基于微孔与界面特性调控的褐煤水煤浆流变性改善机制研究

China possesses a large amount of lignite resources, mainly in east of Inner Mongolia. Because of high moisture content and spontaneous combustion characteristics, lignite's comprehensive utilization situation is not optimistic, which leads to a serious waste of resources. Lignite water slurry gasification is one of the currently accepted comprehensive utilization way, but for now it is ecnomicly un feasible due to the bad slurryablity and high agents' dosage. The substaintial factors that affect lignite's slurryability are: (1) That High prosity content causes high inner moisture content characterize the slurries as low concentration and high dosage consumption; (2) That high surface oxygen functional groups causes high interface hydrophilism make low dispersant effect and high slurry viscosity. To solve these problems, based on the theories of mechanics, surface chemistry, phisical chemistry, fluid mechanics and statistics, and started with the research of the characteristics of lignite micro-voids' spatial structure and surface functional groups, the various factors' influential mechanism to lignite pulping will be systematically studied, and also the basic principle, actional mechanism and effect of micro-voids' elimination treating and surface functional groups' deactivation treating. Through the research on dispersion mechanism of dispersent molecule, several particularly designed agents will be developed, and specialized gradation will be also designed to optimize particles' accumulation. According to all the results obtained in various studies, the effect of these optimization treatment will be identified to build the fundational theory for industrial application of lignite water slurries.

我国褐煤资源丰富，且主要集中于蒙东地区。褐煤因其内水分含量高和极易自燃等特性，造成储运困难。褐煤制备水煤浆气化是褐煤综合利用方式之一，但褐煤的成浆性能差，药剂消耗量大，导致经济上不可行。影响褐煤成浆性的主要因素是：（1）高孔隙率造成的高内水含量，导致成浆浓度偏低且药剂用量大；（2）高含氧表面官能团造成的界面亲水性强，导致分散剂效果差而浆体粘度偏高。针对此问题，本项目依据力学、表面化学、物理化学、流体力学和统计学等理论，从褐煤微孔空间结构和表面官能团的基本特性研究出发，系统研究各因素对褐煤成浆性的影响机理，以及褐煤消孔处理和官能团惰性化处理的基本原理、作用机制和效果，并通过分散剂的分散作用机理研究，揭示褐煤制浆药剂的分子间结构，同时优化颗粒级配模型的研究，建立褐煤制浆的级配模型和算法，最终根据各项研究的结果，构建褐煤水煤浆流变性的调控机制，为褐煤水煤浆的工业化应用提供理论基础。

本项目在颗粒学、界面科学等基础理论的指导下，针对褐煤成浆性差和加工利用困难的问题，结合水煤浆工业基本生产工艺要求，利用现代分析技术，系统研究了褐煤孔结构、表面性质等关键界面特性在不同预处理条件下的变化规律及其对褐煤水煤浆流变性的影响机制，形成了水煤浆流变性的理论调控方法，对工业实践应用具有良好的指导意义。项目主要取得了如下研究结果：1）建立了一套无关于生产处理方式和煤变质程度的浆体颗粒堆积数学模型，可以很好地指导制浆过程的煤粒度分布优化控制；2）不同提质加工方式（微波、水热、热风）下褐煤孔结构的变化是影响其可制浆浓度的关键机制之一，其中孔容积是关键影响因素，但其不影响流变形态，而相应的微孔、中孔和大孔间的分布主要影响的是颗粒内比表面积，并不直接作用于制浆过程；3）不同提质加工方式（微波、水热、热风）下褐煤表面结构的变化是影响其制浆浓度的另一关键机制，且表面含氧官能团（尤其是酸性基团如羧基、羟基）与煤颗粒表面水化膜厚度间具有良好的正相关性，从而不仅影响可制浆浓度，还将影响浆的流变形态；4）明确了煤种与分散剂间的匹配特性及其内在原因，指出褐煤因其发达的表面结构造成本身就具有极高的构建水化膜的能力，故而适宜于采用支链较短的线性低分子量分散剂来尽量降低水化膜厚度。从科学角度来看，本项目有序推进了水煤浆制备技术的发展，且使我们认识到水煤浆的本质是一种高浓度的具有固液稳定悬浮结构的两相流体，其中的煤颗粒（固相）具有一般颗粒学特征，而固、液间的特性匹配和交互作用是影响浆体流变特征的关键机制，因此项目的主要研究成果可以为其他行业的相似研究提供有价参考。从生产实践来看，本项目的研究结果可以为水煤浆制备工艺和药剂开发提供指导性意见。