变仪，MCR301型，奥地利安东帕公司；立式行星球磨机，XQM型，长沙天创粉末有限责任公司；激光粒度分析仪，MAZ3000型，英国马尔文仪器公司。

1.2   样品处理

参照《煤样的制备方法》（GB/T 474—2008），将煤样于空气中干燥1 d，干燥后的煤样给入破碎机破碎至3 mm以下，之后利用二分法缩分样品至每份200 g，装袋密封；破碎后的样品给入球磨机，研磨时固定研磨介质配比和磨机转速（500 r/min），单次研磨样品120 g；研磨产物过50目筛，得制浆煤粉。

1.3   水煤浆的制备

试验选用干法制浆工艺，单次制浆200 g。首先按选定煤浆质量分数精确称量煤、水及添加剂，之后在300 r/min的低转速条件下依次将试验用水、添加剂和煤粉给入电动搅拌器，混捏3～4 min，使添加剂充分分散并保证煤样充分润湿，之后提高搅拌速率至1 000 r/min，高速混匀10 min，得到样品水煤浆，测定其质量分数、表观黏度、流动性及静态稳定性。

1.4   浆体性能检测

采用《水煤浆试验方法 第2部分：浓度测定》（GB/T 18856.2—2008）给出的干燥箱干燥法测定水煤浆质量分数；依照《水煤浆试验方法 第4部分：表观粘度测定》（GB/T 18856.4—2008），使用旋转黏度计测定水煤浆表观黏度；依据棒测法测定水煤浆静态稳定性；借鉴《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077—2012）中水泥净浆流动直径的检测方法及目测法衡量水煤浆的流动性，流动直径检测方法为：将截锥圆膜垂直放置在玻璃平板中央，把水煤浆迅速注入截锥圆膜内，用刮刀刮平，之后将截锥圆膜按垂直方向提起，30 s后量取水煤浆流淌部分相互垂直的2个方向的最大直径，取均值表征水煤浆流动直径；目测法将水煤浆流动性分为4个等级：

A级——稀流体，流动连续，平滑不间断；

B级——稠流体，流动较连续，流动表面不光滑；

C级——借助外力才能较好地流动；

D级——泥状不成浆，不能流动；

“+”和“−”表示同等级下的更细微差别^[27]。

2.   结果与讨论

2.1   分散剂种类、用量对准格尔煤成浆特性的影响

选用4种常用水煤浆分散剂NNO、MF、LS及LC参与准格尔煤水煤浆的制备过程，分散剂分子式如图1所示。固定水煤浆质量分数为60%，制浆煤粉粒度D₅₀=47.2 µm，分散剂用量为干基煤粉质量的0.2%～0.8%。分散剂对准格尔煤煤浆性能的影响如图2所示，在不添加分散剂时，浆体的表观黏度为966 mPa·s，流动直径9.1 cm，流动等级为C级，此时浆体呈现出表观黏度大、流动性差等特点；分散剂加入后，浆体的表观黏度降低，流动性增强，但当用量超过一定值后，煤粒的沉降现象加剧，浆体于5 min内出现明显的分层现象，无法成浆。如NNO、MF和LS这3种分散剂，当其用量分别超过干基煤粉质量的0.4%、0.4%和0.6%时，即出现上述现象，说明准格尔煤制备水煤浆时，分散剂的使用量应控制在较小的范围，常规制浆工艺下分散剂的使用量会导致准格尔煤无法成浆；在准格尔煤的成浆过程中，分散剂LC的分散效果最差，在相同使用量下，所得煤浆的表观黏度大，煤浆流动度差，分散剂NNO的分散效果最佳，在用量为干基煤粉质量0.4 %的条件下，NNO的加入使得浆体的表观黏度由966 mPa·s减小至468 mPa·s，流动直径由9.1 cm提升至13.2 cm，流动等级由C级提升至Aˉ级，浆体流动特性得到了显著改善。

图  1  分散剂分子结构示意

Figure  1.  Molecular structure of dispersant

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分散剂的加入极大地改善了准格尔煤水煤浆的流动性，降低了煤浆的表观黏度，原因在于煤粒表面通常具有较强的非极性，在水中易自发团聚，相互交联形成“煤包水”形空间网状结构，禁锢部分浆体中的游离水，导致浆体固体容积浓度增加，流动性变差；而当分散剂加入水煤浆中后，部分煤粒表面的非极性稠环芳烃会和分散剂分子中的非极性官能团，在疏水相互作用和π电子极化作用的引导下发生紧密吸附^[28]，在煤粒表面形成水化膜，阻碍了煤粒间的自发团聚，抑制了部分“煤包水”形空间网状结构的形成，增强了浆体的流动性，降低了浆体表观黏度。

图  2  分散剂种类和用量对浆体黏度和流动度的影响

Figure  2.  Effect of the type and dosage of dispersant on viscosity and fluidity of slurry

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2.2   煤粉粒度对准格尔煤水煤浆成浆性的影响

为探究煤粉粒度对准格尔煤水煤浆成浆性的影响，分别选用D₅₀=47.2 µm、D₅₀=35.0 µm、D₅₀=20.5 µm及D₅₀=9.4 µm 4种粒度的煤粉制备水煤浆，并固定浆体质量分数为60 %，分散剂种类为NNO，用量为干基煤粉质量的0.4%，测定不同粒度下准格尔煤水煤浆的表观黏度、流动度和硬沉淀出现时间，结果如图3所示。由图3可知，在煤粉粒度D₅₀=47.2 µm的条件下，准格尔煤水煤浆在3 d内出现硬沉淀，浆体稳定性较差；随着煤粉粒度由D₅₀=47.2 µm减小至D₅₀=20.5 µm，水煤浆的稳定性得到显著增强；在煤粉粒度D₅₀=35.0 µm的条件下，制备出的水煤浆其硬沉淀出现时间＞7 d，浆体表观黏度为639 mPa·s，流动直径为11.9 cm，流动等级为Bˉ级，实测低位发热量为10.06 MJ/kg，各项指标均符合燃用/气化对水煤浆的要求，具备最佳的综合性能，但该粒度小于单球/棒磨机制浆工艺流程中煤粉粒度的选择区间，说明常规水煤浆制备工艺中的部分参数不适用于准格尔煤；粒度的减小也相应导致了浆体流动性变差，当煤粉粒度减小至D₅₀=9.4 µm后，电动搅拌器已无法正常运转，“浆体”呈泥状无法流动，该条件下无法形成水煤浆。

图  3  煤粉粒度对浆体特性的影响

Figure  3.  Influence of pulverized coal particle size on slurry properties

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粒度对准格尔煤的成浆性影响显著，原因在于粒度的改变致使准格尔煤的物化性质发生变化，改变颗粒了间的团聚、分散行为以及药剂的吸附状态，进而对煤浆的流动性、稳定性等产生影响。通常，水煤浆中自由水的比重决定了浆体的流动性，影响浆体的表观黏度和稳定性。当煤浆粒度过粗时，煤颗粒的比表面积小，水化膜形成时所需的束缚水比重低，体系自由水比重高，浆体呈现出流动性好，表观黏度小，但粒度过粗会降低浆体的稳定性，并可能导致浆体的流变性变差^[29]；当煤浆粒度变细时，一方面煤颗粒的比表面积增大，体系自由水比重降低，浆体流动性变差，表观黏度增大，另一方面，粒度的减小使得煤颗粒受到的沉降作用减弱，浆体的稳定性增强；而当煤浆粒度过细时，体系中自由水的比重过低，无法“润滑”颗粒流动，进而导致“浆体”呈泥状，无法形成水煤浆。

2.3   准格尔煤水煤浆的流变特性

水煤浆的流变性能对水煤浆的储存和管道运输具有重要意义，是衡量其品质好坏的因素之一，高品质水煤浆往往具备“剪切变稀”的流变特性。试验中利用动态流变仪测定不同剪切速率下准格尔煤水煤浆的表观黏度和剪切应力，绘制流变曲线如图4所示，以判断准格尔煤水煤浆的流变特性，并采用Herschel-Bulkley模型（式（1））对准格尔煤水煤浆的流变数据进行拟合（表2），借助流动特性指数对其流变特性作进一步分析^[30]。

图  4  准格尔煤水煤浆流变特性

Figure  4.  Rheological characteristic curve of Jungar coal water slurry

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表  2  准格尔煤水煤浆流变模型参数拟合值

Table  2.  Fitting value of rheological model parameters of Jungar coal water slurry

煤粉粒度/µm	μ/mPa·s	τ0/Pa	k/(Pa·sn)	n	R2
D50=47.2	468	3.42	0.77	0.87	0.9956
D50=35.0	639	4.97	1.58	0.79	0.9981
D50=20.5	1 144	6.50	5.43	0.64	0.9989
注：µ为表观黏度。

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式中，τ为剪切应力，Pa；τ₀为屈服应力，Pa；k为稠度系数，Pa·sⁿ；$ \gamma $为剪切速率，s⁻¹；n为流动特性指数（n＞1时，浆体为胀塑性流体；n=1时，浆体为牛顿流体，n＜1时，浆体为假塑性流体）。

由图4可知，随着煤粉粒度由D₅₀=47.2 µm减小至D₅₀=20.5 µm，浆体的屈服应力逐渐由3.42 Pa增大至6.50 Pa，水煤浆屈服应力的大小通常与煤粒表面的物化性质以及固体颗粒质量分数有关，煤粉粒度的减小，会改变其表面粗糙度、润湿性、孔隙度和比表面积等表观物化特性，进而影响浆体的屈服应力^[31]；随着剪切速率由0增大到100 s⁻¹，3种粒度下准格尔煤水煤浆的表观黏度均随剪切速率的增大而减小，表现出“剪切变稀”的流变特性。水煤浆在受到高速剪切作用时，原本由煤粒相互团聚形成的三维网状结构遭到破坏，释放了部分被禁锢在颗粒间无法自由流动的游离水，提高了浆体的流动性，降低了浆体黏度。

结合表2的拟合结果可知，采用Herschel-Bulkley模型对准格尔煤水煤浆的流变数据拟合，得到的相关系数R²值较大，表明准格尔煤水煤浆的流变特性符合Herschel-Bulkley模型，且通过该模型得到的不同粒度下准格尔煤水煤浆的流变特性指数n均＜1，进一步表明准格尔煤水煤浆符合“剪切变稀”的假塑性流体特征。

3.   结　　论

1) 准格尔煤制备水煤浆时，分散剂添加量不应超过干基煤粉质量的0.4%～0.6%，煤粉粒度应≤35.0 µm，与常规水煤浆制备工艺存在差异。

2）准格尔煤具备较好的成浆性能，在分散剂NNO用量为干基煤粉质量0.4%，煤粉粒度D₅₀=35.0 µm，质量分数为60%的条件下，浆体表观黏度为639 mPa·s，流动直径为11.9 cm，流动较连续，硬沉淀出现时间＞7 d，实测低位发热量为10.06 MJ/kg，满足CFB锅炉对入炉燃料的发热量要求。

3）粒度对准格尔煤水煤浆的浆体特性影响显著，当D₅₀=9.4～47.2 µm时，粒度的减小会延长硬沉淀出现的时间，增大浆体表观黏度，降低浆体的流动性。

4）准格尔煤水煤浆的流变特性符合Herschel-Bulkley模型，浆体呈现出“剪切变稀”的流变特性，为假塑性流体。