掺混化工污泥对水煤浆成浆性能的影响研究.pdf

第 卷第 期煤 质 技 术 年 月 移动阅读闫晓泽 掺混化工污泥对水煤浆成浆性能的影响研究 煤质技术，（）：，（）：掺混化工污泥对水煤浆成浆性能的影响研究闫 晓 泽（山西省运城市临猗县丰喜临猗分公司，山西 运城）摘 要：在水煤浆中加入一定比例的化工污泥，可有效利用污泥的热值以达到污泥资源化利用的目的，但仍存在化工污泥含水高且掺入过多会影响水煤浆成浆性能的问题，因而需对化工污泥进行机械改性实验。以神府东胜煤为原料，研究三峰级配工艺制备污泥水煤浆过程中机械改性化工污泥性质的变化及其掺混制浆的掺入方式和最大掺入量，通过对化工污泥的机械改性实验、改性污泥替代不同粒级原料制浆实验研究，借助旋转黏度计、激光粒度仪探讨了化工污泥机械改性及污泥水煤浆成浆过程中的作用机制。结果表明，针对化工污泥进行机械改性，其最佳改性条件为：原料与磨介之比为 、搅拌速率 、改性时间 ，制备出的改性污泥黏度最低、平均粒径最小；污泥掺混制备水煤浆，采用改性污泥替代细粒级煤时的成浆效果最佳；在不影响煤浆浓度的前提下，改性污泥最大掺入量可达 （干基）。关键词：水煤浆；化工污泥；机械改性；成浆性能；作用机制；平均粒径；煤浆黏度；制浆工艺；掺入量中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：责任编辑：何毅聪 ：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：闫晓泽（），男，山西运城人，工程师，主要研究方向为煤的洁净利用及煤化工废物利用。：（，（），）：，：，；第 期闫晓泽：掺混化工污泥对水煤浆成浆性能的影响研究 ；，（）：；引 言随着煤化工产业的大规模发展，在煤气化、净化及化工合成过程中产出了大量的化工污泥。污泥含水率高，具有一定的热值，在水煤浆中加入一定比例的污泥，不仅可以利用污泥中的水分，还可以利用污泥的热值，达到污泥资源化利用的目的。污泥水煤浆是基于水煤浆技术发展起来的污泥处置技术，通过与煤协同制浆便可直接应用于锅炉和气化炉设备，并且利用其含一定可燃组分和高含水的特点还可节省制浆用煤，减少用水量从而降低生产成本。王金乾研究发现煤化工污泥的掺混量一定范围内，随着污泥的掺混量煤浆浓度呈现反比的线性关系，掺混比例每增大 （湿基），成浆浓度降低约，但掺混量越大，假塑性越强，稳定性越好；马少莲等以城市污泥和煤为原料进行研究，在明晰城市污泥水和有害元素赋存特性及迁移规律的基础上，揭示了城市污泥和煤共成浆的作用机理；封萍等针对煤制油污泥所做的成浆性研究发现污泥直接大量掺混制浆会导致浆体恶化，但少量掺混有利于水煤浆稳定性能的提升。近年来，围绕制备污泥水煤浆热点，做了大量的研究，且取得了很多硕果，但仍存在化工污泥含水高、掺入影响水煤浆性能的问题。基于此，笔者选取神府东胜煤，在最佳添加剂添加量条件下，利用现有工业设备对化工污泥进行机械改性，并考察了化工污泥机械改性效果以及不同掺入方式和掺入量对污泥煤浆成浆性能的影响。论文的研究内容和方法具有一定的新意，研究结果对化工污泥的资源化利用具有较好的指导意义和参考价值。实验部分 实验材料实验原料煤采用神府东胜煤，化工污泥选取典型的煤制烯烃厂区产生的化工污泥，其工业分析和元素分析见表 和表。表 煤样工业分析和元素分析 工业分析 元素分析，表 化工污泥工业分析和元素分析 工业分析 元素分析，发热量，（）有机质含量 实验方法实验分为 个部分，分别为化工污泥的机械改性实验及改性污泥与煤协同成浆性实验。为探明机械改性前后化工污泥物化性质的变化，机械改性实验以化工污泥的表观黏度和粒径分布为衡量指标；为揭示改性前后污泥掺混制浆对煤浆性能的影响规律，考察化工污泥的掺入方式、掺入量为变量，对污泥水煤浆的定黏浓度（条件下的最高成浆浓度）的影响。化工污泥机械改性实验化工 污 泥 的 机 械 改 性 实 验 借 助 立 式 搅 拌磨（）对物料进行高速剪切和超细研磨，以期打碎污泥的絮状体结构，降低污泥的黏度，提高其流动性。具体实验步骤为：称取一定量的化工煤 质 技 术 年第 卷污泥，同时称取一定量的研磨介质（原料与磨介之比为 ），同时装入搅拌桶。恒定 搅拌速率，改变研磨时间（、），分别测定不同研磨时间下污泥的表观黏度。水煤浆成浆性能实验实验基于三峰级配制浆工艺，采用干湿联用法制浆，添加剂为阴离子型甲基萘磺酸盐甲醛缩合物（）。结合工业实际生产状况，具体步骤为：次制浆总量 ，实验添加剂的添加比例（干基添加剂质量与干基煤质量之比）均为。污泥掺混制浆实验分 步进行，将污泥分别替代煤粗粒级、细粒级、超细粒级加入水煤浆中，替代比例为原料总干基的、，通过线 性 插 值 的 方 法将 煤 浆 特 征 黏 度 时对应的水煤浆浓度作为该污泥添加量下的煤浆最高成浆浓度。成浆浓度越大则表明成浆性越好。污泥黏度污泥黏度通过国家水煤浆工程技术研发中心研制的 型旋转黏度计测定，测量过程中电机带动转子剪切速率以、的变化进行递增，当剪切速率达到 时测量 次取平均值，此时的黏度计为污泥黏度。污泥粒径分布污泥粒径分布通过丹东百特研制的 型激光粒度分布仪测定。在保证样品一致的情况下，对不同机械改性时间的产品及污泥原泥分别进行粒度分布检测，测量结果取用测试报告中颗粒大小的中位值（），用以评价颗粒的平均粒径。水煤浆评价方法评价气化煤浆的成浆性能的关键指标有浓度、黏度、流动性，此次研究在固定黏度的前提下，对成浆的最高浓度进行衡量。煤浆黏度采用 型旋转黏度计进行测量，煤浆浓度的测量方法为采用梅特勒的快速水分仪 进行测量，每组样品测量 次取平均值。结果分析与讨论 机械改性对化工污泥性能的影响规律 机械改性对化工污泥表观黏度的影响规律污泥黏度越低，掺混制浆后对煤浆黏度的影响越低，同时污泥的表观黏度可直观表示污泥的流态化程度，污泥黏度越低，代表其流态越好，越有利于污泥煤浆的流动性能。机械改性对化工污泥表观黏度的影响规律如图 所示。图 机械改性对化工污泥黏度的影响 由图可知，污泥的表观黏度随着机械改性时间的延长，呈现先增大后减小再增大的趋势。改性时间超过 后，污泥黏度随着改性时间的延长逐渐降低，改性时间为 时，污泥黏度降至 ，改性时间超过 后，污泥黏度快速增大。造成上述现象的原因为当污泥处于初步机械改性阶段时，污泥内部的絮团被高速剪切研磨破坏，分裂为污泥小絮团，释放出极少量的间隙水，同时污泥小絮团的比表面积增大，当停止研磨后，比表面积增大致使小絮团间“搭桥”黏连的概率增大，表面吸附能力增强，作用效果大于间隙水起到的润滑效果，导致污泥的表观黏度增大；改性时间超过 后，随着研磨时间的延长，污泥小絮团不断破碎，储存在污泥颗粒间隙的部分间隙水释放，起到的润滑作用超过表面吸附能力，降低了污泥的表观黏度；改性时间超过 后，随着污泥絮团或污泥颗粒的超细化，间隙水释放量大幅降低，而比表面积仍在迅速增加，表面吸附能力增强，表观黏度出现增大。机械改性对化工污泥平均粒径的影响规律化工污泥作为原料掺混制备污泥水煤浆，其粒径分布是影响煤浆成浆性能的关键因素，从污泥产生来源来看，其自身粒径及形成的絮团相对煤颗粒较小，采用中位值 评价其平均粒径。三峰级配制浆工艺利用分级研磨技术将煤分为粗粒级（）、细粒级（）和超细粒级（）类颗粒，将其按一定配比，并辅以水和添加剂，混捏制成高浓度煤浆，控制研磨时间并使用搅拌磨对化工污泥进行研磨，并第 期闫晓泽：掺混化工污泥对水煤浆成浆性能的影响研究借助粒度分布仪分别进行粒度检测，取代上述相近粒级的煤作为原料制备水煤浆。污泥机械改性时间对其粒度分布的影响规律，结果见表。表 机械改性时间对其平均粒径的影响 机械改性时间 平均粒径（）由 表 可 知，原 始 污 泥 的 平 均 粒 径 为 ，随着机械改性时间延长，污泥粒径呈先减小后增大的趋势；当研磨时间超过 时，污泥平均粒径不再减小反而增大。出现上述现象的原因为前 研磨，高速剪切作用将污泥絮团分散，释放的间隙水阻滞各污泥颗粒的二次团聚，当污泥细化到一定程度时，研磨介质粒径和原料粒径不匹配，研磨效率降低。此外，颗粒间的团聚效应增强，继续研磨则增大比表面积，表面吸附能力强于分散力，污泥发生团聚，导致其粒径增大。化工污泥与煤协同制浆实验研究由于污泥具有特殊的絮凝体结构，致使少量污泥加入水煤浆后则改变水煤浆体系中的水分分配，进而影响煤浆的成浆性能。在上述污泥机械改性研究的基础上，开展原始污泥和机械改性污泥（改性 ）掺混制浆实验研究，污泥代替不同粒级的煤颗粒掺入对水煤浆性能影响如图 所示。图 污泥代替不同粒级的煤颗粒掺入对水煤浆性能的影响 从图 中可看出，以 时对应的污泥煤浆浓度为评价标准，随着原始污泥掺入比例的增加，浆体浓度迅速下降，污泥掺入量每提升 个百分点，浓度下降 个百分点左右；当改煤 质 技 术 年第 卷性污泥替代煤中的粗粒级作为原料时，随着比例的增加，煤 浆 性 能 迅 速 恶 化，替 代 比 例 每 增 加，煤浆浓度下降约 个百分点；当改性污泥替代煤中的细粒级和超细粒级作为原料时，替代细粒级的成浆效果优于超细粒级。随着代替比例的增加，煤浆性能出现一定的恶化，当替代比例为 时，原始污泥的最高成浆浓度下降约 个百分点，而改性污泥代替细粒级和超细粒级的最高成浆浓度基本无变化；当替代比例为 时，原始污泥、代替粗粒级和代替超细粒级对成浆浓度均产生较大的影响，而代替细粒级的最高成浆浓度下降仅 个百分点；当替代比例为 时，浆体性能迅速恶化，原始污泥和改性污泥掺混制浆的最高成浆浓度均下降 个百分点以上。综上所述，掺混改性污泥制浆效果优于原始污泥，最佳添加方式是作为制浆原料替代细粒级煤，最佳添加比例为 （干基）。出现上述现象的原因为污泥粒度本身较细，改性前后的平均粒径和细粒级更相近，粒度替代粗粒级直接改变了煤浆的粒度分布，而替代细粒级和超细粒级则保持了三峰级配煤浆的粒度分布，此外，替代细粒级制浆耗能相对较低。机械改性污泥制浆效果优于原始污泥，是因为高速剪切打碎了污泥絮团，将污泥絮团内部的间隙水转换成了制浆用的自由水，有利于成浆，和粗粒级捏混后，污泥颗粒吸附在煤颗粒表面，起到填充和包覆作用，填平了煤颗粒表面的坑洼，此一变化既改变了煤颗粒表面的粗糙度，又阻滞了污泥颗粒的二次絮凝团聚，直接改善了煤浆的流变性能。但过量污泥的加入，存在污泥自身的团聚，重新形成絮状结构，同时其自身外部会包覆 层较厚的水化膜，减少制浆用的自由水，导致煤浆性能的恶化。结 论制备污泥水煤浆是化工污泥资源化利用的 条捷径，在不降低水煤浆性能的前提条件下，实现化工污泥的规模化协同消纳处置尤为重要。通过对化工污泥机械改性的掺混制浆实验，研究化工污泥的最佳掺入方式及最佳掺混比例，得出以下主要结论：（）对化工污泥进行机械改性，最佳改性条件为：原料与磨介之比为 、搅拌速率 、改性时间 ，制备出的改性污泥黏度最低、平均粒径最小。（）采用三峰级配制浆工艺，采用改性污泥代替不同粒级煤掺混制备污泥水煤浆时，改性污泥替代细粒级煤，成浆效果较好，在不影响煤浆浓度的前提下，改性污泥的最大掺入量为 （干基）。参考文献（）：孙宗礼 煤化工企业污水污泥资源化利用的实践与探索 煤炭经济研究，（）：，（）：，：，：王金乾，刘建忠，李得第，等 废弃生物质制备水煤浆及其成浆特性的研究进展 化工进展，（）：，（）：王金乾 煤转化废弃物制备水煤浆成浆特性及优化配比 专 家 系 统 的 研 究 杭 州：浙 江 大 学，：马少莲 城市污泥中水和有害杂质的赋存特性及其与煤共成浆行为研究 徐州：中国矿业大学，：封萍，张宇星，黄波，等 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