第二章 水煤浆的制备与应用
水煤浆作为一种浆体燃料，要求其浓度高，流动性好，又要求有较好的稳定性，避免产生硬沉淀。满足单项性能指标并不难，但要同时满足有一定困难，因为其中的一些性能间是相互制约的。例如，提高浓度就会引起粘度增大、流动性变差；粘度低，流动性好，又会使稳定性变差。因此制备合格的水煤浆产品需要掌握“制浆用原料煤的选择、级配技术、添加剂与制浆工艺与设备”等方面的技术。
第一节 制浆用煤的选择
制浆用煤炭的质量首先应满足下游用户的要求，还必需十分注意它的成浆性。性质不同的煤炭，制浆难易程度也不同。有的煤炭在常规条件下很容易制成高浓度水煤浆，另外一些煤炭，例如神府地区的某些煤炭，就很难或者需要采用较复杂的制浆工艺和以较高的成本才能制成高浓度水煤浆。制浆用煤的成浆性，对制浆厂的制浆工艺、建厂投资、生产成本以及水煤浆的质量都有很大的影响，所以应该掌握煤炭成浆性的规律，并据此根据实际需要，按照技术可行、经济合理的原则优选制浆用原料煤。 一、 对煤质的要求
制浆用煤首先应满足下游用户对煤炭质量的要求。这些要求主要是煤炭灰分、硫分、发热量、挥发份及灰熔点。用户不同，要求也各异。
德士古炉造气用水煤浆，要求煤炭活性好、灰熔点（半球温度T2）不高于1200℃，以利于液态排渣。选择制备燃料用水煤浆的煤炭时，要特别注意煤炭的挥发份含量与灰熔点。挥发份太低，水煤浆在炉内不易稳定着火燃烧，制备锅炉用水煤浆的原料煤中挥发分含量应大于25％，制备炉窑用水煤浆的原料煤中挥发份含量应大于15％。锅炉与炉窑一般都采用固态排渣，要求灰熔点T2 不低于1250℃。至于制浆用煤炭的灰分、硫分与发热量，则主要由用户根据当地的技术与经济条件权衡确定。制浆用煤炭的灰分低，煤浆的热值高、对环境效污染也少，但也必须考虑价格因素。煤炭的灰分再低，除尘、排灰及炉内清灰措施都必不可少，而低灰煤的价格要高，因此在工艺要求与当地环境条件许可的情况下，适当提高制浆用煤的灰分是合理的。
二、 煤炭成浆性
煤炭的成浆性与煤炭本身的理化性质有密切关系。煤阶越低，内在水分越高，煤中O/C比越高，亲水官能团越多，孔隙愈发达，可磨性指数HGI值越小，煤中所含可溶性高价金
属离子越多，煤炭的制浆难度会越大。
煤炭性质对成浆性的影响是多方面的，而且诸因素间又有密切的相关。中国矿业大学北京校区张荣曾教授根据对不同煤阶有代表性煤样的工业分析、灰成份、煤岩显微组分、煤炭表面特性、红外光谱、及煤中可溶性矿物分析、表面积和孔特性、润湿接触角、吸附特性、含氧官能团、表面电性等三十四项煤质分析数据，结合制浆实验结果，采用多元非线性逐步回归分析方法进行统计分析，从诸多的因子中筛选出日常易于获得的少数显著因子，首次总结出其中的规律，建立了煤炭成浆性模型，并在此基础上提出了评定煤炭成浆性难易的综合判别指标D。根据这个指标，可以初步估计这种煤炭的可制浆浓度调盘C，该项成果已成功地用于预测煤炭制浆效果和优选制浆用煤。国外只研究了单个因子各自对成浆性的影响，很难难以对煤炭的成浆性作出综合评价。
为适应在不同条件下使用，建立了两个计算煤炭成浆性指标D的模型。公式（2－1）为需要含氧量数据的模型，公式（2－2）为不需要含氧量数据的模型。
（2－1）
（2－2）
（2－3）
式中 HGI ─ 哈氏可磨性指数；
Mad ─ 煤炭分析基水分，％；
Odaf ─ 煤炭可燃基含氧量，％；
D ─ 煤炭成浆性指标；
C ─ 预测的可制浆浓度，％。
模型从众多的煤质因素中虽然只选入了2～3个因素，但并不等于说其他因素就没有影响，只是由于因素间的相关，其他因素的影响可由这三个因素所囊括。需要指出的是，（2-3）模型的可制浆浓度预测值是在粒度分布与添加剂基本适用的条件下可制浆浓度的期望值。实际制浆时的粒度分布与添加剂配方仍会有差异，因此模型的估计值有一定的误差。 按照煤炭成浆性指标D，可将煤炭成浆性难易分成四档，如表（2-1）。
表2-1 煤炭成浆性分类
成浆性指标D | 成浆性难易 | 可制浆浓度％ |
< 4 | 易 | > 72 |
4～7 | 中 等 | 72－68 |
7～10 | 难 | 68－65 |
> 10 | 很 难 | < 65 |
| | |
根据74组实测数据计算表明：两种模型的平均绝对误差分别为1.403%与1.308%，含氧模型比不含氧模型精度高，标准误差从2.116%下降至1.706%。因此，当有煤炭中的含氧量数据时，应用含氧模型；缺乏含氧量数据时可用不含氧模型，它们都可以对煤炭的成浆性作出有一定精度的评价。
这个模型除了可用于帮助选择制浆用煤外，还可以用来分析判断制浆结果的好坏及问题所在。如果实际制浆浓度低于上述模型标准差的两倍时，就应考虑煤浆的粒度分布或添加剂配方是否有必要改进。如果粒度分布也没有问题，就需要重新研究添加剂配方。
第二节 水煤浆的级配技术
水煤浆不但要求煤炭粒度达到规定的细度，还要求具有良好的粒度分布，使不同大小的煤粒能够相互充填，尽可能减少煤粒间的空隙，达到较高的“堆积效率”。空隙少就可以减少水的用量，容易制成高浓度。该项技术简称为“级配”。 高浓度水煤浆不但要求应将煤炭磨至一定的细度，又要浓度高且流动性好。这就要求煤浆中的粒度分布合理，使大小颗粒能相互充填，减少空隙，从而使固体占有率既堆积效率提 高，如图1-1所示。使堆积效率高的技术称“级配”。掌握好水煤浆的粒度分布是制备水煤浆燃料的关键技术之一。
（a）只有大颗粒 (b)充填了细颗粒 (c)充填了更细的颗粒
图2-1 煤浆中颗粒充填示意图
一、 箱式高温煅烧炉堆积效率与粒度分布间的关系
堆积效率λ(固体体积占有率)与粒度分布的关系，是水煤浆制备技术的基础理论之一。颗粒的堆积性能不只是水煤浆制备中关心的问题，在建材、化工、粉体工程、涂料等工业及农业中的土壤等学科领域也十分重要。这方面已有的研究成果很多，最简单的是单一粒径颗粒的堆积，其次是多种离散粒径颗粒的堆积，最复杂也是最实用的是连续分布颗粒的堆积。
等径球体的堆积是分析实际颗粒堆积的基础。紧密堆积时堆积效率最高的是呈正四面体堆积，此时的堆积效率λ为0.74（孔隙率ε＝0.26），“粒孔比”B（ 颗粒直径与孔隙直径之比）为6.46；堆积效率最低的是呈正六面体的堆积，此时λ为0.52，ε＝0.48，B为2.44。Scott 与 Ridgway等人实验研究表明，等径球体随机紧密堆积时的堆积效率约0.64～0.56，平均为 0.60，ε＝0.4，接近以上两种典型堆积的平均值，所以B也应接近其平均值4.45。实际颗粒为非球体，堆积效率低于球体。对于呈多角形的煤粒，Brown的研究与张荣曾的实验都表明，窄级别煤粒自然紧密堆积时的堆积效率更接近等径球体呈正六面体紧密堆积时的λ为0.52, ε＝0.48，所以B也应接近2.44。多种离散粒径颗粒混合堆积时，小颗粒有可能充填到大颗粒堆积形成的空隙中去，有利于提高粒的堆积效率，Hudson曾经指出，要使小颗粒能完全充填在大颗粒空隙中，所需要的粒孔比应达到5 。
实际工作中遇见的多属连续分布的颗粒。研究连续分布颗粒体系的堆积特性必须先建立描述这种粒度分布的数学模型。最常用的粒度分布模型主要有：Rosin—Rammler，Gaudin—Schuhmann 及Alfred 分布模型。Alfred 模型是Funk由 G—S 模型改进而来，如下式，它克服了当 d=0 时无定义的问题。
（2－4）
式中： d ── 某粒度的粒径；
y ── 大于粒度 d 的粒级含量；
dL── 颗粒体系中的最大颗粒粒度；
dS── 颗粒体系中的最小颗粒粒度；
n ── 模型参数。
对于连续粒度分布的颗粒体系的堆积效率，用解析法是很难求解的，故多采用物理实验或在计算机上模拟堆积实验方法求解。对于服从 G—S 粒度分布模型的颗粒体系，Andreason 用实验方法确定，模型参数 n 在 0.3～0.5 时堆积效率最高。Suzuki 等人将多种离散粒径颗粒堆积的计算方法推广到连续粒度分布，得出模型参数 n 在 0.5～0.8 时堆积效率最高。Alfred 大学的 Funk在计算机上进行模拟堆积实验后认为，按 Alfred 粒度分布时 n ＝ 0.37 时堆积效率最高，并于1979年取得美国专利，在国际上有很大的影响。虽然 Fun
k 等人的专利很有效，但是水煤浆产品很少符合这种典型的粒度分布模型，用它也无法判断一种实际粒度分布堆积效率的高低，更不适用于水煤浆制备中常遇到的多峰粒度分布。
中国矿业大学（北京）的张荣曾教授发展了一种“隔层堆积理论”。它既可用于多粒径离散颗粒体系，亦可用于单峰与多峰的连续分布颗粒体系的堆积效率计算。它是将任何一种粒度分布，在计算机上按前述“粒孔比”B 的等比级数划分为许多窄粒级，然后隔层进行充填计算堆积效率。所以要按“粒孔比”B 划分成窄粒级，是因为只有这样才可以假定在每个窄粒级内不会相互充填。所以要隔层充填，是因为相邻两层间上层的最小粒度与下层的最大粒度相差无几，无法保证下层粒级都能充填到上层的孔隙中去。此外，采用隔层充填，可使两层的的粒度比（B 的平方）能满足 Hudson 指出的要使小颗粒能完全充填在大颗粒孔隙中，所需要的粒孔比应达到 5 要求。
按照“隔层堆积理论”，可用解析方法求出mesh设备G—S 与Alfred分布堆积效率最优时的模型参数n 值。
所谓最优，就像 Furnas 指出的那样，粗粒级的空隙恰能为细粒级所充满。
设某个第 i 粒级的粒度上限为 d，则粒度下限为 d /B 。它的下隔层，即第 i+2 层的粒度上限为 d/B2数控分度头，粒度下限为 d /B3。取ε为窄粒级的空隙率，ρ为颗粒的密度。
对于Alfred 粒度分布有：
第 i 个粗粒级中空隙的体积为：
（2-5）
第 i +2个细粒级中颗粒空间占有的体积（包括空隙）为：
抗裂抹面砂浆
（2-6）
令（1-5）与（1-6）相等即得出最优解：
故最优的模型参数 粉末注射成形n 为：
（2-7）
（2-8）
对于 G-S 粒度分布，也有同样的结果。
上式表明，ε及 B 取值不同时，最优的模型参数 n 也会不同。现将前面提及的几种已知堆积模型的λ,ε及 B 值，按 1-8 式求出的最优 n 值列于表 2-2 。表中数据表明，对于服从G-S 与Alfred 粒度分布的物料，按隔层堆积理论，堆积效率最高的 n 值的解析解与前述国外学者的实验结果是相近的。这就间接地证明了按隔层堆积理论来计算堆积效率是可行的。
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