正交設(shè)計(jì)在水煤漿添加劑配方研究中的應(yīng)用

李巧云 肖林久

摘 ?????要： 針對(duì)水煤漿制備過程中難以確定適宜添加劑配方的問題，將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)用于水煤漿添加劑組分及配比的研究。以撫順老虎臺(tái)水洗精煤制備60%水煤漿為例，進(jìn)行正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定添加劑配方。結(jié)果表明，在水煤漿添加劑確定中應(yīng)用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)是一種非常有效的方法，可以通過較少試驗(yàn)次數(shù)，得到性能優(yōu)異的水煤漿添加劑配方。

關(guān) ?鍵 ?詞：水煤漿;正交設(shè)計(jì);分散劑

中圖分類號(hào)：TQ 536 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）03-0593-04

Application of Orthogonal Design?in the Study of

Additive Formulation?of?Coal Water Slurry

LI Qiao-yun， XIAO Lin-jiu^*

（Key Laboratory of Rare Earth Chemistry and Application of Liaoning Province， Liaoning Shenyang?110142， China）

Abstract： In order to solve the problem that it was difficult to determine the appropriate additive formulation in the preparation of coal water slurry， orthogonal design test was applied to the study of additive composition and proportion of coal water slurry. Taking the preparation of 60% coal water slurry from Fushun Laohutai cleaned coal as an example， the additive formula was determined by orthogonal design test. The results showed that the orthogonal design test was a very effective method in the determination of coal water slurry additives， and the formula of coal water slurry additives with excellent performance could be obtained by less test times.

Key words： coal water slurry; orthogonal design; dispersant

水煤漿是由60%左右的煤、40%左右的水和少量添加劑組成的一種新型、高效的煤基清潔燃料和氣化原料^[1]。將煤炭從傳統(tǒng)的固體燃料通過物理方法轉(zhuǎn)化為一種流體燃料，具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。使其可以像重油一樣長(zhǎng)距離泵送、管輸、船載和霧化燃燒的煤炭產(chǎn)品。常用于工業(yè)爐窯、電站鍋爐和工業(yè)鍋爐^[2，3]，在冶金、化工、石油、發(fā)電、建材、輕工、工業(yè)取暖、節(jié)能減排和城市供熱等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景^[4-6]。

水煤漿中的煤炭粒度較細(xì)，具有較高的比表面積，且煤炭是不容易被水潤(rùn)濕的疏水性物質(zhì)，容易產(chǎn)生煤水分離的現(xiàn)象。在制備水煤漿的過程中需要添加適宜的添加劑來改變煤粒的表面性質(zhì)，促進(jìn)煤粒在水介質(zhì)中的穩(wěn)定分散。水煤漿添加劑種類和用量的不同，制漿效果會(huì)有較大差別^[7-9]。工業(yè)上經(jīng)常需要投入大量時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)來研究確定適合所用煤質(zhì)的添加劑^[10，11]。將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的優(yōu)化方法應(yīng)用于水煤漿添加劑的研究，可以提高試驗(yàn)效率，避免盲目性實(shí)驗(yàn)，通過有限的試驗(yàn)次數(shù)得到性能優(yōu)異的水煤漿添加劑配方。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試劑與儀器

試劑：試驗(yàn)煤樣為撫順老虎臺(tái)水洗精煤;奈系磺酸鹽，浙江開盛化工有限公司;木質(zhì)素磺酸鹽，濟(jì)南青玉元新材料有限公司;聚羧酸，遼寧科隆精細(xì)化工股份有限公司;氫氧化鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;阿拉伯膠，湖北恒景瑞化工有限公司;聚丙烯酰胺，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：QM-5型實(shí)驗(yàn)滾筒球磨機(jī)，長(zhǎng)沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司;BSR24S型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;NXS-4C型水煤漿黏度計(jì)，成都儀器廠。

1.2 ?水煤漿的制備

水煤漿的制備采用濕法制漿工藝^[12]，所用煤樣為粒徑小于3 mm的撫順老虎臺(tái)水洗精煤，制漿總量為300 g。設(shè)定水煤漿濃度為60%，研究考察的添加劑用量為煤干基的0.6%，其計(jì)算方法如下。

水煤漿濃度= ×100% ???（1）

式中：m₁—除去內(nèi)水后的干煤質(zhì)量，g;

m₂—煤的質(zhì)量，g;

m₃—水的質(zhì)量，g;

m₄—添加劑質(zhì)量，g。

根據(jù)設(shè)定的水煤漿濃度和添加劑用量計(jì)算煤粉、水和添加劑的用量。將添加劑放入燒杯中加水溶解，攪拌均勻后，將煤粉、水和添加劑放入球磨機(jī)中，以300 r/min的條件下研磨一定時(shí)間，得到水煤漿成品。

1.3 ?水煤漿的性能檢測(cè)

采用測(cè)定析水率方式評(píng)價(jià)水煤漿穩(wěn)定性。將制備的水煤漿混合均勻，并緩慢倒入50 mL量筒中，倒入過程中盡量使水煤漿不要粘在量筒內(nèi)壁上。根據(jù)設(shè)定的水煤漿濃度計(jì)算量筒內(nèi)水煤漿水分總質(zhì)量。將量筒密閉放置7 d后，用膠頭滴管取出量筒內(nèi)析出的水并測(cè)量水的質(zhì)量，其析水率計(jì)算方法如下。

析水率，% = ×100% ???????（2）

式中：m₁—水煤漿放置密閉容器7 d后上層清液質(zhì)量，g;

m₂—水煤漿原有水分總質(zhì)量，g。

在溫度為25 ℃時(shí)，采用NXS-4C型水煤漿黏度計(jì)測(cè)定剪切速率為100 s^-1時(shí)水煤漿的表觀黏度，以水煤漿的表觀黏度評(píng)價(jià)水煤漿流變性^[13]。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ?正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中指標(biāo)的確定

水煤漿的穩(wěn)定性和流變性是評(píng)價(jià)水煤漿好壞的重要特征^[14]。通常采用水煤漿表觀黏度評(píng)價(jià)水煤漿流變性，水煤漿黏度過高會(huì)使水煤漿流變性變差，黏度過低會(huì)使水煤漿穩(wěn)定性降低，水煤漿的表觀黏度在500（100 s^-1）/（mPa·s）～1 000（100 s^-1）/（mPa·s）之間為宜;水煤漿穩(wěn)定性可用靜置觀察法、插棒法、冷凍法、倒置法、析水率法等不同方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中靜置觀察法、插棒法和冷凍法，人為主觀因素影響過大;使用倒置法倒置水煤漿過程中，水煤漿形成的硬沉淀容易滑落，以上幾種方法都難以客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水煤漿穩(wěn)定性。而析水率是以制得的水煤漿密閉靜置一定時(shí)間后，通過觀察水煤漿的析水情況，來比較直觀表現(xiàn)水煤漿穩(wěn)定性，間接說明水煤漿添加劑性能。析水率越小，表明水煤漿穩(wěn)定性越高。本文以制得的水煤漿表觀黏度和7 d析水率作為考察的指標(biāo)。

2.2 ?正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中因素和水平的確定

根據(jù)水煤漿添加劑中不同組分的功能，可分為分散劑、穩(wěn)定劑和一些輔助添加劑^{[15，16]}。目前工業(yè)上應(yīng)用廣泛的為成本較低的木質(zhì)素磺酸鹽、奈系磺酸鹽和聚羧酸分散劑^[17-20]，使用阿拉伯膠或聚丙烯酰胺作為穩(wěn)定劑。本文采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法來確定水煤漿添加劑組分及用量。通過探索實(shí)驗(yàn)確定奈系磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸復(fù)配分散劑不同配比（A）、氫氧化鈉用量（B）、阿拉伯膠用量（C）和聚丙烯酰胺用量（D）為因素，各因素的考察水平如表1所示。

2.3 ?正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)選定的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素和水平，選取L₉（3⁴）正交表安排4因素3水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)中水煤漿添加劑用量為煤干基的0.6%，其中復(fù)配分散劑用量為添加劑總量減去其它添加劑的余量。以制得的水煤漿表觀黏度（100 s^-1）/（mPa·s）（a）和7 d析水率/%（b）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

對(duì)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，有綜合評(píng)分法和綜合平衡法兩種方法。綜合評(píng)分法是將多指標(biāo)問題通過各指標(biāo)的值與各指標(biāo)的權(quán)重乘積之和的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃笜?biāo)問題進(jìn)行結(jié)果分析，其中指標(biāo)權(quán)重的確定非常關(guān)鍵。綜合平衡法是分別對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，將各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)條件進(jìn)行綜合平衡，得到兼顧每個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)條件^[21，22]。水煤漿的表觀黏度和析水率對(duì)水煤漿性能評(píng)價(jià)都非常重要，難以準(zhǔn)確確定各個(gè)指標(biāo)具體的權(quán)重，綜合評(píng)分法不宜采用。本文使用綜合平衡法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3.1 ?正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)極差分析

正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算如表3所示。將水煤漿指標(biāo)表觀黏度記為K_a，7?d析水率記為K_b，?按各因素a指標(biāo)和b指標(biāo)的各水平之和記為K_a1、K_a2、K_a3、K_b1、K_b2、K_b3。按各因素a指標(biāo)和b指標(biāo)各水平的平均值記為k_a1、k_a2、k_a3、k_b1、k_b2、k_b3。計(jì)算各因素相應(yīng)指標(biāo)的極差R：

R（k_i）_j=max（k_i）_j - min（k_i）_j（3）

式中：j—因素;

i—指標(biāo)。

根據(jù)表3中各項(xiàng)指標(biāo)的極差R值大小確定各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次。極差越大，表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響大，極差越小，表明該因素對(duì)指標(biāo)的影響小。

各因素的表觀黏度（a）極差值分別為：

R（k_a）_A=202，R（k_a）_B=231

R（k_a）_C=90，R（k_a）_D=85

說明：各因素對(duì)水煤漿的表觀黏度影響主次為氫氧化鈉用量>奈系磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸復(fù)配分散劑配比>阿拉伯膠用量>聚丙烯酰胺用量。

各因素的7?d析水率（b）極差值分別為：

R（k_b）_A=6.6，R（k_b）_B=9.5

R（k_b）_C=4.9，R（k_b）_D=5.2

說明：各因素對(duì)水煤漿的7?d析水率影響的主次為氫氧化鈉用量>奈系磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸復(fù)配分散劑配比>聚丙烯酰胺用量>阿拉伯膠用量。

2.3.2 ?最優(yōu)添加劑配比確定

進(jìn)一步分析各因素水平對(duì)水煤漿性能的影響。以各因素水平為橫坐標(biāo)，相應(yīng)指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制指標(biāo)因素關(guān)系趨勢(shì)圖如圖1。

從趨勢(shì)圖及因素主次可以看出，B因素氫氧化鈉用量對(duì)水煤漿表觀黏度和析水率影響最大，對(duì)于B因素的各水平，水煤漿表觀黏度和析水率呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，B因素三個(gè)水平的表觀黏度依次增加，而析水率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在選擇B因素水平時(shí)，從表觀黏度上看，B₃和B₂的表觀黏度都符合要求，從析水率來看，B₃析水率比B₂稍低，綜合考慮選取B₃最佳。

A因素奈系磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸復(fù)配分散劑配比對(duì)水煤漿表觀黏度和析水率影響僅次于B因素，從表觀黏度上看，A₂表觀黏度比A₁稍低，A₃大幅降低且黏度低于500（100?s^-1）/（mPa·s）。A因素的析水率先下降后升高，A₂時(shí)析水率最小，因此把復(fù)配分散劑配比定為A₂。

從極差分析可知C因素和D因素為次要因素，并從趨勢(shì)圖可以看出兩個(gè)因素對(duì)水煤漿的各性能影響均不大。C因素和D因素各水平的表觀黏度都處于500（100?s^-1）/（mPa·s）～1?000（100?s^-1）/（mPa·s）之間，因素各水平對(duì)表觀黏度影響較小，對(duì)析水率有明顯影響。C因素的三個(gè)水平的析水率呈折線狀，在表觀黏度都符合要求的情況下，選擇析水率最低的C₂作為阿拉伯膠用量;D因素聚丙烯酰胺用量的三個(gè)水平的析水率依次下降，取析水率最低的D₃最好。綜合考察兩個(gè)指標(biāo)，選取A₂B₃C₂D₃作為最優(yōu)添加劑組分配比。

2.4 ?最優(yōu)化條件試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可確定出最優(yōu)化的組分及配比條件A₂B₃C₂D₃，即奈系磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鹽和聚羧酸復(fù)配分散劑配比為A₂，氫氧化鈉用量為4%，阿拉伯膠用量為2%，聚丙烯酰胺用量為2%。以該條件配制添加劑，得到的水煤漿性能測(cè)試結(jié)果如下。

表觀黏度：776（100?s^-1）/（mPa·s）;

7?d析水率：2.0%。

水煤漿表觀黏度在500（100?s^-1）/（mPa·s）到

1?000（100?s^-1）/（mPa·s）之間，符合產(chǎn)品對(duì)表觀黏度的要求。7?d析水率與正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中較好的2號(hào)、3號(hào)和6號(hào)試驗(yàn)結(jié)果相比，7?d析水率降低，水煤漿穩(wěn)定性提高。符合優(yōu)化預(yù)期結(jié)果。

3 ?結(jié)論

在研究水煤漿添加劑組分及配比時(shí)，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)是一個(gè)非常有效的方法，通過有限的試驗(yàn)次數(shù)，尋找到最優(yōu)配比結(jié)果，得到性能優(yōu)異的水煤漿添加劑配方。

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