提高新疆硫磺沟煤成浆性实验研究

宋晓玲，张永龙，李 慧

(1.新疆天业(集团)有限公司，新疆 石河子 832000；2.新疆天业汇合新材料有限公司，新疆 石河子 832000)

新疆蕴藏着大量的煤炭资源，经查明的保有储量为3 915亿t，占全国储量的24.5%[1]。准南、什托洛盖、三塘湖3个煤田均大于1 000亿t[2]。准南煤田包括艾维尔沟、呼图壁白杨河、昌吉硫磺沟、昌吉阜康玛纳斯塔西河等矿区，且普遍为低阶煤，该类煤种具有内水高、煤质年轻、灰熔点高、孔隙发达等特点[3]，普遍用于燃料煤。为了提高低阶煤的成浆性，国内外许多学者对此作了大量研究，包括颗粒级配[4]、微波/超声辐照[5，6]、热处理[5]、开发高效分散剂[7，8]、水热脱水工艺[9，10]与石油焦混合[11]、配煤[12，13]等。

昌吉硫磺沟煤矿年产90万t，但该煤种成浆性较差，在水煤浆气化方面优势不足。新疆天业汇合新材料有限公司拥有4台晋华炉，该装置于2020年8月开车成功。为降低原料成本，该公司通过提高添加率、改变煤粉粒度分布、利用当地不同煤种掺配硫磺沟煤的方法来提高水煤浆性能，对实际生产具有指导意义。

1 实验

1.1 实验样品来源及工业分析

原料煤来源：硫磺沟煤、中煤、乌冬煤、黑山煤；添加剂来源：临猗县科华工贸有限公司，其主要成分为木质素磺酸钠。

按照GB474—2008、GB/T212—2008、GB/T211—2007、GB213—2008的方法对原料煤进行分析，原料煤工业分析结果见表1。

表1 原料煤工业分析

从表1中可以看出，4种煤均属于低阶煤，其中黑山煤的挥发分最高32.76%，灰分最低8.81%，中煤内水最低0.90%，硫磺沟内水较高1.96%，各煤的变质程度不同，水分、灰分、固定碳有较大差异。

1.2 水煤浆制备

实验采用干法研磨、湿法制浆的方式制备水煤浆样品。将原料煤用颚式破碎机粉碎成一定粒度，然后用小型棒磨机制粉，根据煤的可磨指数和制气化用水煤浆的粒度要求，控制磨制时间，制得所需粒度分布的煤粉。按照所需的配比称取煤粉，加入添加剂、一次水，在电子搅拌器1 000 r/min下搅拌10 min，制备好的水煤浆静置3 min排出气泡，检测料浆的性能参数。

配煤制浆中，在相同添加率(干剂/干煤=0.2%)条件下，硫磺沟煤浆与其他3种煤浆质量比选为 7∶3，6∶4，5∶5，4∶6。配煤实验用各煤种的粒度分布见表2。

表2 配煤实验中各煤种的粒度分布 %

1.3 料浆性能测定方法

(1)浓度测定。采用 GB/T 18856.2—2008 中规定的红外干燥法测定水煤浆的浓度。检测设备为梅特勒-托利多国家贸易(上海)有限公司生产的 HX-204 型号快速水分分析仪。

(2)黏度测定。采用 GB/T 18856.4—2008 中规定的方法测定水煤浆的表观黏度。检测设备为成都仪器厂生产的 NXS-4C 型号黏度计。在温度为 20 ℃的恒温水浴中，将适量均匀的水煤浆试样倒入测量容器中，首先静止恒温 5 min，然后使剪切速率从 0 s-1升至 100 s-1，在剪切速率为 100 s-1时，每隔 12 s 记录1次试验数据，共计 6 次，然后将所有数据取平均值，即为水煤浆的表观黏度。

(3)稳定性测定。水煤浆经过长时间储存后会有分层：上层是半透明的析水层，中间是比较软的沉淀层，最下层是硬沉淀层。本实验采用玻璃棒穿透试验，通过测量穿透率随储存时间的变化来评估水煤浆的稳定性。将制备后的水煤浆储存在密封的 100 mL量筒中，在室温下放置 24 h。用玻璃棒从水煤浆表面自由落到底部，当尖端接触到硬质沉积物时停止。通过析水率和稳定率来表征水煤浆的稳定性。静置48 h后的水煤浆分层示意见图1。

图1 静置48 h后的水煤浆分层示意

(4)流动性测定。采用100 mL煤浆通过漏斗的时间来表示(漏斗上口直径120 mm，下口直径18 mm，管高45 mm，总高度130 mm)。

2 结果与讨论

2.1 添加剂量对成浆性的影响

采用同种添加剂，在添加剂添加率为1‰、2‰、3‰条件下，测定了黏度600 mPa·s以下的硫磺沟煤单一成浆的煤浆性能(见表3)。

从表3中可以看出，硫磺沟兖矿煤可以单独制浆，但稳定性较差，当添加率达3‰时，析水率最低5%，稳定率最高为92%，即静置24 h后，有8%的硬沉淀，无法满足水煤浆气化装置生产需求。在同一添加率条件下，煤浆随着质量浓度的升高，黏度逐渐增加，流动性逐渐降低，但稳定性没有明显变化。随着添加率的提高，当黏度为600 mPa·s时，煤浆浓度逐渐提高，但稳定性没有得到明显改善。综合考虑，添加率为2.0‰，煤浆质量浓度最高为 62.84%，此时煤浆黏度为 579 mPa·s。

表3 添加率对硫磺沟煤成浆性影响实验

2.2 粒度对成浆性的影响

通过控制原煤磨制时间，以200目通过率为基准，使其通过率分别为45%，65%，80%，为连续粒度分布，记作样品1、样品2、样品3。在添加率为2.0%的条件下，测定了硫磺沟煤单一成浆的煤浆性能。样品粒度分布见表4。粒度分布对成浆性的影响见表5。

表4 硫磺沟煤粒度分布 %

表5 粒度分布对成浆性的影响

从表4、表5中可以看出，具有连续颗粒级配的3种样品，其流变特性、稳定性均发生了变化。在同一浓度条件下，随着煤粉200目通过率的提高，黏度逐渐增加，流动性逐渐降低，稳定性明显提高。当煤粉200目通过率达79.25%时，质量浓度60.57%，黏度838mPa·s，析水率降至0%，稳定率达100%。

当煤浆粗颗粒较多时，煤浆表观黏度下降，流动性变好，但粒子的重力将超过粒子间的凝聚力，引起悬浮体系沉降、分层，稳定性变差。当煤浆中的细颗粒较多，粒子间的相互作用力增大，形成更多的黏滞性粒子凝聚团，稳定性提高。但是，煤浆表观黏度会随平均粒径的减小而迅速增大，流动性变差。因此，需结合实际生产情况，选择适当的粒度分布是制取高浓度、流动性好、稳定性好的水煤浆的根本保证。

2.3 其他煤种的最优成浆浓度

在添加率为2‰的条件下，测定了中煤、乌冬、黑山3种煤单独成浆的煤浆性能，选取各煤种最优成浆性能参数，结果见表6。

表6 各煤种最优成浆性能参数

从表6中可以看出，3种煤制煤浆的最高浓度差距较大，结合各煤种工业分析可知，这与煤种的物性有关，中煤内在水最低为0.9%，煤的内水含量是影响水煤浆浓度关键因素[14]，内在水是水分通过煤的孔隙结构进入到煤的内部，并停留其中的水分。煤的内在水在制浆过程中不参与浆体的流动，内在水含量高时，会占据流动水的份额，使作为流动介质的自由水份额减少，导致其不易成浆[15]。

2.4 硫磺沟兖煤与不同煤种混合成浆的特性

硫磺沟煤分别与中煤、乌冬、黑山在各煤最优成浆条件下混合制浆，结合实际生产，添加剂添加率2‰，硫磺沟煤与不同煤种按照质量比为4∶6，5∶5，6∶4，7∶3掺配，分析所制得的水煤浆成浆特性(见表7)。

从表7中可以看出，中煤、乌冬、黑山均能不同程度地提高硫磺沟煤的成浆性。硫磺沟煤与成浆性高的中煤、乌冬掺配时，混合后煤浆的浓度随着硫磺沟煤比例的增加而降低。硫磺沟煤和中煤质量比为4∶6时，浓度可达65.79%，黏度为578 mPa·s，且此时稳定性明显提高。在相同质量比条件下，硫磺沟煤与乌冬煤掺配后煤浆的稳定性提高最为明显。

表7 硫磺沟煤与不同煤种混合成浆特性

3 结论

(1)硫磺沟煤可以单独制浆，但稳定性较差，析水率高，且24h后有硬沉淀生成。随着添加率的提高，煤浆浓度逐渐提高，但稳定性没有得到明显改善。单一成浆最优条件为添加率2.0‰、煤浆浓度最高为 62.84%，此时煤浆黏度为 579 mPa·s。

(2)在相同添加率、同一浓度条件下，随着煤粉200目通过率的提高，黏度逐渐增加，流动性逐渐降低，稳定性明显提高。

(3)中煤、乌冬、黑山均能不同程度地提高硫磺沟煤的成浆性。硫磺沟煤与乌冬煤掺配后，煤浆的稳定性提高最为明显；与中煤质量比为4∶6时，浓度可达65.79%，黏度578mPa·s，且此时稳定性明显提高。