本發明屬于煤炭資源的清潔利用技術領域，涉及一種水煤漿及其制備方法，尤其涉及一種利用分形級配技術制備水煤漿的方法及制備得到的水煤漿。
背景技術：
水煤漿(Coal Water Mixture,CWM)在清潔燃料中具有明顯的社會經濟和環境效益，符合我國富煤、缺油、少氣的國情和實現“以煤代油”的能源戰略，有利于城市可持續發展，在我國推廣應用的前景廣闊。發展水煤漿的環保效益、經濟效益和節能效益已經有了初步的體現。
水煤漿作為一種新型潔凈燃料，不僅可以有效解決“燃油貴、燃煤污染”問題，還可以改變能源消費結構、保障經濟安全，水煤漿是由約70％的煤、29％的水和1％的化學添加劑，經一定的加工工藝制成，其外觀像油。可用罐體儲存和管道泵送，能在工業鍋爐、電站鍋爐、工業窯爐上代油、氣、煤燃用，具有高效、節能、低污染、低運行成本和儲存安全等突出優點。
雖然現有技術中有一些方法嘗試來提高水煤漿的濃度，比如，通過控制水煤漿中煤的粒度分布來改進提高水煤漿的濃度，然而，在現有的應用中，通過調整煤的粒度分布并沒有使水煤漿的濃度達到期望值，而且，隨水煤漿中煤濃度的升高，還導致了水煤漿產生不期望不便于應用的粘度，因而有必要開發一種新型的高濃度、合適粘度且穩定性好的水煤漿及其制備方法。
CN 103374423 A公開了一種水煤漿及其制備方法，該水煤漿包括第一、第二和第三顆粒煤，第一顆粒煤處于水煤漿中煤質量的20～50wt％，且其粒徑小于44微米；第二顆粒煤處于水煤漿中煤質量的20～80％，且其粒徑在44～420微米；第三顆粒煤處于水煤漿中煤質量的10～40％，且其粒徑在420～1000微米的范圍內。該水煤漿具有較好的流動性和較高的煤濃度，例如60％，但是，得到的水煤漿的堆積效率低，水煤漿的濃度低，析水率高且穩定性差，不適用于所有煤種。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種新型的水煤漿及其制備方法，該方法利用分形級配技術實現了由煤原料到高濃度水煤漿的成功制備，填充了煤顆粒堆積時的空隙，提高了堆積效率，從而提高了水煤漿的濃度和穩定性，本發明的水煤漿的濃度在65～80％，靜置48小時后析水率小于10％。
第一方面，本發明提供一種水煤漿的制備方法，所述方法包括如下步驟：
將漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的混合物與水和添加劑混合，捏混得到混合漿料，然后剪切處理，得到水煤漿，其中，漿料A中的煤粉的粒徑為500～2400μm，漿料B中的煤粉的粒徑為30～500μm，漿料C中的煤粉的粒徑10～30μm，漿料D中的煤粉的粒徑≤10μm。
本發明中，漿料A中的煤粉的粒徑為500～2400μm，例如可為500μm、600μm、800μm、950μm、1000μm、1200μm、1350μm、1500μm、1750μm、1850μm、2000μm、2100μm、2200μm、2300μm或2400μm等。
本發明中，漿料B中的煤粉的粒徑為30～500μm，例如可為30μm、50μm、65μm、80μm、100μm、120μm、135μm、150μm、165μm、180μm、200μm、220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、330μm、350μm、375μm、400μm、450μm或500μm等。
本發明中，漿料C中的煤粉的粒徑10～30μm，例如可為10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、24μm、28μm或30μm等。
本發明中，漿料D中的煤粉的粒徑≤10μm，例如可為10μm、9μm、8μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm等。
優選地，所述漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為(60～84):(10～20):(5～10):(1～10)。
優選地，所述漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的粒徑均不相同。
優選地，漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總質量與水和添加劑的質量比為(70～80):(20～30):(0.1～0.5)。
優選地，所述漿料A的固含量為80wt％。
優選地，所述添加劑選自木質素磺酸鹽、腐植酸鹽或萘磺酸甲醛縮合物中的任意一種或至少兩種的混合物，例如可為木質素磺酸鹽和腐植酸鹽的混合物，木質素磺酸鹽和萘磺酸甲醛縮合物的混合物，木質素磺酸鹽、腐植酸鹽和萘磺酸甲醛縮合物的混合物等。
優選地，所述剪切處理為強化剪切，所述剪切處理的剪切率為60～120r/min，例如可為60r/min、70r/min、80r/min、85r/min、90r/min、100r/min、110r/min、115r/min或120r/min等。
本發明中，通過選用合適量的特定煤粉粒徑的漿料A、漿料B、漿料C和漿料D，與特定種類的添加劑及水配合使用，制備得到了濃度高、粘度適中，穩定性好的水煤漿，水煤漿的濃度在65～80％，相對于現有技術的水煤漿，濃度提高了6～8個百分點；粘度在1000～1400mpa·s(100S-1)，便于實際應用；且靜置48小時后析水率小于10％。
作為本發明所述水煤漿的制備方法的優選技術方案，一種水煤漿的制備方法，所述方法包括以下步驟：
(1)將煤原料破碎，得到第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，將漿料Ⅰ與水混合進行整形粗磨，得到第二漿料，所述第二漿料中的煤粉的粒度為500～2400μm；
(3)將漿料Ⅱ與水和添加劑混合進行整形細磨，得到第三漿料，所述第三漿料中的煤粉的粒度為30～500μm；
(4)將第二漿料進行脫水，得到漿料A和循環水，其中，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉的質量的60～84wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10～20wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5～10wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的1～10wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ和漿料Ⅴ分別進行超細磨得到漿料C和漿料D；
(6)將漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為(60～84):(10～20):(5～10)：(1～10)；
(7)將混合漿料進行剪切，得到水煤漿。
本發明中，漿料Ⅰ和漿料Ⅱ的總質量即為第一漿料的質量。
優選地，步驟(1)所述破碎時，破碎至得到的第一漿料中的煤粉的粒徑≤13mm，例如可為12mm、11mm、10mm、8mm、7mm、5mm、3mm、2mm或1mm等。
優選地，步驟(2)所述整形粗磨為整形濕法粗磨，所述整形濕法粗磨過程中，整形濕法粗磨的物料的固含量為40～60wt％，例如可為40wt％、42wt％、45wt％、48wt％、50wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
優選地，步驟(2)所述漿料Ⅰ與水按照(7～8):(2～3)的質量比進行混合，質量比例如可為7:3、7.2:2.8、7.5:2.5、7.8:2.2或8:2等。
優選地，步驟(3)所述整形細磨為整形濕法細磨，所述整形濕法細磨過程中，整形濕法細磨的物料的固含量為40～60wt％，例如可為40wt％、43wt％、45wt％、46wt％、48wt％、50wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
優選地，步驟(3)所述漿料Ⅱ、水和添加劑按照(70～80):(20～30):(0.1～0.5)的質量比進行混合，質量比例如可為70:30:0.1、70:30:0.5、73:27:0.2、73:27:0.4、75:25:0.3、75:25:0.5、78:22:0.3、78:22:0.5、80:20:0.1、80:20:0.3或80:20:0.5等。
優選地，步驟(4)所述漿料A的固含量為80wt％。
優選地，步驟(5)所述超細磨為濕法超細磨，所述濕法超細磨過程中，超濕法超細磨的物料的固含量為40～60wt％，例如可為40wt％、45wt％、47wt％、750wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
優選地，步驟(2)所述整形粗磨和步驟(3)所述整形細磨使用的裝置均獨立地為臥式棒磨機、臥式球磨機、臥式攪拌磨、立式球磨機或立式攪拌磨機中的任意一種或至少兩種的組合。
優選地，步驟(5)所述超細磨采用立式攪拌磨和/或臥式攪拌磨。
優選地，步驟(3)和步驟(6)所述添加劑均獨立地為木質素磺酸鹽、腐植酸鹽或萘磺酸甲醛縮合物中的任意一種或至少兩種的混合物。
作為本發明所述水煤漿的制備方法的優選技術方案，一種水煤漿的制備方法，所述方法還包括在步驟(2)之后將一部分第二漿料作為漿料Ⅰ’返回添加到整形細磨的原料中的步驟，其中，漿料Ⅰ’中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的0～20wt％。
本優選技術方案中，返回添加的第二漿料與漿料Ⅱ、水和添加劑混合到一起，進行整形細磨。
優選地，本發明中使用的水可以是生產用清水，還可以是步驟(4)產生的循環水，還可以是生產用清水和循環水的混合液。但并不限于上述列舉的水，其他種類的水也可用于本發明。
本發明步驟(4)中產生的循環水，不僅可以返回到步驟(2)、步驟(3)和步驟(6)進行再利用，還可以用作其他工業處理用水。
第二方面，本發明提供如第一方面所述的方法制備得到的水煤漿。
與已有技術相比，本發明具有以下有益效果：
1)本發明利用分級破碎、分形研磨和多級級配理論指導全新制漿工藝和設備開發，實現了水煤漿最佳粒度級配，使制備得到的水煤漿具有濃度高、粘度合適且穩定性好等特點。本發明的工藝技術與傳統工藝技術相比，可提高有效氣體比例、降低項目建設投資、生產運行成本及降低氣化和生產能耗，本發明水煤漿的制漿能耗在13～15kwh，相對于傳統技術降低了約30％；而且更大程度地擴大了原料的適用范圍，可將原料擴大至各個煤種、蘭炭和石油焦等。
2)本發明的水煤漿的濃度在65～80％，相對于現有技術的水煤漿，濃度提高了6～8個百分點；粘度在1000～1400mpa·s(100S-1)，便于實際應用；且靜置48小時后析水率小于10％。
(3)本發明所述的方法可顯著提高水煤漿堆積效率，進而提高水煤漿濃度。對于各種煤種有很好的普適性，對于成漿性好的煤種(如石油焦和無煙煤等)而言，即使要求降低粒徑的情況下也能提高煤漿濃度到65～80％；對于成漿性差的煤種(如褐煤、長焰煤和弱粘煤等低階煤)而言，雖然內水含量高成漿性較差，但使用此本發明的方法仍可提高煤漿堆積效率和濃度，使濃度達到65～80％。
附圖說明
圖1是本發明的工藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
實施例1
一種由神府煤作為煤原料制備水煤漿的方法，神府煤為內蒙古地區一種常見煤，分析水為4.9％，全水為13％，灰分為13.9％。
所述方法包括如下步驟：
(1)將煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，漿料Ⅰ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的75wt％，漿料Ⅱ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的25wt％，將漿料Ⅰ與水按質量比7:3進行整形濕法粗磨得到煤粉粒度為2000μm的第二漿料；
(3)將一部分第二漿料作為漿料Ⅰ’返回添加到整形濕法球磨的原料中(漿料Ⅰ’中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％)，并與漿料Ⅱ、水和添加劑混合，進行整形濕法細磨得到煤粉粒度為400μm的第三漿料，其中，漿料Ⅱ、水和添加劑的質量比為70:30:0.1；
(4)將第二漿料濃縮脫水，固體含量控制在80％的物料作為漿料A，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的70wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的15wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為25μm，作為漿料C；對漿料Ⅴ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為5μm，作為漿料D。
(6)將漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，進行捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為70:15:10:5；
漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總量、水和添加劑的質量比為70:30:0.1；
(7)將混合漿料以100r/min剪切率強化剪切，并輸出設備得到水煤漿。
經檢測，得到水煤漿產品濃度為79.5％，粘度1100mpa·s(100S-1)，穩定性良好，靜止48小時后析水率小于5％。
實施例2
一種由新疆紅山煤作為煤原料制備水煤漿的方法，紅山煤為新疆地區一種常見煤，全水為24％，灰分為14％。
所述方法包括如下步驟：
(1)將煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，漿料Ⅰ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的80wt％，漿料Ⅱ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的20wt％，將漿料Ⅰ與水按質量比8:2進行整形濕法粗磨得到煤粉粒度為1000μm的第二漿料；
(3)將漿料Ⅱ、水和添加劑按70:30:0.1的質量比混合進行整形濕法細磨得到煤粉粒度為100μm的第三漿料；
(4)第二漿料濃縮脫水，固體含量控制在80％的物料作為漿料A，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的80wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為25μm，作為漿料C；對漿料Ⅴ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為10μm，作為漿料D。
(6)將漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，進行捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為80:10:5:5；
漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總量、水和添加劑的質量比為70:30:0.1；
(7)將混合漿料以80r/min剪切率強化剪切，并輸出設備得到水煤漿。
經檢測，得到水煤漿產品濃度為73.8％，粘度1050mpa·s(100S-1)，穩定性良好，靜止48小時后析水率小于10％。本發明制備過程中采用濕法剪切研磨的方式，水煤漿的制漿能耗為13～15kwh，能耗可降低30％，降低了制漿成本。
實施例3
一種由褐煤作為煤原料制備水煤漿的方法，褐煤為內蒙古地區一種常見煤，分析水為20.8％，全水為34.5％，灰分為8.5％。
所述方法包括如下步驟：
(1)將煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，漿料Ⅰ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的85wt％，漿料Ⅱ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的15wt％，將漿料Ⅰ與水按質量比7:3進行整形濕法粗磨得到煤粉粒度為600μm的第二漿料；
(3)將一部分第二漿料作為漿料Ⅰ’返回添加到整形濕法球磨的原料中(漿料Ⅰ’中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的20wt％)，并與漿料Ⅱ、水和添加劑混合，進行整形濕法細磨得到煤粉粒度為80μm的第三漿料，其中，漿料Ⅱ、水和添加劑的質量比為70:30:0.1；
(4)第二漿料濃縮脫水，固體含量控制在80％的物料作為漿料A，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的65wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的15wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為25μm，作為漿料C；對漿料Ⅴ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為3μm，作為漿料D。
(6)將漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，進行捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為65:15:10:10；
漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總量、水和添加劑的質量比為70:30:0.1；
(7)將混合漿料以120r/min剪切率強化剪切，并輸出設備得到水煤漿。
經檢測，得到水煤漿產品濃度為68.1％，粘度1005mpa·s(100S-1)，穩定性良好，靜止48小時后析水率小于5％。
實施例4
一種由神府煤作為煤原料制備水煤漿的方法，神府煤為內蒙古地區一種常見煤，分析水為4.9％，全水為13％，灰分為13.9％。
所述方法包括如下步驟：
(1)將煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，漿料Ⅰ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的85wt％，漿料Ⅱ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的15wt％，將漿料Ⅰ與水按質量比7.5:2.5進行整形濕法粗磨得到煤粉粒度為2400μm的第二漿料；
(3)將一部分第二漿料作為漿料Ⅰ’返回添加到整形濕法球磨的原料中(漿料Ⅰ’中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的2wt％)，并與漿料Ⅱ、水和添加劑混合，進行整形濕法細磨得到煤粉粒度為200μm的第三漿料，其中，漿料Ⅱ、水和添加劑的質量比為80:20:0.3；
(4)將第二漿料濃縮脫水，固體含量控制在80％的物料作為漿料A，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的83wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的2wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為15μm，作為漿料C；對漿料Ⅴ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為8μm，作為漿料D。
(6)將并與漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，進行捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為83:10:5:2；
漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總量、水和添加劑的質量比為70:30:0.5；
(7)將混合漿料以75r/min剪切率強化剪切，并輸出設備得到水煤漿。
經檢測，得到水煤漿產品濃度為68.3％％，粘度1200mpa·s(100S-1)，穩定性良好，靜止48小時后析水率小于5％。
實施例5
一種由褐煤作為煤原料制備水煤漿的方法，褐煤為內蒙古地區一種常見煤，分析水為20.8％，全水為34.5％，灰分為8.5％。
所述方法包括如下步驟：
(1)將煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一漿料；
(2)將第一漿料分為漿料Ⅰ和漿料Ⅱ，漿料Ⅰ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的85wt％，漿料Ⅱ中的煤粉占第一漿料中的煤粉總質量的15wt％，將漿料Ⅰ與水按質量比7:3進行整形濕法粗磨得到煤粉粒度為800μm的第二漿料；
(3)將一部分第二漿料作為漿料Ⅰ’返回添加到整形濕法球磨的原料中(漿料Ⅰ’中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的10wt％)，并與漿料Ⅱ、水和添加劑混合，進行整形濕法細磨得到煤粉粒度為50μm的第三漿料，其中，漿料Ⅱ、水和添加劑的質量比為75:25:0.1；
(4)第二漿料濃縮脫水，固體含量控制在80％的物料作為漿料A，漿料A中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的75wt％；
(5)將第三漿料分為漿料Ⅲ、漿料Ⅳ和漿料Ⅴ，且漿料Ⅲ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的19wt％；漿料Ⅳ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的5wt％；漿料Ⅴ中的煤粉占第一漿料中的煤粉質量的1wt％，對漿料Ⅲ不進行處理，直接作為漿料B；對漿料Ⅳ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為10μm，作為漿料C；對漿料Ⅴ進行超細磨至得到的漿料中的煤粉粒徑為4μm，作為漿料D。
(6)將漿料A、漿料B、漿料C、漿料D、水和添加劑混合，進行捏混，得到混合漿料；
其中，漿料A中的煤粉、漿料B中的煤粉、漿料C中的煤粉和漿料D中的煤粉的質量比為75:19:5:1；
漿料A、漿料B、漿料C和漿料D的總量、水和添加劑的質量比為80:20:0.5；
(7)將混合漿料以60r/min剪切率強化剪切，并輸出設備得到水煤漿。
經檢測，得到水煤漿產品濃度為65.9％，粘度1010mpa·s(100S-1)，穩定性良好，靜止48小時后析水率小于5％。
申請人聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細方法，但本發明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。