（化学工程专业论文）木质素磺酸盐用作水煤浆添加剂的性能及其分散稳定机理研究.pdf

摘要 摘要 木质素是地球上资源丰富的天然聚合物，又是一种重要的可再生资源，随着 世界资源危机日益严重和对生态环境要求的同益提高，木质素及其衍生物由于具 有原料来源丰富、价格便宜、无毒、分子结构多样化且易于进行化学改性等特点， 其研究与应用受到国内外广泛重视。木质素磺酸盐作为一种阴离子表面活性剂在 工业上应用较多，但其在水煤浆工业中应用尚不能满足要求。因此，以木质素磺 酸盐为原料研制高性能的水煤浆添加剂，不仅可以充分利用制浆废液中的工业木 质素，而且对于解决我国能源紧张、减少环境污染、走可持续发展之路具有现实 意义。 本论文系统地研究了木质素磺酸盐作为水煤浆添加剂的制浆性能、流变性能， 从吸附热力学、动力学等方面研究了木质素磺酸钠在煤水界面的吸附过程，分析 了木质素磺酸钠在煤粒表面的吸附量与制浆性能的关系。通过以上研究从中找出 木质素磺酸钠作为水煤浆添加剂存在的不足，提出改性的思路与方法，并研制了 性能较为优异的木素磺酸盐水煤浆添加剂。在此基础上探索并揭示了木质素磺酸 盐对煤粒的分散稳定作用机理。 制浆性能的研究发现：金属阳离子对木质素磺酸盐制浆性能的影响方面，钠 盐好于钙、镁盐，但稳定性不如钙、镁盐；木质素磺酸钠对盘江煤的最大成浆浓 度可达7 1 1 7 ，制浆的最大搅拌强度为1 2 0 0 r a d ，m i n ，这两方面的性能均比萘系 添加剂差。加入金属离子调整剂焦磷酸钠、碳酸钠和e d t a 能够抑制煤表面溶解 出的高价金属离子，改善木质素磺酸钠的制浆性能。 木质素磺酸钠对水煤浆流变性能的研究表明：水煤浆的屈服假塑性在制浆浓 度高于6 8 5 时，会随着制浆浓度的提高而减弱；各种相对分子量的木质素磺酸 钠制得的水煤浆都具有剪切变稀的特性，分子量范围在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 的木质素磺 酸钠对水煤浆具有最好的流变性能。慢速剪切的水煤浆浆体经过一段时间后黏度 有上升的趋势，而快速剪切的水煤浆黏度基本保持不变。木质素磺酸钠中增加磺 酸基、羧酸基、羟基的含量，对水煤浆的流变性影响较小，但增加磺酸基和羧酸 基含量可以提高水煤浆的初始屈服应力。 在本实验系统条件下建立了水煤浆的流变模型，结果表明：本模型能够较好 地模拟不同质量浓度下水煤浆的流变特性，并可为在不同温度条件下水煤浆的剪 切应用提供指导。 木质素磺酸盐在煤水界面的吸附研究表明：木质素磺酸盐的钠盐在煤表面的 吸附等温线呈l 型，而钙盐和铁盐的吸附等温线均呈s 型，煤粒对钠盐的吸附能 力要强于钙盐、铁盐。对不同相对分子量的木质素磺酸钠的吸附类型的研究表明， 华南理工大学博士学位论文 其吸附第一平台属于l a n 空m u i r 吸附，吸附并没有发生多点吸附，这是导致其在煤 表面易脱附的主要原因。煤粒对木质素磺酸盐的吸附在3 0 一6 0 是吸热过程，吸 附是自发进行的；熵变为正值，这是由于木质素磺酸钠在固体表面的吸附，导致 更多水分子自固相向液相作更杂乱的运动而使得固液分子界面上的分子运动变得 更为混乱。随着木质素磺酸钠添加剂在煤颗粒表面吸附量的增加，固液界面自由 能逐渐降低。木质素磺酸钠在煤表面的吸附遵循一级反应动力学，固液界面只存 在物理吸附作用。通过比较煤水界面的吸附性能与水煤浆的成浆性能，结果表明 吸附饱和的最低平衡浓度与降粘效应对应的最低添加量有较好的相关性。 实验以木质素磺酸钠为原料，通过在碱性条件下的m a n n i c h 反应、缩合反应， 使长链烷烃十二胺接枝到木质素磺酸钠大分子上。缩合后产物的重均分子量从 9 9 9 2 提高到1 4 8 7 5 ，改性产物与焦磷酸钠、0 p 一3 0 复配能够改善产品的综合制浆 性能。随着o p 一3 0 添加量的增大，水煤浆2 4 h 、7 2 h 浆体结构稳定性提高；随着 焦磷酸钠添加量的增大，水煤浆的黏度降低。在o p 一3 0 、焦磷酸钠添加量分别为 o 0 7 5 、0 0 6 时，制浆性能可达到最佳。 对改性前后木质素磺酸钠在水溶液中的聚集状态进行e s e m 分析研究，结果 表明：木质素磺酸钠在不同p h 的溶液中呈现不同的分子聚集状态。p h 为7 5 的 溶液中木质素磺酸钠分子相对较分散，簇状胶体相对较少。改性木质素磺酸钠溶 液大分子在溶液中基本呈单个球形状态分布，这有利于增加其在煤表面的吸附速 率和吸附量。对煤表面的电位的测定表明：煤表面电位的变化不是决定煤颗粒 分散性能的唯一因素，吸附层厚度对其影响也较大。改性木质素磺酸钠虽在增强 静电排斥方面不占优势，但在煤表面形成的吸附层厚度、增加浆体游离水含量方 面均优于未改性木质素磺酸钠，使得其具有良好的制浆性能。 关键词：木质素磺酸盐；水煤浆；流变性能；吸附；分散稳定机理 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l i g n i ni s t h ea b u n d a n tn a t u r a lp o l y m e ro nt h ee a r t h ，a n di ti sa l s oak i n d o f i m p o r t a n tr e p r o d u c i b l er e s o u r c e s a l o n gw i t ht h er e s o u r c ec r i s i so fw o r l dg r a d u a l l y s e r i o u sa n dr e q u e s tt ot h e e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i n c r e a s i n g ， t h e s t u d y a n d a p p l i c a t i o no nl i g n i na n di t s d er i v a t i v e sa t t a c hi n l p o r t a n te x t e n s i v e l ya th o m ea n d a b r o a db e c a u s eo ft h ea b u n d a n tr a wm a t e r i a ls o u f c e ，p r i c ec h e a p n e s s ，n op o i s o n o u s ， t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ed i v e r s i f i c a t i o na n db ee a s yt om o d i f i c a t i o n l i g n o s u l f o n a t e si s a p p l i e di ni n d u s t r yw i d e l ya sa na n i o ns u r f a c t a n t ，b u ti t c a n ts a t i s f yt h er e q u e s ts t i l li n t h ec w si n d u s t r y t h e r e f o r e ，t h ec w sa d d i t i v e so f t h eh 培hp e r f o r m a n c et a “n gt h e l i g n o s u l f o n a t e sa st h er a wm a t e r i a l ，n o to n l yc a nm a k ef u l lu s eo ft h ei n d u s t r i a li i g n i n i nt h ew a s t el i q u i dp u l p i n gi n d u s t r y ，b u ta l s oh a v et h er e a l i s t i cm e a n i n gf o rs o l v i n g o u rc o u n t r ye n e r g yc r i s i s ，r e d u c i n gt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n dk e e p i n g s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ep u i p i n gp r o p e r t ya n dr h e o l o g i c a l p r o p e r t yo fc w su s i n gl i g n o s u l f o n a t e sa st h ec w sa d d i t i v e t h ea d s o r p “o nc o u r s ea t c o a l w a t e ri n t e r f a c ew e r es t u d i e df r o mt h ea s p e c t so fa d s o r p t i o nt h e r m o d y n a m i c s ， d y n a m i c sa n ds oo n t h er e l a t i o n sb e t w e e na d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h ec o a ls u r f a c e a d s o r b i n gs la n dt h ep u l p i n gp r o p e r t y w e r ea n a l y z e d f r o ma b o v es t u d y ，t h e d e f i c i e n c yo fl i g n o n s u l f o n a t e sa st h ec w sa d d i t i v ew a sf o u n do u ta n dt h ei d e aa n d m e t h o do fm o d i f i e ds lw e r ep u tf o r w a r da n dt h ee x c e l l e n tc w sa d d i t i v ew a s d e v e l o p e d t h em e c h a n i s mo fs ld i s p e r s i n ga n ds t a b i i i z i n gt h ec o a lp a r t i c l ew a s d i s c l o s e do nt h eb a s i so fm o d i f i c a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ep u l p i n gp r o p e r t yo fs li sb e t t e rt h a nm a g n e s i u ms a l t ， c a l c i u ms a l to fl l g n o s u l f o n a t e s ，b u tt h ew e a k e s tf o rt h es t a b i l l t y t h eh i g h e s tp u l p i n g c o n c e n t r a t ef o rs la d d i t i v ei su pt o7 1 1 7 a n dt h eg r e a t e s ts t i r r i n gi n t e n s i o ni s1 2 0 0 r ，m i na d d i n gs l ，b o t ha s p e c t sa r ew e a k e rt h a nn a p h t h a l e n es e r i e sa d d i t i v e t h e a d d i t i o no fm e t a li o na d j u s t i n ga d d i t i v e ss o d i u mp y r o p h o s p h a t e ，s o d i u mc a r b o n a t e a n de d t ac a nr e p r e s st h eh i g hv a l e n c em e t a li o nt h a tt h ec o a ls u r f a c ed i s s o l v e dt o i m p r o v et h ep u l p i n gp r o p e r t yo fc w s u s e ds la d d i t i v e t h es t u d yo ft h er h e o l o g yo fc w sa d d i n gs ls h o w st h a tt h ep s e u d o p l a s t i c so f s u s p e n s i o ni sw e a k e nw h e nt h ep u l p i n gc o n c e n t r a t i o ni sb e y o n d6 8 5 w t a l is l f r a c c i o n so fr e l a t i v em o l e c u i a rw e i g h th a v et h ec h a r a c t er i s t i c so fs h e a r i n gt h i n n e s s ， a n dt h er e l a t i v em o l e c u l a rw e i g h ts c o p eo f10 0 0 0 一2 0 0 0 0h a st h eb e s tr h e o l o g i c a l a b i l i t y t h ev i s c o s i t yo fs h e a r e ds l o w l yc w sw i l li n c r e a s et h r o u g hap e r i o do ft i m e ， i i i 华南理工大学博士学位论文 b u tt h ev i s c o s i t yo fs h e a r e dq u i c k l yc w sk e e p sc o n s t a n t t h ec o n t e n ti n c r e m e n to f s u l f o n i cf u n c t i o n a lg r o u p ，c a r b o x y l i cf u n c t i o n a lg r o u p ，h y d r o x y lf u n c t i o n a lg r o u pi n t h es lm o l e c u l a rh a v es e l d o mi n n u e n c eo nt h er h e o l o g yo fc w s ，b u tt h ec o n t e n t i n c r e m e n to fs u l f o n i cf u n c t i o n a lg r o u p ，c a r b o x y l i cf u n c t i o n a lg r o u pc a ni n c r e a s et h e i n i t i a ly i e l ds t r e s s t h er h e o l o g i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h er h e o l o g i c a lm o d e lc o u l ds i m u l a t et h er h e o l o g yo f c w si nd i f f e r e n tm a s sc o n c e n t r a t i o n s a n da l s op r o v i d et h ed i r e c t i o nu n d e rt h e c o n d l t l o no fd l f f e r e n tt e m p e r a t u r eo fs h e a r i n ga p p l l c a t i o n t h es t u d yo fs la d s o r b i n gt h ec o a lp a r t i c l ea tc o a l w a t e ri n t e r f a c es h o w st h a t ： t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r mp r e s e n t st h elt y p ei nt h ea d s o r p t i o no ft h ec o a ls u r f a c e a d d i n gs l ，w h i l ec a l c i u ma n di r o ns a l to fl i g n o s u l f o n a t e si s o t h e r mp r e s e n tt h est y p e ， t h eg r e a t e ra b i h t yt oa d s o f bt h ec o a lp a r t i c t ei ss l t h er e s e a r c ho fd i f f e r e n tr e l a t i v e m o l e c u l a rw e i g h ts la d s o r b i n gc o a lr e v e a l st h a tt h ea d s o r p t i o nb e l o n g s t ot h e l a n g m u i rt y p e ，a n dd e s o r p t i o ne a s i l yi sb e c a u s et h e r ei sn oo c c u r r e n c em u i t i p l e s p o t a d s o r p t i o n t h ea d s o r p t i o na d d i n gs la d d i t i v e i sa ne x o t h e r m a la n ds p o n t a n e o u s p r o c e s sa t3 0 6 0 ；t h ee n t r o p yv a l u ei sp o s i t i v e ，b e c a u s es la d s o r b i n gc o a l a t c o a l w a t e ri n t e r f a c ec a u s e sm o r ew a t e rm o l e c u l ed i s o r d e r l yt om o v ef r o ms o l l dt o l i q u i dm u t u a 儿yt om a k et h em o l e c u l em o v em o r ed i s o r d e r e da ts o l i d n q u i di n t e r f a c e w i t ht h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yi o rs li n c r e a s i n go nt h ec o a l ，t h es o l i d l i q u i di n t e r f a c e f r e ee n e r g yc a nl o w e rg r a d u a l l y t h ea d s o r p t i o nf o l l o w sf i r s t - o r d e rr e a c “o nk i n e t i c s i nt h ea d s o r p t i o no ft h ec o a ls u r f a c e ，a n do n l yh a st h ep h y s i c a lf o r c e sa c t i o na t s o l i d l i q u i di n t e r f a c e c o n t r a s t i n ga d s o r p t i o np r o p e r t ya tt h ec o a l w a t e ri n t e r f a c ew i t h t h ep u l p i n gp r o p e r t ys h o w st h a tt h el o w e s tb a l a n c ec o n c e n t r a t i o ni nt h e s t a t eo f a d s o r p t i o n s a t u r a t i o nh a sc o r r e l a t i o nw i t ht h el o w e s td o s a g ei nt h es t a t eo f d e c r e a s i n g v i s c o s i t ye f f e c t t h el o n gc h a i ns u b s t a n c eo fl a u r y la m i n eh a sb e e ng r a f t e dt os lm o l e c u l a r ， t a k i n gs la st h er a wm a t e r i a l ，u n d e rt h ea l k a l i n ec o n d i t i o no fm a n n i c hr e a c t i o n ， c o n d e n s a t i o nr e a c t i o n t h ea v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to fc o n d e n s a t i o nr e a c t i o n p r o d u c tc h a n g e sf r o m9 9 9 2t o1 4 8 7 5 t h ec o m p a t i b i l i t yo fm o d i f i e dp r o d u c t ，s o d i u m p y r 。p h o s p h a t ea n d ( ) p 一3 0c a ni m p r o v et h es y n t h e t i c a lp u l p i n gp r o p e r t y t h es t r u c t u r e s t a b i l i t yo fc w s a t2 4 h ，7 2 hi si m p r o v e dw “ht h ei n c r e m e n to f0 p 一3 0 ；t h ev i s c o s i t y d e s c e n d sw i t ht h ed e c r e a s eo fs o d i u mp y r o p h o s p h a t e t h ep u l p i n g p r o p e r t y i s o p t i m u mw h e nt h ed o s a g eo fo p 一3 0i so 0 7 s w t ，s o d i u mp y r o p h o s p h a t eo 0 6 w t t h ee s e ma n a l y s i ss h o w st h a ts lt a k e so nt h ed i f f e r e n tc o n g r e g a t i n gs t a t e si n v a b s t r a c t d i f f e r e n tp ha q u e o u ss o l u t i o n t h es lm o l e c u l ei se v e nd i s p e r s e di np h7 5s o l u t i o n ， s e l d o mc o l l o i dc l u s t e r t h em o d i f i e ds lm o l e c u l a rp r e s e n t sag l o b a la p p e a r a n c et o d i s t r i b u t ei nt h es o l u t i o n ，t h i si sa d v a n t a g e o u st o i n c r e a s i n gt h ev e l o c i t ya n dt h e a d s o r p t i o n c a p a c i t yi n t h ea d s o r p t i o no ft h ec o a ls u r f a c e t h ed e t e r m i n a t i o no f e l e c t r i cp o t e n t i a lo ft h ec o a ls u r f a c es h o w st h a tt h ec h a n g eo ft h ec o a ls u r f a c ee l e c t r i c p o t e n t i a li s n o tu n i q u ef a c t o rt h a td e c i d e st h ec o a lp a r t i c l ed i s p e r s i n g i ts h o u l dj u d g e t h ep u l p i n gp r o p e r t yb yt h ee l e c t r i cp o t e n t i a la n dt h ea d s o r p t i o nl a y e rt h i n n e s sm a i n l y t h o u g hg x s ld o e sn o tg a i na d v a n t a g ei nt h ea s p e c t so fs t r e n g t h e n n i n gt h es t a t i c r e p u l s i o n ， t h e a d s o r p t i o nl a y e rt h i c k n e s sa n dt h ei n c r e m e n to ff r e ew a t e ri nt h e c o a l w a t e rs u s p e n x i o na r eb e t t e rt h a nu n m o d i f i e ds lt om a k ei th a v eb e t t e rp u l p i n g p r o p e r t y k e y w o r d ：l i g n o s u l f o n a t e s ；c o a l w a t e rs l u r r y ；r h e o l o g y ；a d s o r p t i o n ：m e c h a n i s mo f d i s p e r s i o na n ds t a b i l i z a t i o n v 华南理工大学博士学位论文 a a a d c c 。 c d 崎h 埘、s 啊 d d m m f d 4g h g l 4h k m 七， 也 m m hj n n p 尺 4 s s v l ，v 2 v i 。v 2 | y 怕d ， w j 物理量名称 h a m a k e r 常数； 检偏器的方位角，。； 煤样的干燥基灰分，； 四丁基氢氧化铵标准溶液的摩尔浓度，m o l ，l ； 煤的百分重量，； 煤样中固定碳、氢、硫元素的含量，； 膜厚，n m ； 无水无矿物质基，； 成浆性判断指标； 自由能变，k j m o l ； 煤样的可磨性指数： 吸附焓，k j m o l ； 能达到的最大固体体积分数的函数： 吸附单体的平衡常数； 表面胶团的平衡常数； 放大倍数； 测试样品的绝干质量，g ； 空气折射率； 薄膜折射率； 衬底的折射率； 起偏器方位角，。； 摩尔气体常数； 熵变，k j ( m 0 1 k ) ； 固体粒子的结构系数； 内标物空白滴定时一级微商曲线上的两个峰值，m l 试样滴定时一级微商曲线上的两个峰值，m l ； 滴定试样时标准n a 2 s 2 0 3 溶液用量，m l ： 空白滴定所用标准n a 2 s 2 0 3 溶液用量，m l ； 煤样的干燥无灰基挥发分，： 木质素磺酸钠的质量，g 。 v 符号表 n d f s l g x s l e d t a c w s o p 一3 0 e s e m 希腊字母 煤的平衡湿度，： 相邻二束反射光的相位差； 表观黏度，m p a s ： 相对黏度，m p a s ： 光波在第一界面的入射角； 光波在第一界面的折射角； 光波在第二界面的折射角； 双电子层厚度的倒数，m 一 剪切速率，s 一； 吸附量，m g 儋； 极限吸附量，m g 儋； 光波在真空中的波长，n m ； 电动电位，m v ； 煤的真正密度，g ，c m 3 ； 水的密度，g c m 3 ； 剪切应力，p a ： 固体体积分数； 最大固体体积分数。 简称或代号 萘系高效水煤浆添加剂 木质素磺酸钠； 改性木质素磺酸钠； 乙二胺四乙酸二钠； 水煤浆； 壬基酚聚氧乙烯醚： 环境扫描电镜。 v i i ， r ， 2 j ， w m 盯 “町 叮 护 伊 伊 髟 r l 1 厂 p p r 曲 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：7 $ i h 日期：砸广年彭月f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2 扪彳年月旷日 日期：加旷年月 第一章概论 第一章概论 1 1 水煤浆的研究进展概述 1 1 1 我国能源的发展状况及国家发展水煤浆的政策 我国是能源消耗大国，1 9 8 9 年原煤产量已超过l t 0 9 t ，在全国能源的总消耗 中，煤炭占7 5 左右，石油占1 7 左右，其能源生产的构成如表l l 所示。 表卜1 能源生产总量及构成” t a b 1 - lg r o s sa n dc o n s i s t e n to fe n e r g ys o u r c e s 能源和环保是关系到社会可持续发展的关键所在。我国能源结构中，油气资 源相对贫乏，人均石油资源量和人均产油量仅为世界平均水平的1 8 和2 1 ，石 油供需矛盾日益突出。相对于油气资源而言，我国煤炭资源相对丰富，一次能源 以煤为主的格局在相当长的时间内难以改变。但我国目前燃煤利用效率较低，对 环境污染严重，由此导致的酸雨、温室效应和臭氧层枯竭严重威胁到人类的生产 和生活。未来能源环境突出，发展“洁净煤技术”是现实的选择，水煤浆技术是 其中的一种清洁煤技术。水煤浆技术是我国现阶段适宜的代油、环保、节能技术。 发展水煤浆技术，用煤制取清洁燃料，以煤代油，是我国能源长期稳定发展的战 略选择和现实选择。 发展水煤浆工业应用，不仅符合早期国家制定的“以煤代油、压缩烧油”的能 源政策和环保政策，还被列为1 9 8 9 年国务院关于当前产业政策要点的决定中 重点支持的产业、产品；1 9 9 7 年修订的外商投资产业指导目录、中国高新技 华南理t 大学博士学位论文 术产品出口目录，1 9 9 9 年国家经贸委发布的近期行业技术发展重点，2 0 0 1 年 国家经贸委发布的当前国家重点鼓励的产品技术和产业目录中也将发展水煤 浆技术列为重点发展技术；2 0 0 1 年国家计划发展委员会发布的国民经济和社会 发展第十个五年计划能源发展重点专项规划和当前优先发展的高新技术产业 化重点领域指南中也把水煤浆作为加快开发和推广应用的洁净煤技术之一，逐 步提高清洁利用水平和利用效率，从而更好地保护环境，走可持续发展之路。2 0 0 1 年原国家经贸委发布的节约和替代燃料油“十五”规划中指出：到2 0 0 5 年全国 节约和替代燃料油1 6 0 0 万吨，包括用于发电的燃油和柴油以及用作化工原料的轻 油。国家已将发展水煤浆技术定为能源消耗结构调整和环境保护的一项战略措施， 列入2 l 世纪发展议程。 受2 0 世纪7 0 年代石油危机的冲击，加上煤炭资源丰富，价格便宜，水煤浆 的加工方法简单，与煤的气化、液化相比投资少成本低，水煤浆技术的开发应用 研究迅速蔓延到世界各国。短短十年，水煤浆技术己达到工业应用水平。以其工 艺简单、经济可行，实现了煤无需化学转化、只经物理加工即可达到以煤节油、 以煤代油的目标。只是由于石油价格的原因未被广泛应用，而作为一项新技术贮 备起来。目前，包括我国在内的美国、瑞典、加拿大、法国、意大利、日本等二 十几个国家拥有此项技术，并在不同程度上开展了大规模的工业开发试验。 水煤浆是一种新型低污染代油燃料，它既保持了煤炭原有的物理特性，又具 有石油一样的流动性和稳定性，成为液态煤炭产品。水煤浆是由6 0 7 0 煤粉 与3 0 4 0 的水分及l 的化学添加剂混合而成的粗分散体系。制造水煤浆的 原料经过洗选后，含硫量大为降低，燃烧后产生的飞灰量及二氧化硫含量较一般 的燃煤锅炉低。由于水煤浆含有3 0 4 0 的水分，使水煤浆火焰温度比粉煤燃 烧时低1 5 0 2 0 0 。另外由于水煤浆在燃烧时的还原作用，会使n o 。还原为n 2 。 可见，水煤浆燃烧时的氧化氮的排放量很低，所以通常把水煤浆称为低污染燃料。 水煤浆分散剂是水煤浆技术成功与否的关键。 1 1 2 国内外水煤浆技术的发展现状及市场前景 1 1 2 1 国外水煤浆发展前景目前，日本有5 0 万t ，a 的制浆厂和经管道运输至 电厂的工业示范项目。日本还注意水煤浆专用锅炉的制造研究，与中国合作进行 的2 2 0 t h 水煤浆专用锅炉可同时装备烧油系统，是中日两国合作的绿色援助计划 之一。 法国艾米路希电厂是世界上最为成功的煤泥水煤浆用户，该厂3 6 7 t ，h 循环流 化床锅炉燃用煤泥制成的水煤浆，低位发热量1 0 4 7 m j ，蝇，燃烧效率9 8 。 美国结合煤气化联合循环发电( i g c c ) 和德士古气化工艺，对超低灰水煤浆直 接在燃气轮机上燃烧的技术进行了系统研究，目前该技术系统在继续研究之中 第一章概论 l _ 1 2 2 我国水煤浆技术发展现状及其前景 1 发展现状我国自1 9 8 2 年开始，经历了“六五”到“九五”4 个五年计划的攻 关，共取得水煤浆技术重大科技成果3 3 项，在技术开发、工业化制浆及燃烧等方 面具备一定基础和能力，技术已趋于成熟，能满足工业化应用的基本要求。截止 2 0 0 2 年底，我国共有水煤浆厂1 5 座，设计能力约为4 2 6 m “a ，水煤浆厂的数量和 总生产能力均居世界第一位。 经过多年的研究与开发，我国已形成符合自己特点的水煤浆系统技术，培养 了一支具有较高水平的科研、设计、生产和管理的科技队伍，建立了以国家水煤 浆工程技术研究中心为核心的科研开发、工程转化与生产制造的技术推广网络。 主要包括国家水煤浆工程技术研究中心( 工艺系统集成、技术研究、推广应用) 、 中国矿业大学北京校区( 制浆工艺和技术研究) 、浙江大学( 水煤浆燃烧技术开发) 、 北京煤炭设计研究院( 工程设计) 、平顶山选煤设计院( 工程设计) 、南京大学和淮 南合成材料厂( 添加剂的研制与生产) 、煤科总院唐山分院管运所( 水煤浆的输送) 、 中科院力学所和北京科技大学( 锅炉、窑炉燃用水煤浆技术) 等单位。 2 我国水煤浆代油燃烧市场前景我国燃料油消费量大，由于油价上涨， 企业为了生存和发展，被迫改烧粉煤或水煤浆。“十五”期间，水煤浆年需求量在 2 0 0 万吨左右2 1 。因此，水煤浆代油燃烧的主要市场在石油石化和电力行业，区域 上以广东省为主。 从将来可能的水煤浆市场需求情况看：电站锅炉燃用水煤浆约为4 3 3 5 1 5 万 吨，占总用浆量8 0 0 万吨的5 5 6 5 ，其它为供热锅炉或工业窑炉。因此，燃油 电站将是水煤浆代油的最大市场，燃油相对集中的广东、辽宁、山东等地区是水 煤浆代油的重点地区。 1 1 2 3 水煤浆的适用领域水煤浆是洁净煤技术的一种，在以下领域中有一定 的适用性： 1 水煤浆为气化原料煤气化作为洁净煤技术的重要组成部分，具有龙头地 位。t e x a c o 气化炉是采用水煤浆进料的加压气流床粉煤气化技术，水煤浆中水分 作为气化剂。该技术具有工艺流程简单，不污染环境，煤种适应广，单炉生产能 力大，进料连续易控等特点，成为当前世界上发展最快的第二代煤气化技术。该 工艺己在合成氨、甲醇、洁净煤气化联合循环发电等方面得到较为成功的应用。 2 水煤浆代油发电水煤浆代油发电有很好的经济性，水煤浆可成为一种代 替燃料油的较为经济的液态燃料，我国已建了示范项目，广东茂名热电l4 炉改烧 水煤浆，5 0 0 0 0 千瓦机组配2 2 0 t ，h 锅炉，于2 0 0 0 年底成功点火并网发电 3 】。 3 石油石化行业石油石化行业燃料油主要用于自备电厂发电供热、石油生 活采暖、炼油厂生产工艺用热及化肥厂的生产用原料和燃料等方面。在以上几方 面中，用于发电和供热的锅炉可以用水煤浆来代替。胜利石油目前已建成5 0 万t a 华南理工大学博士学位论文 的水煤浆厂，2 0 0 l 底已经投产，供油田的供热锅炉燃用，锅炉总容量2 2 0 t ，h 【3 】。 4 建材行业建材行业消耗燃料油主要在平板玻璃和建筑卫生陶瓷行业上。 目前，全国有条件进行水煤浆技术的陶瓷生产线约为1 0 0 0 多条，可替代燃油几十 万吨。 5 钢铁行业钢铁行业燃料油消费量主要用于轧钢加热炉、平炉、自备电厂 的发电供热、耐火材料等。钢铁行业的自各电厂发电、供热锅炉可以改为水煤浆 燃料。 6 化工行业化工行业的燃料油主要用在化肥、碳黑生产、原油加工的原料 和燃料以及生产、生活供热上。目前，全国已有四家化肥企业采用这一技术 3 】。 水煤浆可代替散煤在工业锅炉上燃用，具有节约占地、锅炉效率高、环保、节约 人力、便于实现自动化等特性，使得在一些环保要求高、场地受限的城市，越来 越多的企业关注燃用水煤浆的工业锅炉技术。 1 1 2 4 水煤浆代油、代煤燃烧综合效益分析文献【4 】对2 2 0 t h 电站锅炉燃用 不同燃料进行了经济比较：l t 水煤浆相当于o 7 6 t 煤粉、o 4 5 t 重油、0 4 3 9 t 柴油、 5 3 5 m o 天然气，燃水煤浆的发电成本高于煤粉但远低于燃重油、柴油和天然气， 说明水煤浆要在大型水电站代替煤粉燃烧的可能性很小，水煤浆在水电站的应用 只能放在代替燃油上。将燃用水煤的锅炉改造为燃用水煤浆的锅炉在经济上显然 是不合算的。 表1 22 2 0 t ，h 电站锅炉燃用不同燃料的比较 t a b 1 2 c o m p r i s o no fd i f f c r e n tf u e l si n2 2 0 t ，hp o w e rp l a n t 1 经济效益 1 ) 水煤浆与重油相比按现行价格计算，吨重油的出厂价为1 3 0 0 1 4 0 0 元，而水煤浆的出厂价为3 4 0 元，吨，2 2 2 吨水煤浆的热值相当于1 吨重油的热值。 每代替一吨重油可节约燃料费为1 3 0 0 3 4 0 2 2 2 = 5 4 5 2 ( 元) ，每代替一吨柴油则可 节约燃料费2 4 0 0 3 4 0 x 2 ，2 8 = 】6 2 4 8 ( 元) 。 2 ) 水煤浆与原煤相比一吨原煤的价格为2 9 0 元，其热值为2 5 1 2 lk j k g ， 而烧散煤的利用率低，燃烧效率一般只有4 5 5 0 左右，一吨原煤的实际发热量 4 第一章概论 只有1 1 3 0 4 1 2 5 6 0 k j 地；一吨水煤浆的价格为3 4 0 元，热值为1 9 2 5 9k j k g ， 燃烧效率在9 8 以上，一吨水煤浆的实际发热量在1 8 8 7 4k j k g 。1 以上。由此看来， 虽然水煤浆热值较原煤低，但由于其燃烧效率高，一吨水煤浆的实际发热量要远 高于一吨原煤的实际发热量。燃用水煤浆锅炉热效率也可大幅度提高。 2 社会效益用水煤浆代替燃煤和燃油，不仅可以充分利用和节省煤炭资 源，保护生态环境，还可节省因进口而花费的大量外汇。从能源结构构成来看， 水煤浆是由精煤加工而成，含硫量一般小于o 5 ，而重油的含硫量一般在2 左 右，原煤含硫量l 一2 。因此，燃烧水煤浆的二氧化硫排放量要远远低于燃油和 燃煤。在燃烧效率方面，水煤浆燃烧效率高，各项排放指标均达到环保要求，减 少环境污染，改善工人的劳动环境和居民的生活环境。 水煤浆具有着其它能源无可比拟的优越性，有着极高的推广应用价值，具有 广阔的发展前景。目前，由于国家产业政策的倾斜和用户