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水煤浆添加剂的功能——煤制烯烃工艺技术综述之一
发布时间:2012-01-05 10:07:19     作者:   浏览量:3313   分享到:
     白小姐论坛煤化工项目建设内容为180万吨煤制甲醇转60万吨烯烃,其中煤气化工序拟采用GE水煤浆气化或西北化工研究院多元料浆气化工艺技术,无论采取上述何种工艺技术,都要制备含煤60~65%的水煤浆,并且使煤粉宏观上均匀并稳固 地分布在分散介质中。要达到这些要求,就要在制备水煤浆时使用各种添加剂。
    水煤浆添加剂,按其功能不同,可划分为分散剂、稳固 剂及其他辅助化学试剂如表面改性剂、pH调整剂、消泡剂、防霉剂及促进剂等等。其中不可缺少的、最重要的是分散剂与稳固 剂。添加剂的使用与原煤、油(存在于多元料浆工艺中)、水等组分的性质及含量密切相关,制备水煤浆时要全面、综合地考虑这些因素,通过试验确定科学合理的添加剂配方。
    一、分散剂
    1. 分散剂的分类
  分散剂按离解性质不同可分为离子型与非离子型两大类。其中,离子型分散剂按电荷性质不同可分为阴离子型、阳离子型和两性型三类。两性型分散剂是指当溶液呈碱性时显示阴离子特性,呈酸性时显示阳离子特性。阴离子、非离子、阳离子及两性分散剂的市场价格比通常为 1:2:3:4。因此,制备水煤浆时,在保证技术上可行的前提下,从经济性考虑应选择阴离子型分散剂。常用的阴离子型分散剂主要有萘磺酸盐、木质素磺酸盐、磺化腐植酸盐等。
  2. 分散剂的功能
   (1) 增强煤粒表面的亲水性
    煤的主要成分是各种非极性或弱极性的碳氢化合物,煤既不是单质,也不是单一的化合物,而是混合物。水是一种强极性溶剂,煤不溶解于水。因此,水煤浆不是化学意义上的溶液,而是通过分散剂等添加剂的作用将煤粒高度分散在水相中形成的一种悬浊液。溶液是单相系统,而水煤浆在微观上是多相体系和不均匀体系。
    在水煤浆中,煤粒为分散相,水为分散介质。分散剂是一种可促进分散相在分散介质中均匀分散的化学试剂。煤的主要成分是各种非极性或弱极性的碳氢化合物,属疏水性物质。按水在煤表面的接触角大小可将煤划分为四类。接触角为0的为强亲水性煤;接触角<40°的为弱亲水性煤;接触角为40°~90°的为疏水性煤;接触角>90°的为强疏水性煤。这种划分只是用来表示不同煤种亲水性或疏水性的相对强弱,本质上,各煤种的表面均显疏水性。
  水的表面张力大,煤粒表面张力小,要使煤粒充分润湿,必须降低水的表面张力,增大煤粒的表面张力,从而使固液间的界面张力降低;煤粒表面即使润湿,其巨大的比表面积也会促使它们在碰撞中相互聚集直至沉降,而无法在水相中均匀稳固 地分散。因此,所使用的分散剂必须是那些通过范德华力既能与煤粒表面结合,又能与水分子结合,使煤粒表面由疏水性转化为亲水性,提高煤粒与水的结合力,同时降低煤粒之间结合力的化学试剂。
  制浆用分散剂都是一些两亲的表面活性剂,其一端是由碳氢化合物构成的非极性的亲油基,另一端是亲水的极性基,非极性的疏水端极易与同是由碳氢化合物组成的煤粒表面结合,通过范德华力向内吸附在煤粒表面上,而另一端的亲水基向外并以范德华力甚至氢键与水分子结合。极性基的强亲水性使煤粒的表面由疏水转化为亲水,形成水化膜,有效降低水的表面张力和提高煤粒的表面张力,并将煤粒隔离开,阻止煤粒间因相互聚集而沉降。
    (2) 增强煤粒间的静电斥力
    根据DLVO理论,煤粒在水相中稳固 分散的必要条件是煤粒间的静电斥力大于煤粒间的范德华引力。煤粒自身是中性的,其表面不带电荷,吸附离子型分散剂后,各煤粒表面即带有相同电荷,煤粒之间即产生静电斥力,当煤粒之间的静电斥力大于范德华引力时,即可防止煤粒相互聚集沉降,促使煤粒分散于水相中。
    (3) 产生空间位阻效应
    空间位阻效应是指分子中某些原子或基团彼此接近而引起的空间阻碍作用。有机大分子的原子和基团多而拥挤,分子相互接近时就会产生较强的空间阻碍作用即立体障碍。制备水煤浆时使用的分散剂一般为有机大分子,吸附在煤粒表面的分散剂分子有很长的亲水链,在煤粒表面形成三维水化膜,当煤粒相互接近时,产生较强的排斥力即空间位阻效应,导致煤粒分散悬浮。
    空间位阻效应符合熵增大原理。水化膜中的水与水煤浆体系中的“自由水”不同,它因受到表面电场的吸引而呈定向排列。当颗粒相互靠近时,水化膜受挤压变形,引力则力图恢复原来的定向,这样就使水化膜表现出一定的弹性,使煤粒均匀分散。另外,煤粒表面吸附的分散剂有一定的厚度,当两个带吸附层的煤粒相互重叠时,由于吸附层中分散剂分子运动的自由度受到限制而降低,吸附分子的熵就会减少,根据体系总是自发地向熵增大的方向发展,向混乱度增大的方向发展,即熵增大原理,相互重叠的煤粒有自发彼此分离的倾向,因此由分散剂水化膜可以避免煤粒聚集沉降。  
  概言之,水煤浆分散剂的主要功能是通过范德华力吸附在煤粒表面,增强煤粒的亲水性,使煤粒表面带上电荷,形成双电层并产生空间位阻效应。 
    二、稳固 剂
  水煤浆的稳固 性是指水煤浆在储存与运输期间保持性态均匀的特性。引起固体颗粒沉淀的因素都能破坏水煤浆的稳固 性。水煤浆为粗粒悬浮体,属动力不稳固 体系,只有将其转变为触变体才能使它保持稳固 。转变为触变体后,水煤浆在静置时产生结构化,具有较高的剪切应力,输送或使用时,一经外力作用,其黏度能迅速降低,具有良好的流动性,如再静止时又能恢复原来的结构状态,流变学上称这种流体为触变体。稳固 剂是那些具有使水煤浆中已分散的煤粒能与周围其他煤粒及水结合成一种较弱但又有一定强度的三维空间结构的作用的化学试剂。稳固 剂的加入,能使已分散的煤粒相互交联,形成空间结构,从而有效地阻止煤粒聚集沉降,防止固液间的分离。具有这种功能的稳固 剂有无机盐、高分子有机化合物,如常见的聚丙烯酰胺絮凝剂、羧甲基纤维素以及一些微细胶体粒子(如有机膨润土)等。
    三、其他辅助添加剂
    1. 表面改性剂
    表面改性剂具有改变难成浆煤种煤粒表面特性以增强其成浆性。表面改性剂对提高难制浆煤种的成浆性作用明显,对易成浆煤种作用不大或没有作用,因此,易成浆煤种不必使用表面改性剂。
    2. pH调整剂
  弱碱性环境有利于成浆。在制浆时通常要加入pH调整剂以调整水煤浆的pH值,即将水煤浆调整为弱碱性。
    3. 消泡剂
  制浆用煤为浮选精煤,其表面残留起泡剂,在搅拌充气时易产生大量气泡;非离子型分散剂通常同时也有很好的起泡性能。如果水煤浆中含过多气泡,特别是微泡时,会严重影响水煤浆的流动性。因此,在上述两种情况下要使用消泡剂。许多阴离子型分散剂,如萘磺酸盐类,同时具有很好的消泡作用,和非离子型分散剂联合使用,不仅能消泡,而且可降低价格昂贵的非离子型分散剂的用量。
  4. 防霉剂
防霉剂的功能是杀菌。制备水煤浆所使用的添加剂一般都是有机物,有的在长期储存中易被细菌分解而失效,水煤浆如需长期储存,就需要使用防霉剂杀菌。
     5. 促进剂
  促进剂在改善水煤浆性能方面具有降低黏度、提高稳固 性、改善流变特性、增强抗剪切能力等作用。促进剂对水煤浆,特别是对难制浆煤种的成浆性具有显著效果。(文:煤化工分公司 杨铁柱
 
 
 
 
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