水煤浆添加剂NSF制浆试验及其效能的研究

第34卷第6期中国矿业大学学报Vol 34 No 62005年11月Journal of China University of Mining & TechnologNov文章编号:1000-1964(2005)06-0703-04水煤浆添加剂NSF制浆试验及其效能的研究吴国光,王晓春,刘炯天(中国矿业大学化工学院,江苏徐州221008)摘要:研究了具有不同缩合度值的水煤浆添加剂萘磺酸钠甲醛缩合物(NSF)与不同煤化程度煤的制浆效果以及NSF效能提高.实验中通过改变合成条件,合成出具有不同缩合度的萘磺酸钠甲醛缩合物(NSF),利用红外光谱对其进行定量分析,将合成出的NSF分别与不同煤化程度的煤样混合进行制浆试验,并通过添加木质素磺酸钠来考察NSF效能的提高.结果表明:制浆时不同煤化程度的煤对应的NSF具有不同的最佳缩合度值,添加木质素磺酸钠可有效地提高添加剂NSF的效能关键词:萘磺酸钠甲醛缩合物;水煤浆;制浆试验;木质素磺酸钠;效能提高中图分类号:TQ519文献标识码:AResearch on the ability of making Slurry withNSF as additive for cws and its effectWU Guo-guang, WANG Xiao-chun, liU Jiong-tian(School of Chemical Engineering and TechnologChina University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, ChinaAbstract: The ability of making slurry with naphthalenesulfonic acid-formaldehyde condensate(NSF) as additive for coal water slurry (CwS) and the improvement of its effect were studiedNSF of different condensation degree was synthesized by changing the condition of synthesis, usinginfrared spectroscopy to make the quantitative analysis. Experiments were done by mixing NSiwith coals of different ranks, studying on the improvement of its effect by combining withlignosulfonate. The results show that the optimal condensation degree of NSF varied with the coalranks, and the function of NSF can be effectively improved by combining with lignosulfonateKey words naphthalenesulfonic acid-formaldehyde condensate; coal water slurry: mlignosulfonate; effect improvement水煤浆(CWS)是约70%的煤粉和30%的水子型分散剂,价廉易得,其特点是价格相对便宜,及少量分散剂组成的悬浮分散体系,作为燃料与煤减黏作用好及流型好,但通常稳定性较差.木质素燃烧相比水煤浆具有低污染、易泵送、燃烧效率高磺酸盐是一种阴离子型表面活性剂,作为分散剂广等优点,是煤基代油流体燃料.添加剂是水煤浆制泛用于水泥、染料、石油、农药和煤炭等各个领备中关键技术之一,在其成本中仅次于煤炭费用,域校大的表面张力以及良中国煤化它直接影响水煤浆的价格和推广,因此降低其成4.本文考察了不同缩本,开发性能价格比最优的添加剂是水煤浆发展中合lCNMH角定了适合不同煤种的的一个重要任务凵.萘磺酸钠缩甲醛(NSF)为阴离NSF的最佳缩合度值,并通过添加剂复配提高了收稿日期:20基金项博士学位论文专项资助项目(200144)作者简美影需3-),男,江苏省常州市人,教授,博土生导师,工学博士,从事洁净煤技术及煤化工方面的研究E-mail:ggwu@cumt.edu.cnTel0516-3995548中国矿业大学学报第34卷NSF的制浆效能本试验选用4种煤样,分别为内蒙古太西无烟1实验部分煤(TX),淮北临涣焦煤(LH),徐州夹河气煤(JH)内蒙古准格尔弱黏煤(ZG).其煤质分析结果见1原煤的性质与分析表表1煤样的工业分析和元素分析Table 1 The proximate and ultimate anal ysis of coalt/%0样品焦渣特性指数Cdaf1.8510.1192.763.911.471.361.6721.632.511.539.9686.675.811.383280.981.2煤样的制备及粒度分析表2NSF与木质素磺酸钠的配比实验中使用XMB-T0型三辊四简棒磨机对煤Table 2 Proportion of NSF and lignosulfonate wH/%样粉磨.其中一份磨30min,得到粗粉;另一份磨2方案NSF木质素磺酸钠‖方案NSF木质素磺酸钠h,得到细粉.将粗粉与细粉等量混合均匀,得到级配的煤粉5.使用美国贝克曼库尔特公司生产的IS1o0Q型激光粒度仪( Fraunhofer光学模型,遮注:质量比为各物质占水煤浆中煤样的质量百分比蔽:8%~12%,测量时间:60s)测试煤粉的粒径分1.6水煤浆的制备与性能检测布.1)水煤浆的制备3水煤浆添加剂NSF的合成准确称取一定量的添加剂,加入一定量的水溶1)合成原料解,在搅拌的情况下逐渐加入级配好的定量的煤粉萘(分析纯)、浓硫酸(98%分析纯)、甲醛(37%中,在1200r/min的转速下搅拌15min,静置片刻分析纯)、氢氧化钠(分析纯)及碳酸钙(分析纯)后取出.试验中统一采用250mL的烧杯,每次制2)实验仪器备100g的水煤浆,搅拌时搅拌头应距烧杯底1四口烧瓶、冷凝管、温度、分液漏斗、zHT型自cm动恒温电热套、J-1型电动搅拌装置及NXS-11A2)水煤浆黏度的测定型旋转黏度计本实验中水煤浆黏度的测定使用NXS-11A3)合成设计方案型旋转黏度计,选用B或C测量系统,每次水煤浆实验中,通过采用不同的缩合时间(4.5,5.5用量约为25mL或9mL,剪切速率约为100sh),缩合温度(95~100,110~115C)以及改变缩测量温度为25C合剂甲醛的用量(12.5,13,13.5及14mL),以期3)水煤浆浓度的测定合成岀具有不同缩合度的β萘磺酸钠甲醛缩合物用已知质量的带盖玻璃称量瓶称取(3±0.1)1.4红外光谱法确定NSF的缩合度g的分析试样,开盖,放入预先鼓风并加热到取少量合成的NSF粉末(粒径小于0.05(107士1)C的烘箱中进行干燥,然后从干燥箱中取mm),按要求对样品进行纯化处理、压片,用KBr出称量瓶,立即将盖盖好,空冷片刻,然后将称量瓶压片做参比,采用 Avatar360型傅立叶变换红外放入干燥器内冷却至室温并称重,测定其固体含光谱仪( Nicolet公司,USA)测定NSF的红外光谱量,按下式计算水煤浆中的实际煤含量,即煤的质图,通过峰面积比值方法确定试样的聚合度6中国煤化工5效能提高的试验方案剂)+1]×(s),NSF与木质素磺酸钠复配考察制浆效果试式!男头时量,%:(s)为实测的固验设计方案见表2体含量,%;(分散剂)为分散剂的加入量,%4)水煤浆流动性的测定第6期吴国光等:水煤浆添加剂NSF制浆试验及其效能的研究705本实验中水煤浆流动性采用目测法,根据其流表3粒度分布的算术体积统计动性状,分为A,B,C,D四个等级,每个等级的划Table 3 Arithmetic vol ume statistics of coal particles分标准如下:A:不间断流动;B:间断流动,呈稠流粒径/pm<2<10<30<74<100<300D(3,2)状;C:间断流动,呈稀糊状;D:不流动9.4122.847.683.188.699.976.49.2831.769.393.697.399.995.6885)水煤浆稳定性的测定JH8.2218.433.974.776.599.327.477本实验中水煤浆稳定性使用试管静置法来检8.2034.472.894.497.699.995.939测,将水煤浆置于试管中,用凡士林密封,静置48h后看其析水程度和沉淀情况.2.2NSF缩合度的确定通过改变缩合条件,共合成出6种具有不同缩2结果与分析合度的NSF,缩合度分别为4.3,5.6,6.3,6.9,7.32.1煤样粒度分布和实验所用4种煤样的粒度分布结果,如表3所2.3NSF的制浆试验结果具有不同缩合度的6种NSF与4种不同变质制浆时采用“双峰”级配技术,从有利于燃烧的程度的煤样,太西无烟煤、临涣焦煤、夹河气煤、准角度考虑,一般要求粒度的上限为300mm,其中小格尔弱黏煤,分别进行制浆试验添加剂NSF的用于74{m的含量不少于75%由表2可知实验所量均为煤样量的1.0%保持每种煤样的制浆浓度制得的煤样均符合上述要求定时,水煤浆性质见表4.表4不同缩合度NSF的制浆结Table 4 Properties of CwS with NSF of different condensation degree加剂NSF太西无烟煤(66.41%)高涣焦煤(67.54%)夹河气煤(68.73%)准格尔弱黏煤(57.09%)NSF1(4.3)析水,软沉淀B析水,软沉淀析水,软沉淀B+析水,软沉淀B+NSF2(5.6)析水,软沉淀B析水,软沉淀B+析水,软沉淀B+析水,软沉淀NSF3(6,3)少量析水,软沉淀A析水,软沉淀B少量析水,软沉淀B析水,软沉淀0.9mPa·sNSF4(6.9)析水,软沉淀A少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀B+少量析水,无沉淀ANSF5(7.3)856.2mPa42.0mPa·s894. 1 mP921.2mPa·s析水,软沉淀少量析水,软沉淀少量析水,无沉淀B+少量析水,软沉淀ANSF6(8,1)805.1mPa·s698.8mPa·s930.6mPa·s少量析水,无沉淀A无析水,软沉淀A少量析水,软沉淀A少量析水,软沉淀A由表4可知,对高变质程度的煤(太西无烟煤、尔弱黏煤,分别进行制浆试验.保持4种煤的制浆临涣焦煤),随着NSF缩合度的增加,制浆效果提黏度均为1000mPa·s时,水煤浆性质见表5.高,这是由于煤分子结构主体为缩合芳香环,不含由表5可知,通过NSF与木质素磺酸钠的复或含有极少量烷基侧链及含氧官能团,随着NSF配,可明显提高水煤浆的稳定性.这是由于木质素缩合度的增加,其与煤分子之间的结合力增强,故磺酸钠是一种多聚髙分子化合物,是由多个苯环通制浆效果提高;对中低等变质程度的煤(夹河气煤、过碳-碳键、芳-烷键、芳-芳键等联结而成,具有磺准格尔弱黏煤),随着NSF缩合度的增加,制浆效酸基、酚羟基、甲氧基以及醌基、醛基等亲水基团和果先提高后降低,这是由于NSF缩合度增加时分亲油的苯丙烷结构单元,分子具有比NSF更强的子链长增大由于位阻效应NSF与煤分子之间的结合力反而减小,因此与中低等变质程度的煤制浆颗H中国煤化工面形成三维水化膜,当CNMH(的排斥力,从而增强水时,NSF的缩合度有一最佳值煤浆的稳定性.水煤浆添加剂在煤表面上的空间位2.4NSF效能提高的试验结果阻效应是各效应中最为重要之一,它是分散稳定性NSF和木质素磺酸钠复配与4种不同变质程能的一个决定因素.度的煤样骃咽煤、临涣焦煤、夹河气煤、准格中国矿业大学学报第34卷表5复配添加剂的制浆结果Table 5 Properties of CwS with combined additives添加剂/%太西煤临涣煤夹河煤准格尔煤木质素磺酸钠000mPa·s)(1000mPa·s)(1000mPa·s)0.0158.2少量析水,软沉淀析水,软沉淀析水,软沉淀析水,软沉淀70.05%B+少量析水,无沉淀少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀69.03%A69.28%A少量析水,无沉淀少量析水,无沉淀少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀67,22%B67.55%A57.02少量析水,无沉淀少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀少量析水,软沉淀67.32%B66.35%B+56.19%少量析水,无沉淀少量析水,无沉淀少量析水,无沉淀少量析水,软沉淀无析水,无沉淀少量析水,无沉淀无析水,无沉淀无析水,无沉淀用太西煤和临涣煤制浆,当木质素磺酸钠的加性入量为0.1%时,水煤浆的定黏浓度最高,流动性2)对高变质程度的煤(太西无烟煤、临涣焦和稳定性也得到提高.当木质素磺酸钠旳加入量进煤),煤分子结构主体为缩合芳香环,不含或含有极步升高时,浆体稳定性增强,而定黏浓度则降低.少量烷基侧链及含氧官能团,随着NSF缩合度的因此,0.9%的NSF和0.1%的木质素磺酸钠复配增加,其与煤分子之间的结合力增强,制浆效果提其制浆效果最好.这是由于加入少量的木质素磺酸高.钠能降低煤旳表面能,增强煤的亲水性,从而提高3)对中低等变质程度的煤(夹河气煤、准格尔浆体的定黏浓度和稳定性,而当煤粒表面亲水性过弱黏煤)煤分子表面的位阻增大,NSF缩合度增强,水化膜厚度过大或煤內表面吸附水量过多,又加时分子链长增大,由于位阻效应,NSF与煤分子会引起煤粒的膨胀,使煤粒间的流动水减少,煤浆之间的结合力反而减小,因此与中低等变质程度的浓度降低,黏度增加煤制浆时,NSF的缩合度有一最佳值用夹河煤和准格尔煤制浆,随木质素磺酸钠加4)通过NSF与木质素磺酸钠的复配,可明显入量的增多,水煤浆的定黏浓度逐渐降低,稳定性提高水煤浆的稳定性,0.9%的NSF和θ.1%旳木增强.加入少量的木质素磺酸钠(加入量为.1%)质素磺酸钠复配对4种煤样制浆,效果均为最好时,浆体的定黏浓度基本不变,而稳定性却得到提高,因此,0.9%的NSF和0.1%的木质素磺酸钠参考文献:复配其制浆效果最好.这是由于加入少量的木质素1]张荣曾.水煤浆制浆技术[M].北京:科学出版社磺酸钠能降低煤的表面能,增强煤的亲水性,从而提高浆体的定黏浓度和稳定性而当木质素磺酸钠2]许宁,李志富,吴希坤催化合成高聚合度禁磺酸盐的加入量进一步增多时,由于2种煤样的表面空间缩合物[].精细化工,2003,20(9):538-54位阻较大,同时木质素磺酸钠分子具有比NSF更Xu N, LiZ F, WuX K. Katalytic synthesis of high强的空间网状结构,等量的木质素磺酸钠在煤表面molecular naphthalenesulfonic acid / formaldehydecondensation polymer [ J]. Fine Chemicals, 2003,20的吸附小于NSF在煤表面的吸附,从而使得煤粒(9):538-540表面的亲水性降低,因此木质素磺酸钠加入量增[3]李凤起朱书全水煤浆添加剂改性木质素磺酸钠结多,水煤浆定黏浓度降低性能的研空「1炭学报,2000,25(4):439中国煤化工3结论CNMHGd1)由几个或十几个苯环为主体结构,周围连performance of modified sodium lignosulphonates [J].接着各种含氧基团和烷基侧链的煤分子结构与主Journal of China Coal Society, 2000, 25(4):439-442.结构为多萘环磺酸盐的NSF之间有着良好的匹配(下转第720页)中国矿业大学学报第34卷[10 Yang Y F, Zhang XX, Chen Q R. Research on632-635xisting pattern and its removal from fly ash[J].[12]夏哲.粉煤灰中玻瑞微珠的理化特性及其改性的Journal of China UniversityMining研究[D].北京:北京科技大学土木与环境工程学Technology,2002,12(2):172-175.1]杨玉芬,陈清如,骆振福.流态化技术干法脱炭的理13] Goni s, Guerrero A, Luxan m p,etal. Activation论分析与试验研究[J.中国矿业大学学报,2003,32of the fly ash pozzolanic reaction by hydrothermal(6):632-635conditions [J]. Cement and Concrete Researchang2003,33(9):1399-1405.analysis and experimental research on dry removing [14 Shi C J, Day R L. Acceleration of the reactivity ofcarbon with fluidization method []. Journal of Chinafly ash by chemical activation [J]. Cement andUniversity of Mining and Technology, 2003,32(6)Concrete Research, 1995. 25(1): 15-21(责任编辑陈其泰)(上接第706页)[4]李凤起,朱书全.木质素表面活性剂及木质素磺酸盐酸盐甲醛缩合物的聚合度[J].化工矿物与加工,2001的化学改性方法[].精细石油化工,2001(2):15-17.(11):11-1Li F Q. Zhu s Q. Lignin surfactants & chemicalmodification of lignin sulfonate [J I. Specialitynucleosome number of B-naphthyl sulfonate forPetrochemicals, 2001(2):15-17.maldehyde condensate with infrared spectrum mehtod5]吴国光,郭照冰,武建军,等.萘油馏分合成水煤浆分[]. Industrial Minerals and Processing, 2001(11)散剂的研究[J.中国矿业大学学报,2003,32(6):670-673朱书全.添加剂对煤水界面性质的影响与效Wu GG, Guo Z B, Wu jJ, et al. Experimental能研究[].选煤技术,2001(1research on synthesis of dispersing agent for ceLi FQ, Zhu S Q. 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