煤粉分散稳定性的影响因素分析_李超.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY Suitable dosage of SDS dispersant and lower concentration of pulverized coal were beneficial to dispersion stability, the mass concentration of dispersant 1.52.5 g/L and the mass concentration of pulverized coal less than 30g/L were more suitable for the stable dispersion of pulverized coal; Dispersant changed its vis- cosity, increased the carrying capacity, meanwhlile viscosity would not affect the flow-back effect of washing liquid in the washing process. Keywords CBM; pulverized coal; dispersant; dispersion stability 煤层气排采过程中普遍存在煤粉产出问题[1-3]。 煤粉产出造成的卡泵、埋泵等是影响煤层气连续稳 定排采的主要因素之一[4-6]。天然疏水的煤粉容易在 井底或管柱内壁结块或聚团沉降形成煤泥，降低煤 层气井产气和产水速率，因此近井地带的煤粉返排 是煤粉管控工艺处理措施中不可避免的问题。 不同学者从钻井液、压裂液以及洗井液等角度 研究了加入分散剂对煤粉返排效果的影响，分散剂 的加入可以改变煤颗粒表面的润湿性，降低液体表 面张力，在一定程度上可以促进裂隙中煤粉的分散 和运移[7-10]。目前关于在洗井液中添加分散剂降低 煤粉疏水聚团沉降的研究较少，笔者针对韩城区块 ChaoXingChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 46 卷 煤层气排采中特有的柱塞泵回注水冲洗煤粉工艺， 从改善洗井液提高煤粉的润湿性和分散性角度入 手，选取阴离子分散剂十二烷基硫酸钠SDS，以韩 城区块煤层气主采煤层太原组 11 号煤为研究对象， 通过沉降法和黏度测定法探究煤粉粒径、分散剂用 量及煤粉浓度各试验因素下SDS分散剂对煤粉分散 稳定性的影响，以期对改善煤层气井的洗井工艺效 果提供指导。 1 样品及实验方法 实验所用的煤样为鄂尔多斯盆地渭北煤田韩城 矿区太原组 11 号煤， 其宏观煤岩类型为半亮型煤， 显 微煤岩组分中镜质组体积分数占 72.7，惰质组体积 分数占 17.1，不含壳质组，无机矿物组分占 10.2， 其中无机矿物以黏土矿物为主，其体积分数占矿物组 分的 81.3。镜质体反射率 Rmax为 1.88，实验煤样 为贫煤。 阴离子分散剂十二烷基硫酸钠SDS， 为分析 纯，具有乳化效果相对较好、货源广、成本低的特点。 按照清水–分散剂–煤粉的顺序配置不同条件的 煤粉分散剂悬浮液，具体条件如下 a. 粒径对煤粉分散稳定性影响的实验条件 分散剂质量浓度为 2 g/L，煤粉质量浓度为 50 g/L， 煤粉粒径分 3 个粒度范围 ＜100 μm， 100200 μm， 200300 μm。 b. 分散剂浓度对煤粉分散稳定性影响的实验 条件 煤粉粒径小于 100 μm，煤粉质量浓度为 50 g/L，分散剂质量浓度为 0.5 g/L、1.0 g/L、1.5 g/L、 2.0 g/L 和 2.5 g/L。 c. 煤粉浓度对煤粉分散稳定性影响的实验条 件 煤粉粒径小于 100 μm，分散剂质量浓度 2.0 g/L， 煤粉质量浓度为 10 g/L、 20 g/L、 30 g/L、 40 g/L、 50 g/L。 在不同条件下进行沉降实验，观察不同时间煤粉 悬浮液中煤粉分散和沉降变化；抽取 100 mL 静置 2 h 和6 h后的悬浮液进行过滤、 烘干， 采用梅特勒ME204E 分析天平精确称量悬浮煤粉的质量，计算出 2 h 和 6 h 煤粉悬浮液质量浓度和煤粉质量浓度降低率。 悬浮液黏度测量将不同粒径的煤粉配置成 50 g/L 的悬浮液，分散剂质量浓度为 2 g/L，强力搅拌 30 min 后，用 KAKKEMARSⅢ流变仪以170 s-1的 剪切速率在 5 min 内读取平均黏度值，测定悬浮液 静置 6 h 后的黏度值。 2 结果与讨论 2.1 粒径对煤粉分散稳定性的影响 韩城区块煤层气排采过程中产出煤粉粒径分布 范围广，从 0.22 000 μm 大小不等，90的煤粉颗 粒粒度平均值在 210 μm 以下[11]。 将煤粉粒径分为 3 组200300 μm。 悬浮液静置初始状态，煤粉分散状态相似。随 着时间的延长悬浮液的稳定性质发生了明显的变 化，稳定性变差。① 清水悬浮液中的煤粉发生了明 显的分层现象。清水对200300 μm 煤粉悬浮液液面顶部均漂浮有少量煤粉，静置 24 h 后悬浮液均为半透明状态。② SDS 分散剂由于 其自生发泡性较好，SDS 分散剂煤粉悬浮液并没有 发生明显的分层现象，部分煤粉分散于液面上部的 泡沫中，几乎没有煤粉上浮于液面顶部，静置 24 h 后液面顶部泡沫均消失，悬浮液颜色由初始状态的 黑色变为浅黑色，随煤粉粒径的增大悬浮液颜色逐 渐变浅图 1。可见 SDS 分散剂表现出良好的分散 性能。不同粒径煤粉悬浮液静置不同时间浓度结果 如表 1 所示。结果表明，加入分散剂后悬浮液悬浮 能力呈现出较大的提高，随着时间的延长，不同粒 径煤粉在悬浮液中的分散稳定性均有不同程度的降 低；SDS 分散剂的加入使得煤粉悬浮液的浓度降低 缓慢，分散稳定性得到了提高，能够较长时间稳定 分散悬浮液中的煤粉。分析认为分散剂与水、煤粉 颗粒表面相互作用，通过润湿分散作用、静电斥力 分散作用及空间位阻效应增加了煤粉在水悬浮液的 分散稳定性能， 同时分散剂在煤粉颗粒表面的吸附， 可以减弱颗粒的黏附，增加了煤粉在悬浮液中的分 散悬浮能力[12]。 同一分散剂对不同粒径煤粉悬浮液的分散稳定 性随着颗粒粒径增大呈不同变化规律。清水悬浮液 浓度随着粒径的增大先升高后下降； 静置相同时间， SDS 分散剂悬浮液随着煤粉粒径增大，悬浮液浓度 降低，分散稳定性下降，分散剂对粒径小于 100 μm 煤粉的分散稳定性明显。分析认为实验中采用的煤 样为变质程度高的贫煤，随着煤粉粒径的减小，煤 粉的疏水性增强，粒度细小的煤粉很难在清水中悬 浮[13]。煤粉比表面积随粒径减小而增大，阴离子分 散剂通过疏水作用和范德华力吸附于煤粉颗粒表 面， 这导致分散剂在煤粉颗粒表面的吸附程度不同， 不同粒径的煤粉所带的负电荷不同，颗粒间的静电 斥力不同，分散稳定性产生了差异[14-15]。 2.2 分散剂质量浓度对煤粉分散稳定性的影响 SDS 分散剂对粒径小于 100 μm 煤粉分散稳定 性明显，因此选取粒径小于 100 μm 的煤粉，煤粉质 量浓度为 50 g/L 进行不同质量浓度分散剂煤粉稳定 性实验。不同质量浓度的分散剂悬浮液静置 24 h 后 ChaoXingChaoXing 第 1 期 李超等 煤粉分散稳定性的影响因素分析 75 图 1 煤粉沉降效果 Fig.1 Pulverized coal setting effect 表 1 煤粉悬浮液质量浓度 Table 1 Mass concentration of pulverized coal suspension 煤粉悬浮液质量浓度/gL–1 粒径/μm 时间/h 清水 SDS 2 0.053 7.086 200300 6 0.114 0.789 仍然有细小的煤粉颗粒悬浮，随着分散剂质量浓度 增大，悬浮液颜色由浅黑色逐渐变为深黑色。 不同质量浓度分散剂对煤粉分散稳定性的影响 如图 2 所示。结果表明，煤粉悬浮液静置 2 h 和静 置 6 h 时，悬浮液中煤粉的质量浓度随分散剂质量 浓度变化曲线呈现出相同的趋势，随着分散剂用量 的增加，煤粉悬浮液的质量浓度先增加后减小，煤 粉分散稳定性先升高后降低。当分散剂质量浓度小 于等于 2.0g/L 时，煤粉质量浓度随分散剂质量浓度 的增大急剧增加； 当分散剂质量浓度大于 2.0g/L 时， 煤粉质量浓度下降。 加入不同质量浓度阴离子 SDS 分散剂后，煤粉 在悬浮液中的分散稳定性都得到了不同程度的增 强，对比 2 h 和 6 h 的悬浮液煤粉质量浓度，煤粉质 量浓度随静置时间的延长降低程度不同图 3， 分散 剂质量浓度在 1.52.5 g/L 时，煤粉质量浓度降低率 低，煤粉沉降缓慢，煤粉能较稳定地分散悬浮在悬 浮液中。 因此针对韩城区块太原组 11 号煤层产生的 煤粉，分散剂的质量浓度为 1.52.5 g/L 较为适宜。 煤粉分散稳定性随分散剂质量浓度的增加呈现不同 的趋势，这可能与分散剂在煤粉表面的吸附相关， 随着分散剂质量浓度的增加，SDS 分散剂在煤粉表 面的吸附表现为多层吸附[16]。产生这种吸附特征可 能与实验煤样中含有较高含量的矿物组分有关，矿 物的存在使得分散剂通过静电作用和疏水作用吸附 于煤粉表面。 图 2 煤粉悬浮液质量浓度随分散剂质量浓度变化曲线 Fig.2 The relationship between mass concentration of pulver- ized coal suspension and mass concentration of dispersant SDS 图 3 静置 26 h 煤粉质量浓度降低率随分散剂 质量浓度变化特征 Fig.3 The relationship between mass concentration reduction rate of pulverized coal and mass concentration of dispersant during 26 h 2.3 煤粉质量浓度对煤粉分散稳定性的影响 SDS 分散剂质量浓度为 2 g/L 时，不同初始煤 粉质量浓度对煤粉分散稳定性的影响如图 4、图 5 所示，在分散剂质量浓度相同的条件下，初始煤粉 质量浓度对煤粉在悬浮液中分散稳定性有显著的影 ChaoXingChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 46 卷 响。 静置 2 h 和 6 h 时， 随初始煤粉质量浓度的增大， 悬浮液中的煤粉质量浓度均呈现出增加的趋势；当 初始煤粉质量浓度小于 30 g/L 时，静置时间从 2 h 到 6 h，煤粉质量浓度降低程度低。综合分析可知当 初始煤粉质量浓度小于 30 g/L 时，有利于煤粉在悬 浮液中稳定分散。初始煤粉质量浓度的增大，悬浮 液中煤粉颗粒含量增多，SDS 分散剂并不能饱和吸 附于煤粉颗粒表面， 同时颗粒之间的碰撞几率增大， 增加了煤粉的聚沉[17]。 图 4 煤粉悬浮液质量浓度随初始煤粉质量浓度变化特征 Fig.4 The relationship between mass concentration of pulverized coal suspension and mass concentration of initial pulverized coal 图 5 煤粉质量浓度降低率随初始煤粉质量浓度变化特征 Fig.5 The relationship between mass concentration reduction rate of pulverized coal and mass concentration of initial pulverized coal 2.4 悬浮液黏度特征 不同粒径煤粉的悬浮液黏度是不同的表 2。 分 散剂与水和煤粉的相互作用明显改变了悬浮液的黏 度。相同煤粉粒径条件下，分散剂悬浮液的黏度较 清水悬浮液都有不同程度升高，对于粒径 200300 μm 的煤粉，悬浮液黏度的变化尤为明显，结合相同 状态下悬浮液的煤粉质量浓度分析可知，高质量浓 度的煤粉悬浮液有着高的黏度，黏度的变化与煤粉 的分散稳定性有关；煤粉粒径不同时，清水黏度特 征和悬浮液质量浓度特征相一致，SDS 悬浮液的黏 度和悬浮液质量浓度呈相反的趋势。这可能是和分 散剂本身性质、悬浮颗粒粒径、分散剂与煤粉颗粒 之间匹配性相关。 加入分散剂增大了悬浮液的黏度， 提高了悬浮液携带煤粉的能力，同时加入分散剂后 不会增加洗井工艺中的返排难度。 表 2 6 h 煤粉悬浮液的黏度和煤粉质量浓度 Table 2 Viscosity of different dispersing agents and mass concentration of pulverized coal at 6 h 悬浮液黏度/mPas 煤粉悬浮液质量浓度/gL–1 粒径/μm 清水 SDS 清水 SDS 2003000.996 81.038 0 0.114 0.789 3 结 论 a. 分散剂十二烷基硫酸钠SDS对 3 种粒径的 煤粉均能起到很好的分散效果，具有较强的悬浮分 散、静态稳定性能，对粒度细小煤粉的润湿性较好。 不同粒径煤粉在悬浮液中分散效果不同，呈现出两 种不同的趋势SDS 分散剂悬浮液随着煤粉粒径的 增大分散稳定性变差；清水悬浮液随粒径的增大分 散稳定性呈现出先升高后降低的趋势。 b. 随着 SDS 分散剂质量浓度的增高， 煤粉在 悬浮液中分散稳定性先增强后降低，过高质量浓 度的分散剂会降低煤粉分散稳定性。随着煤粉质 量浓度的增大，煤粉在悬浮液中分散稳定性降低， 煤粉质量浓度低有利于分散剂在煤粉表面的吸 附，增加煤粉分散稳定性。分散剂质量浓度在 1.52.5 g/L，煤粉质量浓度小于 30 g/L 时，煤粉 分散稳定性较好。 c. 分散剂与固体颗粒、水溶液之间的相互作 用，改变了悬浮液的黏度，增加了悬浮液的携粉能 力，同时黏度的增加不会影响洗井工艺中的洗井液 返排。 d. 加入分散剂后加大了煤粉分散悬浮稳定性 能、润湿性能，建议在实际煤层气洗井工艺中，根 据煤粉产出的特征合理选择分散剂，有助于加强井 底煤粉的清除和返排，减少煤粉事故。 参考文献 [1] 陈振宏， 王一斌， 孙平. 煤粉产出对高煤阶煤层气井产能的影 响及其控制[J]. 煤炭学报，2009，342229–232. 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