本发明属于煤炭资源的清洁利用技术领域，涉及一种水煤浆及其制备方法，尤其涉及一种利用分形级配技术制备水煤浆的方法及制备得到的水煤浆。
背景技术：
水煤浆(Coal Water Mixture,CWM)在清洁燃料中具有明显的社会经济和环境效益，符合我国富煤、缺油、少气的国情和实现“以煤代油”的能源战略，有利于城市可持续发展，在我国推广应用的前景广阔。发展水煤浆的环保效益、经济效益和节能效益已经有了初步的体现。
水煤浆作为一种新型洁净燃料，不仅可以有效解决“燃油贵、燃煤污染”问题，还可以改变能源消费结构、保障经济安全，水煤浆是由约70％的煤、29％的水和1％的化学添加剂，经一定的加工工艺制成，其外观像油。可用罐体储存和管道泵送，能在工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉上代油、气、煤燃用，具有高效、节能、低污染、低运行成本和储存安全等突出优点。
虽然现有技术中有一些方法尝试来提高水煤浆的浓度，比如，通过控制水煤浆中煤的粒度分布来改进提高水煤浆的浓度，然而，在现有的应用中，通过调整煤的粒度分布并没有使水煤浆的浓度达到期望值，而且，随水煤浆中煤浓度的升高，还导致了水煤浆产生不期望不便于应用的粘度，因而有必要开发一种新型的高浓度、合适粘度且稳定性好的水煤浆及其制备方法。
CN 103374423 A公开了一种水煤浆及其制备方法，该水煤浆包括第一、第二和第三颗粒煤，第一颗粒煤处于水煤浆中煤质量的20～50wt％，且其粒径小于44微米；第二颗粒煤处于水煤浆中煤质量的20～80％，且其粒径在44～420微米；第三颗粒煤处于水煤浆中煤质量的10～40％，且其粒径在420～1000微米的范围内。该水煤浆具有较好的流动性和较高的煤浓度，例如60％，但是，得到的水煤浆的堆积效率低，水煤浆的浓度低，析水率高且稳定性差，不适用于所有煤种。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的水煤浆及其制备方法，该方法利用分形级配技术实现了由煤原料到高浓度水煤浆的成功制备，填充了煤颗粒堆积时的空隙，提高了堆积效率，从而提高了水煤浆的浓度和稳定性，本发明的水煤浆的浓度在65～80％，静置48小时后析水率小于10％。
第一方面，本发明提供一种水煤浆的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的混合物与水和添加剂混合，捏混得到混合浆料，然后剪切处理，得到水煤浆，其中，浆料A中的煤粉的粒径为500～2400μm，浆料B中的煤粉的粒径为30～500μm，浆料C中的煤粉的粒径10～30μm，浆料D中的煤粉的粒径≤10μm。
本发明中，浆料A中的煤粉的粒径为500～2400μm，例如可为500μm、600μm、800μm、950μm、1000μm、1200μm、1350μm、1500μm、1750μm、1850μm、2000μm、2100μm、2200μm、2300μm或2400μm等。
本发明中，浆料B中的煤粉的粒径为30～500μm，例如可为30μm、50μm、65μm、80μm、100μm、120μm、135μm、150μm、165μm、180μm、200μm、220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、330μm、350μm、375μm、400μm、450μm或500μm等。
本发明中，浆料C中的煤粉的粒径10～30μm，例如可为10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、24μm、28μm或30μm等。
本发明中，浆料D中的煤粉的粒径≤10μm，例如可为10μm、9μm、8μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm等。
优选地，所述浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为(60～84):(10～20):(5～10):(1～10)。
优选地，所述浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的粒径均不相同。
优选地，浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总质量与水和添加剂的质量比为(70～80):(20～30):(0.1～0.5)。
优选地，所述浆料A的固含量为80wt％。
优选地，所述添加剂选自木质素磺酸盐、腐植酸盐或萘磺酸甲醛缩合物中的任意一种或至少两种的混合物，例如可为木质素磺酸盐和腐植酸盐的混合物，木质素磺酸盐和萘磺酸甲醛缩合物的混合物，木质素磺酸盐、腐植酸盐和萘磺酸甲醛缩合物的混合物等。
优选地，所述剪切处理为强化剪切，所述剪切处理的剪切率为60～120r/min，例如可为60r/min、70r/min、80r/min、85r/min、90r/min、100r/min、110r/min、115r/min或120r/min等。
本发明中，通过选用合适量的特定煤粉粒径的浆料A、浆料B、浆料C和浆料D，与特定种类的添加剂及水配合使用，制备得到了浓度高、粘度适中，稳定性好的水煤浆，水煤浆的浓度在65～80％，相对于现有技术的水煤浆，浓度提高了6～8个百分点；粘度在1000～1400mpa·s(100S-1)，便于实际应用；且静置48小时后析水率小于10％。
作为本发明所述水煤浆的制备方法的优选技术方案，一种水煤浆的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将煤原料破碎，得到第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，将浆料Ⅰ与水混合进行整形粗磨，得到第二浆料，所述第二浆料中的煤粉的粒度为500～2400μm；
(3)将浆料Ⅱ与水和添加剂混合进行整形细磨，得到第三浆料，所述第三浆料中的煤粉的粒度为30～500μm；
(4)将第二浆料进行脱水，得到浆料A和循环水，其中，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉的质量的60～84wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10～20wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5～10wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的1～10wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ和浆料Ⅴ分别进行超细磨得到浆料C和浆料D；
(6)将浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为(60～84):(10～20):(5～10)：(1～10)；
(7)将混合浆料进行剪切，得到水煤浆。
本发明中，浆料Ⅰ和浆料Ⅱ的总质量即为第一浆料的质量。
优选地，步骤(1)所述破碎时，破碎至得到的第一浆料中的煤粉的粒径≤13mm，例如可为12mm、11mm、10mm、8mm、7mm、5mm、3mm、2mm或1mm等。
优选地，步骤(2)所述整形粗磨为整形湿法粗磨，所述整形湿法粗磨过程中，整形湿法粗磨的物料的固含量为40～60wt％，例如可为40wt％、42wt％、45wt％、48wt％、50wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
优选地，步骤(2)所述浆料Ⅰ与水按照(7～8):(2～3)的质量比进行混合，质量比例如可为7:3、7.2:2.8、7.5:2.5、7.8:2.2或8:2等。
优选地，步骤(3)所述整形细磨为整形湿法细磨，所述整形湿法细磨过程中，整形湿法细磨的物料的固含量为40～60wt％，例如可为40wt％、43wt％、45wt％、46wt％、48wt％、50wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
优选地，步骤(3)所述浆料Ⅱ、水和添加剂按照(70～80):(20～30):(0.1～0.5)的质量比进行混合，质量比例如可为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。
优选地，步骤(4)所述浆料A的固含量为80wt％。
优选地，步骤(5)所述超细磨为湿法超细磨，所述湿法超细磨过程中，超湿法超细磨的物料的固含量为40～60wt％，例如可为40wt％、45wt％、47wt％、750wt％、53wt％、55wt％或60wt％等。
优选地，步骤(2)所述整形粗磨和步骤(3)所述整形细磨使用的装置均独立地为卧式棒磨机、卧式球磨机、卧式搅拌磨、立式球磨机或立式搅拌磨机中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(5)所述超细磨采用立式搅拌磨和/或卧式搅拌磨。
优选地，步骤(3)和步骤(6)所述添加剂均独立地为木质素磺酸盐、腐植酸盐或萘磺酸甲醛缩合物中的任意一种或至少两种的混合物。
作为本发明所述水煤浆的制备方法的优选技术方案，一种水煤浆的制备方法，所述方法还包括在步骤(2)之后将一部分第二浆料作为浆料Ⅰ’返回添加到整形细磨的原料中的步骤，其中，浆料Ⅰ’中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的0～20wt％。
本优选技术方案中，返回添加的第二浆料与浆料Ⅱ、水和添加剂混合到一起，进行整形细磨。
优选地，本发明中使用的水可以是生产用清水，还可以是步骤(4)产生的循环水，还可以是生产用清水和循环水的混合液。但并不限于上述列举的水，其他种类的水也可用于本发明。
本发明步骤(4)中产生的循环水，不仅可以返回到步骤(2)、步骤(3)和步骤(6)进行再利用，还可以用作其他工业处理用水。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的方法制备得到的水煤浆。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用分级破碎、分形研磨和多级级配理论指导全新制浆工艺和设备开发，实现了水煤浆最佳粒度级配，使制备得到的水煤浆具有浓度高、粘度合适且稳定性好等特点。本发明的工艺技术与传统工艺技术相比，可提高有效气体比例、降低项目建设投资、生产运行成本及降低气化和生产能耗，本发明水煤浆的制浆能耗在13～15kwh，相对于传统技术降低了约30％；而且更大程度地扩大了原料的适用范围，可将原料扩大至各个煤种、兰炭和石油焦等。
2)本发明的水煤浆的浓度在65～80％，相对于现有技术的水煤浆，浓度提高了6～8个百分点；粘度在1000～1400mpa·s(100S-1)，便于实际应用；且静置48小时后析水率小于10％。
(3)本发明所述的方法可显著提高水煤浆堆积效率，进而提高水煤浆浓度。对于各种煤种有很好的普适性，对于成浆性好的煤种(如石油焦和无烟煤等)而言，即使要求降低粒径的情况下也能提高煤浆浓度到65～80％；对于成浆性差的煤种(如褐煤、长焰煤和弱粘煤等低阶煤)而言，虽然内水含量高成浆性较差，但使用此本发明的方法仍可提高煤浆堆积效率和浓度，使浓度达到65～80％。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种由神府煤作为煤原料制备水煤浆的方法，神府煤为内蒙古地区一种常见煤，分析水为4.9％，全水为13％，灰分为13.9％。
所述方法包括如下步骤：
(1)将煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，浆料Ⅰ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的75wt％，浆料Ⅱ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的25wt％，将浆料Ⅰ与水按质量比7:3进行整形湿法粗磨得到煤粉粒度为2000μm的第二浆料；
(3)将一部分第二浆料作为浆料Ⅰ’返回添加到整形湿法球磨的原料中(浆料Ⅰ’中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％)，并与浆料Ⅱ、水和添加剂混合，进行整形湿法细磨得到煤粉粒度为400μm的第三浆料，其中，浆料Ⅱ、水和添加剂的质量比为70:30:0.1；
(4)将第二浆料浓缩脱水，固体含量控制在80％的物料作为浆料A，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的70wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的15wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为25μm，作为浆料C；对浆料Ⅴ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为5μm，作为浆料D。
(6)将浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，进行捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为70:15:10:5；
浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总量、水和添加剂的质量比为70:30:0.1；
(7)将混合浆料以100r/min剪切率强化剪切，并输出设备得到水煤浆。
经检测，得到水煤浆产品浓度为79.5％，粘度1100mpa·s(100S-1)，稳定性良好，静止48小时后析水率小于5％。
实施例2
一种由新疆红山煤作为煤原料制备水煤浆的方法，红山煤为新疆地区一种常见煤，全水为24％，灰分为14％。
所述方法包括如下步骤：
(1)将煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，浆料Ⅰ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的80wt％，浆料Ⅱ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的20wt％，将浆料Ⅰ与水按质量比8:2进行整形湿法粗磨得到煤粉粒度为1000μm的第二浆料；
(3)将浆料Ⅱ、水和添加剂按70:30:0.1的质量比混合进行整形湿法细磨得到煤粉粒度为100μm的第三浆料；
(4)第二浆料浓缩脱水，固体含量控制在80％的物料作为浆料A，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的80wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为25μm，作为浆料C；对浆料Ⅴ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为10μm，作为浆料D。
(6)将浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，进行捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为80:10:5:5；
浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总量、水和添加剂的质量比为70:30:0.1；
(7)将混合浆料以80r/min剪切率强化剪切，并输出设备得到水煤浆。
经检测，得到水煤浆产品浓度为73.8％，粘度1050mpa·s(100S-1)，稳定性良好，静止48小时后析水率小于10％。本发明制备过程中采用湿法剪切研磨的方式，水煤浆的制浆能耗为13～15kwh，能耗可降低30％，降低了制浆成本。
实施例3
一种由褐煤作为煤原料制备水煤浆的方法，褐煤为内蒙古地区一种常见煤，分析水为20.8％，全水为34.5％，灰分为8.5％。
所述方法包括如下步骤：
(1)将煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，浆料Ⅰ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的85wt％，浆料Ⅱ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的15wt％，将浆料Ⅰ与水按质量比7:3进行整形湿法粗磨得到煤粉粒度为600μm的第二浆料；
(3)将一部分第二浆料作为浆料Ⅰ’返回添加到整形湿法球磨的原料中(浆料Ⅰ’中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的20wt％)，并与浆料Ⅱ、水和添加剂混合，进行整形湿法细磨得到煤粉粒度为80μm的第三浆料，其中，浆料Ⅱ、水和添加剂的质量比为70:30:0.1；
(4)第二浆料浓缩脱水，固体含量控制在80％的物料作为浆料A，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的65wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的15wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为25μm，作为浆料C；对浆料Ⅴ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为3μm，作为浆料D。
(6)将浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，进行捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为65:15:10:10；
浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总量、水和添加剂的质量比为70:30:0.1；
(7)将混合浆料以120r/min剪切率强化剪切，并输出设备得到水煤浆。
经检测，得到水煤浆产品浓度为68.1％，粘度1005mpa·s(100S-1)，稳定性良好，静止48小时后析水率小于5％。
实施例4
一种由神府煤作为煤原料制备水煤浆的方法，神府煤为内蒙古地区一种常见煤，分析水为4.9％，全水为13％，灰分为13.9％。
所述方法包括如下步骤：
(1)将煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，浆料Ⅰ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的85wt％，浆料Ⅱ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的15wt％，将浆料Ⅰ与水按质量比7.5:2.5进行整形湿法粗磨得到煤粉粒度为2400μm的第二浆料；
(3)将一部分第二浆料作为浆料Ⅰ’返回添加到整形湿法球磨的原料中(浆料Ⅰ’中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的2wt％)，并与浆料Ⅱ、水和添加剂混合，进行整形湿法细磨得到煤粉粒度为200μm的第三浆料，其中，浆料Ⅱ、水和添加剂的质量比为80:20:0.3；
(4)将第二浆料浓缩脱水，固体含量控制在80％的物料作为浆料A，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的83wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的2wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为15μm，作为浆料C；对浆料Ⅴ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为8μm，作为浆料D。
(6)将并与浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，进行捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为83:10:5:2；
浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总量、水和添加剂的质量比为70:30:0.5；
(7)将混合浆料以75r/min剪切率强化剪切，并输出设备得到水煤浆。
经检测，得到水煤浆产品浓度为68.3％％，粘度1200mpa·s(100S-1)，稳定性良好，静止48小时后析水率小于5％。
实施例5
一种由褐煤作为煤原料制备水煤浆的方法，褐煤为内蒙古地区一种常见煤，分析水为20.8％，全水为34.5％，灰分为8.5％。
所述方法包括如下步骤：
(1)将煤原料破碎得到粒度≤13mm的第一浆料；
(2)将第一浆料分为浆料Ⅰ和浆料Ⅱ，浆料Ⅰ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的85wt％，浆料Ⅱ中的煤粉占第一浆料中的煤粉总质量的15wt％，将浆料Ⅰ与水按质量比7:3进行整形湿法粗磨得到煤粉粒度为800μm的第二浆料；
(3)将一部分第二浆料作为浆料Ⅰ’返回添加到整形湿法球磨的原料中(浆料Ⅰ’中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的10wt％)，并与浆料Ⅱ、水和添加剂混合，进行整形湿法细磨得到煤粉粒度为50μm的第三浆料，其中，浆料Ⅱ、水和添加剂的质量比为75:25:0.1；
(4)第二浆料浓缩脱水，固体含量控制在80％的物料作为浆料A，浆料A中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的75wt％；
(5)将第三浆料分为浆料Ⅲ、浆料Ⅳ和浆料Ⅴ，且浆料Ⅲ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的19wt％；浆料Ⅳ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的5wt％；浆料Ⅴ中的煤粉占第一浆料中的煤粉质量的1wt％，对浆料Ⅲ不进行处理，直接作为浆料B；对浆料Ⅳ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为10μm，作为浆料C；对浆料Ⅴ进行超细磨至得到的浆料中的煤粉粒径为4μm，作为浆料D。
(6)将浆料A、浆料B、浆料C、浆料D、水和添加剂混合，进行捏混，得到混合浆料；
其中，浆料A中的煤粉、浆料B中的煤粉、浆料C中的煤粉和浆料D中的煤粉的质量比为75:19:5:1；
浆料A、浆料B、浆料C和浆料D的总量、水和添加剂的质量比为80:20:0.5；
(7)将混合浆料以60r/min剪切率强化剪切，并输出设备得到水煤浆。
经检测，得到水煤浆产品浓度为65.9％，粘度1010mpa·s(100S-1)，稳定性良好，静止48小时后析水率小于5％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。