本文引自《浙 江 大 学 学 报 （工学版）》2011年2月，第45卷第二期，作者虞育杰，刘建忠，张传名，赵卫东，周俊虎，岑可法。版权归原作者所有。
摘 要：为了研究低挥发份煤的制备水煤浆的性能，利用黏度计对水煤浆的温度、表观黏度、剪切应力以及剪切速率等参数进行测量和计算，分析加入５种不同添加剂后低挥发分煤水煤浆的成浆特性、*成浆质量分数、温升特性、流变特性等性能，发现水煤浆的黏度随着质量分数的增加而升高；在黏度为１０００ｍＰａ·ｓ时，加入不同添加剂的低挥发分水煤浆的*成浆质量分数均在７０％左右；加入不同添加剂对水煤浆的温升性能有不同影响，水煤浆的黏度随着温度的升高而逐渐降低，但是当水煤浆质量分数较高时，高温可能导致部分添加剂失效；随着剪切速率的增加，水煤浆的黏度逐渐降低，为假塑性流体．结果表明低挥发份煤具有很好的性能用于制备高浓度水煤浆．
关键词：低挥发分煤；添加剂；水煤浆；成浆特性；流变特性
水煤浆是由煤粉，水和少量添加剂混合加工制成的稳定流体．影响水煤浆成浆和流变特性的因素很多，其中*重要的因素是煤质特性．研究表明，影响成浆性和流变性的煤质因素主要包括煤的变质程度、表面亲水性、孔隙率、矿物的种类与含量、可磨性、煤岩［１－７］组分以及表面性质等。煤的变质程度越低，煤中氧碳比越高，亲水官能团越多，内在水分越高，孔隙越发达，可磨性指数越小，则煤的成浆性越差，尽管上述因素都属于煤的自然属性，但制备水煤浆用的各种添加剂，可以在一定范围内程度不同地改变这些属性，如果不利于成浆的某些因素被减弱，或有利于成浆的因素被增强，都能提高煤的成浆性［８］．此外，为了提高水煤浆热值，一般建议采用精煤制浆，以往的研究基本［９－１０］上集中在精煤成浆特性和流变特性的研究 ．随着应用范围的扩大，对煤种的限制已成为水煤浆推广应用的主要障碍，近年来采用原煤（一般是高挥发分和高热值）制浆已成为一个新的研究方向，但原煤和精煤在成浆特性等方面显然存在较大差异，因此，对原煤成浆特性、流变特性和稳定性的研究将成为研究热点．
本文主要对一种拟在电厂使用的低挥发分原煤的成浆性、流变性和稳定性进行研究，包括加入不同添加剂对低挥发分煤成浆的影响，并对其*成浆质量分数、温升特性和流变特性的影响进行研究，寻找能与这种低挥发分煤达到*匹配的添加剂，获得*成浆效果．对低挥发分煤成浆特性的研究在国内外研究成果将对扩大水煤浆煤种的选择和降低水煤浆燃料成本有重要的意义．
１ 实验部分
１．１ 实验样品及其制备
如表 １ 所示是低挥发分煤的煤质分析，从中可以看出，该煤种的内在水分低、含氧量低，有利于制备高质量分数水煤浆．
将低挥发分煤磨制成煤粉，平均粒径约为2８μｍ．采用干法制浆：先计算出制浆所需的煤粉量和水量，然后添加质量为干煤粉量０．８％的添加剂，使用电动搅拌器将煤粉、水和添加剂搅拌均匀 ． 搅拌速率设定为 １０００ｒ ／ ｍｉｎ ，搅拌时间１５ｍｉｎ．添加剂包括安阳双环 ＮＣ添加剂、安阳双环 Ｍ 添加剂、南京大学研制的分散剂、枣庄水煤浆厂生产的分散剂和木质素磺酸钠 ． 其中安阳双环 ＮＣ和 Ｍ 添加剂含有少量的稳定剂；木质素磺酸钠是一种天然高分子聚合物，具有很强的分散性 ．
１．２ 水煤浆黏度的测定
使用 ＨＡＡＫＥ ＶＴ５５０ 型 黏 度 计，采 用 ＧＢ ／Ｔ１８８５６．４ － ２００２［ １１ ］ 规定的方法测量水煤浆的黏度和流变特性．将适量水煤浆样品倒 入测 量 容器，在２０±０．０５℃ 的恒温水浴中，使剪切速率从 ０ 升至１００ｓ－１ ，在剪切速率为１００ｓ －１ 时．每隔１ｍｉｎ记录一次实验数据，共计５次，然后将所有数据取平均值即为水煤浆的表观黏度 η ．
１．３ 水煤浆质量分数的测定
采用 ＧＢ ／ Ｔ１８８５６．２ － ２００２［ １１ ］ 中规定的干燥法进行水煤浆质量分数 ｗ测量．
２ 结果与讨论
２．１ 低挥发分水煤浆成浆特性
２．１．１ 添加剂对成浆特性的影响
如图１所示是采用５种不同添加剂时，低挥发分水煤浆的成浆特性曲线．由图１可见，加入不同的添加剂时，低挥发分煤的成浆特性的变化规律基本一致．在这５种添加剂中，将表现黏度 η 为 １ ０００ＭＰａ · ｓ 时对应的定黏质量分数 ｗ ｄ （水煤浆）确定为水煤浆的*成浆质量分数（见表２ ），可以得到加入不同添加剂时低挥发分煤的*成浆质量分数均为７０％左右，这表明这种低挥发分煤是属于易成浆的煤种．加入南大分散剂时的*成浆质量分数*，约为７１．６２％．
由于添加剂种类不同，与煤表面的相互作用（如有效吸附作用等）也不同，因此添加剂对于煤颗粒的分散效果也相应不同．也就是说，煤种与添加剂之间存在“适应性”或“配合”问题．由表２知，南大分散剂对汕头低挥发份煤颗粒的分散效果*，明显优于其他添加剂．
２．１．２ 成浆质量分数与黏度的关系
图 １表明低挥发分煤在加入不同的添加剂后，表观黏度都随着质量分数的增加而变大．这是因为随浆体质量分数增加，浆体体系中固体颗粒质量分数增加，颗粒之间起润滑作用的自由流动水质量分数减少，颗粒之间摩擦力增加，导致浆体的黏度增加，即对于同一种煤，浆体的黏度与浆体质量分数呈正相关特征．
３．１．３ 低挥发分水煤浆温升特性
水煤浆的温升性能影响磨机的磨矿效果，一般希望水煤浆的表观黏度随着温度ｔ的升高而降低，这对磨矿的过程是有利的，反之则可能影响到磨矿过程．此外，为了达到较好的雾化效果，水煤浆在炉前往往进行加热，以降低黏度。
因此，对水煤浆黏温特性的了解是十分重要的．如图２～６所示是低挥发分煤加入不同的添加剂后水煤浆的温升性能曲线，可以看出，低挥发分水煤浆的温升性能受添加剂的影响较大，其表观黏度随着温度的升高而降低；其中加入南大分散剂和安阳双环 ＮＣ添加剂所制成的水煤浆有较好的温升性能，在较高质量分数下仍能保持其表观黏度随着温度的升高一直降低；而加入木质素磺酸钠、分散剂和安阳双环 Ｍ 添加剂所制成的浆样，在质量分数较低时，表观黏度随着温度的升高而降低．随着质量分数的升高，表观黏度随着温度的升高先降低后升高，在较高质量分数时，表观黏度随着温度的升高迅速上升，并出现剧烈波动．这是由于质量分数较低时，随着温度的升高，分子间的距离增大，分子间的相互作用力减弱．由于表面张力是分子间的作用力引起的，分子间作用力的减弱导致表面张力的变小，使得水煤浆的表观黏度降低１３－１４ ．而当质量分数较高时，添加不同添加剂后，浆体随温度的变化规律不尽相同，这可能与添加剂的溶解度不同，分散功能随温度升高失效的程度不同有关．
２．２ 低挥发分水煤浆流变特性
２．２．１ 添加剂对流变特性的影响
如图７～１１所示分别为低挥发分煤加入５种不同添加剂后成浆的流变特性曲线．流变特性是水煤浆的一个重要质量指标，对水煤浆的储存、运输和燃烧都有较大影响．由 图７～１１可见，低挥发分煤水煤浆在质量分数较低时，其黏度较低，黏度受剪切速率 γ的影响较小，曲线接近水平直线，部分还出现“剪切变黏”的现象；随着质量分数的提高，加入不同的添加剂后，浆体均表现出明显的“剪切变稀”的流变特性，即表观黏度随着剪切速率γ的增加而逐渐降低．其原因在于：在质量分数较低时，低挥发分水煤浆体系中存在的自由水份额较多，虽然经过搅拌已经成为浆体，但煤颗粒之间由于斥水引力以及范德华力的影响，在某些局部发生相互吸引，形成局部结团，而这些小结团的外围，则形成水膜和“水包煤”特征，当剪切速率增加时，水膜被打破，小结团内部的颗粒相互分开，形成新的未被润湿的煤表面，这些表面需要部分自由水进行润湿，造成浆体体系中原有的自由水份额降低，使浆体黏度升高．随着浆体质量分数的提高，浆体又会表现为剪切变稀的特征，是因为质量分数升高使浆体体系内自由水减少，在搅拌成浆后，煤颗粒之间相互连接并形成包住水的特征，随剪切速率的增加，“煤包水”的状态被打破，自由水流出，使浆体黏度降低 ［１５ ］．
２．２．２ 低挥发分水煤浆流变方程和流变特征
水煤浆属于非牛顿流体文献［１６ ］，其流变特征可以采用幂律模型加以描述：τ ＝ Ｋγｎ ，式中：τ 为剪切应力，Ｐａ ； Ｋ 为稠度系数； ｎ 为流动指数， ｎ ＜１时为假塑性流体，ｎ ＞１时为胀塑性流体．使用曲线拟合及*小二乘法回归法，可得到水煤浆的流变方程及各参数的值，对加入 ５ 种不同添加剂的水煤浆进行拟合后的参数见表 ３ ，拟合后的曲线见图１２～１６．
表３及图１２～１６表明，添加不同添加剂制取的水煤浆基本都符合幂律模型，只是塑性指数（稠度Ｋ）和流动指数ｎ不同．稠度指数 Ｋ 表示浆体的稠度，Ｋ 值越大，说明浆体越稠，黏度越大，表３中 Ｋ值的变化规律与图１中表观黏度的变化相一致，即随浆体质量分数的增加，Ｋ 值呈增大的趋势．而流动指数ｎ随着质量分数的增加而降低，且除了加入南大分散剂和 Ｍ 添加剂的浆样在质量分数过低时ｎ＞１之外，其余浆样的流动指数ｎ＜１，为假塑性流体；ｎ变小表明浆体的假塑性特征增强．
３ 结 论
（１）低挥发分水煤浆的表观黏度随着质量分数的增加而增加；其*成浆质量分数较高，属于易成浆的煤种；不同添加剂的加入对其*成浆质量分数有不同的影响，其中加入南大分散剂时*成浆质量分数*，为７１．６２％．
（２）低挥发分水煤浆具有良好的温升性能，其表观黏度随着温度的升高而降低；但是当质量分数较高时，添加不同添加剂的水煤浆随温度的变化规律不尽相同，部分浆体的黏度随着温度的增加先降低后升高，有一个极小值．
（３）低挥发分水煤浆在加入不同的添加剂，尤其在质量分数较高时，能表现出良好的 “剪切变稀”的流变特性，为假塑性流体，这种性能对水煤浆的储存、运输和雾化都是有利的．
