水煤浆分散剂及其发展现状

第12期胡光丽等:水煤浆分散剂及其发展现状·综述与述评水煤浆分散剂及其发展现状胡光丽,路永广,张晓丽,杨胜杰(河南省核力科技发展有限公司,河南郑州450004)摘要:简要概括了水煤浆分散剂的分散机理及其分类,在此基础上,分析了国内外水煤浆分散剂的研究现状,最后详细分析和论述了水煤浆分散剂的研究开发与工业应用前景。关键词:水煤浆;分散剂;高效;复合中图分类号:TQ314.255文献标识码:A文章编号:1003-3467(2014)12-0017-04Dispersant of Coal Water Slurry and Its Development StatusHU Guang-li, LU Yong-guang, ZHANG Xiao-li, YANG Sheng-jieHenan Province Nuclear Power Technology Development Co Ltd, Zhengzhou 450004, China)Abstract: The dispersing mechanism of coal water slurry dispersant and the classification are summarizedbriefly. On this basis, the research status of coal water slurry dispersant at home and abroad is analyzedFinally, the research and development of coal water slurry dispersant and industrial application prospectare analyzed and discussed in detailKey words: coal water slurry i dispersant high efficiency; composite0前言为实现此目标,在煤水混合物中必须添加适量的化学添加剂。中国是个富煤少油的国家,煤炭资源在中国能制浆用添加剂主要有分散剂、稳定剂和其它辅源消费中占65%以上。水煤浆是采用物理方法助药剂,其中分散剂起关键作用。分散剂的主要作将煤、水、添加剂煤液态化的新型燃料,它既保持了用在于改变煤水界面性质,促使煤粒在水中分散,使煤炭原有的物理特征,又具有像石油一样的流动性浆体具有良好的流变性。因此通过对水煤浆分和稳定性被称为液态煤炭产品。由于煤炭资源丰散机理进行研究,充分了解分散剂在煤水界面的吸富、价格便宜,水煤浆的加工方法简单,与煤炭的气附形态分散剂的结构特征等对水煤浆流变性的影化液化相比投资少、成本低21,近年来作为代油燃响,从而寻找到分散剂的结构特征与不同煤质的匹料的研究受到世界各国的高度重视。配规律,从而对分散剂的研制起到一定的理论指导作用51机理研究表明,分散剂的分散作用主要体现在三个具有工业应用价值的水煤浆应具有如下特点方面:提高煤颗粒表面亲水性、增加煤颗粒表面电高浓度、低黏度、良好的流动性及稳定性,然而煤炭性、空间位阻效应是一种疏水性物质,不易被水润湿,而且水煤浆制浆1.1提高煤颗粒表面亲水性中的煤粒又很细,具有较大的比表面积,容易自发聚水煤浆分散剂是一种可促进分散相(水煤浆中集与沉淀,因而煤粒与水不可能密切结合成为一种的煤粒)在分散介质(水煤浆中的水)中均匀分散的具有良好流动性和稳定性的可雾化燃烧的浆体。化学药剂。其作用主要体现在分子以其疏水部分吸收稿日期:2014-08-21作者简介:胡光丽(1986-),女,助理工程师,从事表面活性剂方面研究;通讯作者:杨胜杰男,工程师从事表面活性剂制备与综合利用,电话:15838177580河南化工18HENAN CHEMICAL INDUSTRY2014年第31卷附在煤表面,亲水部分朝向水溶液的定向排列方式颗粒相互靠近时,水化膜受挤压变形,引力则力图恢使煤粒表面变为亲水性,借水化膜将煤粒隔开,减少复原来的定向,这样就使水化膜表现出一定弹煤粒间的阻力,从而起到降低黏度的作用6。性,因此,水化膜也是一种空间位阻。所以,当用12增加煤颗粒表面电性阴离子分散剂和非离子分散剂复配时,既有厚的吸DLVO理论认为,胶体颗粒稳定分散的先决条附膜层,又有定向水化膜,产生的空间位阻较大,分件是颗粒间的静电斥力超过颗粒间的范德华引力。散稳定性好。Funk等甚至认为,分散剂主要作用在于改变煤粒吸附层水化膜的表面电性断言电位达到-50mV时,水煤浆具极性极有所希望的流动性和稳定性。但大量研究表明,提高电位值有利于改善水煤浆的流动性,反之有益数2)C于稳定性,但都起不了决定性作用。这是因为采用双电层稳定的分散体系对外加离子特别敏感,溶液非极性极中少量外加离子特别是高价阳离子能大幅度降低大分子吸附物电位,破坏分散效应。张荣曾等9不使用添加剂,只靠调整溶液的pH值,使煤粒表面的电位达图1颗粒表面吸附分散示意图到-50mV左右,但是根本不能制浆,这也证明只靠提高表面电位不是使煤粒分散的充分条件,而且非2水煤浆分散剂的分类离子表面活性剂不能使煤粒表面荷电分散很好的事水煤浆分散剂能使煤颗粒均匀分散在水中,并实也证明除了静电斥力外,还有其他的作用效应存在颗粒表面形成水化膜,使煤浆具有流动性5。它在主要是一些两亲性的表面活性剂,分子结构包括长13空间位阻效应链疏水基团和亲水性离子基团两个部分。疏水基主Viriya Vithayaveroj等用原子力显微镜要为烃类,有饱和烃和不饱和烃。不饱和烃包括直(AFM)研究金属离子的吸附对溶液中粒子表面力链烷烃、支链烷烃和环烷烃,其碳原子数大都在8的改变时发现,当两粒子间距超过10m时,粒子间20范围内不饱和烃包括脂肪族和芳香族。其他疏作用力趋向于零。从此可以看出空间位阻对减少两水基还有脂肪醇烷基酚、含氟或含硅以及其它元素粒子间作用力具有重要作用,被吸附的大分子分散的原子团高分子聚氧丙烯化合物等。亲水基种类剂在煤表面形成三维水化膜当膜厚度达到或超过较多,有离子型(阴、阳、两性)及非离子型两大类。0mn时,粒子间作用力变为无穷小,很难发生絮凝主要的亲水基有:磺酸盐、硫酸酯盐、羧酸盐、磷酸酯沉淀;当两个煤粒碰撞或靠拢到它们之间的距离小盐、胺盐、蔗糖、聚氧乙烯、季铵盐等6-16。于两倍吸附层厚度时,则出现压缩效应的渗透效水煤浆分散剂根据性质与来源不同,可分为合应2而使体系的熵增加产生熵斥力产生较强的成和天然高分子改性两大类。合成水煤浆分散剂根空间位阻而使煤粒分散悬浮,见图1(a)。黄仁和据其分子链上所带电荷的性质分为非离子型阳离等借助FTIR和XPS等实验手段对三种分散放剂子型和阴离子型。由于煤粉表面带有负电性,少量在煤表面的吸附性能进行分析,也发现吸附膜越厚阳离子型分散剂不足以改变煤表面的润湿性,而且降黏效果越好,分散剂的亲水基以直链为好有利于合成成本高,一般不作为水煤浆分散剂使用,常用的分散剂降黏效果和水煤浆稳定性。合成分散剂有阴离子型和非离子型两大类。非离子分散剂的非极性疏水基吸附在煤粒表面上,其型分散剂的共同特点是它们能兼作稳定剂,价格较亲水基朝外伸入溶液中,使煤粒的疏水表面转化为高;阴离子型分散剂价格相对便宜是制浆首选的添亲水表面并形成一层水化膜使团絮的煤粒分开见加剂。图1(b),它使相互靠近的煤粒相互排斥而分散悬非离子型分散剂主要有聚氧乙烯系列和聚氧乙浮。离子型分散剂还可以增加媒粒表面电性,表面烷系列。这类分散剂的主要优点是亲水性好,分子吸附的离子和水分子结合形成水化膜,水化膜中的量、质量易调节、控制,不受水质及煤中可溶性物质水由于受到表面离子电场的吸引而成定向排列,当的影响,但价格昂贵,一般用量0.5%以上7]第12期胡光丽等:水煤浆分散剂及其发展现状19阴离子型分散剂,可分为合成有机高分子型和究上做了很多工作,研制了一批性能优良的专用水天然高分子改性型,其中天然高分子改性型分散剂煤浆添加剂,如:聚苯乙烯磺酸盐(PSS)与聚乙烯磺主要有木质素系分散剂和腐植酸系分散剂等;合酸(PSA)的混合物,该混合添加剂可适用于不同灰成有机高分子分散剂主要有煤焦油系、三聚氰胺系、分含量煤种水煤浆的制备,己经工业化生产和应用。氨基磺酸盐系、聚羧酸盐系、脂肪族系和萘磺酸盐系日本Lion公司在20世纪80年代中期开发出等。其中,各类取代基萘磺酸盐聚合物是目前水煤来以聚苯乙烯磺酸钠(PSNa)为基础的水煤浆添加浆分散剂市场上使用最广泛的产品,其具有减黏、增剂2-2,它的重均相对分子质量为115万~210加流动性等作用,但通常稳定性差,易离析,而且价万,加入量少,其分散性、稳定性都比亚甲基磺酸盐格较高,所以通常和其它类型分散剂共用;木质素磺(NSF)等传统分散剂优越。日本DN集团研究人员酸盐,主要来自于造纸废液再加工,最大优点是原料秋宏那贺报道了一种F-3006添加剂,中试情况为丰富、易于加工、价格便宜,且制浆的稳定性好;缺点在 Roymond磨粉厂,用 Flow Jet搅拌器将大同煤和是杂质含量大,常不单独使用02。其它几个系F-3006水溶液配制成1t的水煤浆,添加剂用量为列,其分散性与木质素相似,但其分散效果更佳,可干煤质量的0.5%,煤浆质量分数70%时,黏度仅单独使用;主要缺点是浆的稳定性差。0.5Pa·s{2。 gabriella(3研究了 PSSNa在煤粒表3国内外研究现状面的吸附方式后指出,SNa以圈式或尾式吸附方式吸附在煤表面上,用 PSSNa做添加剂时,煤粒之3.1国内发展现状间不仅存在较强的静电排斥作用,还存在较强的位我国研制水煤浆始于1982年,在20多年的研阻排斥作用,因而其具有较好的分散效果。美国究过程中先后组织了几十家科研和生产单位,进行 Oxce Fuel公司报道了一种能改善剪切稳定性和联合科技攻关取得了一定的成果。浙江大学等研降低黏度的水煤浆添加剂该添加剂是由两种表面究单位通过组建国家水煤浆工程技术研究中心,建活性剂复配而成,每一种表面活性剂具有不同分子立国内一流水平的水煤浆制备、储运燃烧、工程设质量的亲水基足以润湿分散煤颗粒;一种表面活性计等科学基地,建立了年产7万t与5万t的抚顺制剂带有高分子质量的氧乙烯基,另一种则带有低分浆厂、枣庄矿业集团八一煤矿制浆厂和年产1000t子质量的氧乙烯基,两种表面活性剂共用时可使煤与500t的北京京西淮南矿业集团添加剂厂。在水的质量分数达到70%以上。美国 Nat Distillers化学煤浆添加剂研制方面许多国产添加剂陆续面世。公司报道了一种非离子型分散剂作为水煤浆添冉宁庆等‘合成了亚甲基萘磺酸钠一苯乙烯磺酸加剂,该添加剂能与煤粒很好地亲和形成牢固的吸钠一马来酸钠(NDF)水煤浆添加剂,当NDF的数均附层;分散剂的亲水端是高分子聚合物能与水很好相对分子质量达到约2万时,其对水煤浆的降黏作地亲和使煤粒均匀分散在水中形成稳定的分散体用最好。当NDF的磺化率和羧酸含量一定时,可调系;在不使用稳定剂的情况下,直接用这种分散剂作节NDF的相对分子质量,达到调节其表面色散力,为添加剂使用,所制备的水煤浆质量分数可达到使NDF对煤/水界面张力大小适中,保证煤颗粒相70%,稳定性可达到3个月以上,表观黏度也可降至对稳定地分散在水中。只有恰当的亲水基团和疏水0.41Pa·s以下,这种分散剂对煤种适应性强,对水基团比例,才能保证NDF与煤炭达到较强的相互作的硬度要求低,是目前较为理想的水煤浆添加剂。用,在煤表面形成较为牢固的高分子吸附层,保证粒4子相对稳定地分散在水中。展望3.2国外发展现状目前,水煤浆分散剂的研制及筛选基本上是经目前,国外水煤浆添加剂主要种类有:缩合萘磺验性和半经验性的,这使得水煤浆分散剂的研制和酸盐,丙烯酸与其他丙烯酸单体共聚,聚烯烃系列;筛选工作十分繁杂;由于煤种之间煤质及煤表面物木质素磺酸盐,羧酸及磷酸盐系列;腐植酸及磺化腐理化学性质相差很大,分散剂的普适性也较差。随植酸系列非离子分散剂等-。其中,萘磺酸盐着水煤浆技术的不断发展,为不同煤种研制出高性缩合物与聚苯乙烯磺酸盐是应用最为广泛的两类水能、低成本,性价比高、适应性广泛,多功能复合型高煤浆分散剂。国外尤其是日本在水煤浆添加剂的研效水煤浆分散剂必将是水煤浆分散剂研究开发河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2014年第31卷的重要课题。应用[M].北京:中国轻工业出版社,2002:45-50实验表明,水煤浆分散剂分子结构特征(包括15]孟庆亮,水溶性聚合物分散剂的制备与性能研究主体结构特征、取代基的类型及性质聚合度、磁化[D].济南:山东大学,2013度、HLB值及羟值等)与煤质及煤表面物化性质间[16]周明松,耶学青,王卫星,等水媒浆添加剂磺化丙有着密切的相关性。国内外在水煤浆分散剂分子结酮一甲醛缩聚物的合成与性能[J]精细化工,2005,2(3):185-189构特征与煤及煤表面物化性质间匹配性研究方面开[17 Ateso K G. The effect of coal properties on the viscosity展了一些初步的工作,如日本Lion公司用电子探针of coal-water slurries[J]. Fuel, 2002, 81(14): 1855X射线分析仪和电镜观察煤表面特征,研究了煤表1858面结构及其物化性质与分散剂的相关性,并从上百18]曾凡,黄仁和分散剂在煤表面吸附膜厚度的研究种分散剂中成功研制出性能优良的分散剂ACC[J].中国矿业大学学报,1995.24(2):2-4.71032),验证了水煤浆分散剂分子结构特征与煤表19]杨红波木质素复合型水煤浆添加剂的研究[D湘面物化性质间匹配性研究是改变目前水煤浆添加剂潭:湖南科技大学,2009研制及筛选工作中经验性及盲目性的有效途径。[20]刘小敏,李珂,杨萌.脂肪族高效减水剂性能研参考文献究与应用[J]化学建材,2004(5):63-69[I]孙继湖,王立杰,王晓燕未来十年我国煤炭消费需求[21]赵晖,高玉武,等.SAF高效减水剂的合成与分散性分析[J].煤炭经济研究,2001(10):36-38研究[J].低温建筑技术,2005,6(3):45-482]周少雷,付勇薛继先我国水煤浆的现状及今后的[22]马永飞,刘珍珍杨宁,等.磺化丙酮一甲醛缩聚物的合成及分散性能的研究[J].山东农业大学学报:展望[J].选煤技术,1997(2):20-24自然科学版,2008,39(4):561-564[3]李永昕,孙成功李保庆,等.水煤浆添加剂评述[J[23]徐光红,杨春贵,龙宝良.磺化丙酮甲醛缩聚物的合煤炭转化,1997,20(1):8-13[4]冉宁庆,戴郁菁,朱光,等.亚甲基蔡磺酸一苯乙烯成原理及最优工艺探讨[J].西南科技大学学报2007,22(2):48磺酸一马来酸盐对水煤浆的分散作用研究[J],南京[24]赵亚丽.高效水煤浆分散剂磺化丙酮一甲醛缩聚物大学学报,1999(5):34-38.的合成及改性研究[D].西安:长安大学,2010[5]李少冰HNF系列水煤浆添加剂的应用[冂].洁净煤技[25] Ukigai T, Sugawara H, Tobori N. 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