灰渣對(duì)水煤漿成漿性能的影響

李彎彎，梁耀東，巨 鵬

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

灰渣對(duì)水煤漿成漿性能的影響

李彎彎1，2，梁耀東1，巨 鵬2

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

為探討鍋爐灰渣作為水煤漿穩(wěn)定劑的可行性，采用鍋爐灰渣作為水煤漿的穩(wěn)定劑，研究了灰渣對(duì)水煤漿成漿性能的影響。結(jié)果表明：灰渣能夠有效提高水煤漿的穩(wěn)定性，當(dāng)煤粉與灰渣比例為14∶1～30∶1時(shí)，制備出的水煤漿性能可滿足工業(yè)要求。

水煤漿；水煤漿穩(wěn)定劑；鍋爐灰渣；黏度；穩(wěn)定性

水煤漿是20世紀(jì)70年代石油能源危機(jī)時(shí)發(fā)展起來的一項(xiàng)潔凈煤技術(shù)，具有燃燒效率高，污染排放低的特點(diǎn)。隨著水煤漿應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原來使用的制漿用煤——中等變質(zhì)程度的煙煤由于價(jià)高、量少等缺點(diǎn)逐漸被舍棄，制漿用煤的選擇逐漸向低階煙煤和高變質(zhì)程度低揮發(fā)分煤種擴(kuò)展[1]。神府煤屬于低階煙煤，具有低灰、低硫、高發(fā)熱量的特點(diǎn)，但由于其內(nèi)水高、可磨性差，在制漿過程中存在成漿濃度低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)[2-4]。由于制備好的水煤漿往往不是立即用于燃燒，而是需要儲(chǔ)存一段時(shí)間或遠(yuǎn)距離輸送，因此提高水煤漿的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水煤漿的穩(wěn)定性是指煤漿在儲(chǔ)存和運(yùn)輸期間保持性態(tài)均勻的特性，是表征煤漿顆粒抗沉降的能力?，F(xiàn)階段使用的水煤漿穩(wěn)定劑主要有無機(jī)電解質(zhì)和高分子化合物兩類，如各種可溶性鹽類、高分子表面活性劑、纖維素、聚丙烯酸鹽以及一些膠體粒子(如有機(jī)膨潤(rùn)土)等。穩(wěn)定劑的加入能使水煤漿中已分散的煤粒與周圍其他煤粒及水結(jié)合成一種較弱的、但又有一定強(qiáng)度的三維空間結(jié)構(gòu)，從而有效地阻止顆粒沉淀，防止固液分離[5]。

鍋爐灰渣[6-8]中含有大量的無機(jī)電解質(zhì)。采用煤粉鍋爐灰渣作為穩(wěn)定劑，一方面可以使灰渣里的殘?zhí)垦h(huán)利用，另一方面可以節(jié)約穩(wěn)定劑成本。

周秀麗等[9]研究了氣化灰渣對(duì)石油焦?jié){穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，適量的灰渣可作為石油焦?jié){的穩(wěn)定劑，用以制備固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的水焦?jié){。為探討灰渣作為水煤漿穩(wěn)定劑的可行性，通過試驗(yàn)，研究了灰渣對(duì)水煤漿成漿性能的影響，進(jìn)而確定了灰渣添加量，并分析了灰渣的穩(wěn)定機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 煤粉的性質(zhì)

試驗(yàn)所用煤粉樣品和灰渣均來自陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司神木分公司。煤粉和灰渣的工業(yè)分析見表1。灰渣是神府煤在煤粉鍋爐燃燒后所得，其熱值為20.16 MJ/kg。由文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[10]可知，煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等金屬氧化物。

表1 煤粉和灰渣的工業(yè)分析Table1 Proximate analysis of pulverized coal and coal slag

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)儀器有紅外水分測(cè)定儀、電子天平、NXS-4C水煤漿粘度計(jì)、AM1000L-P電動(dòng)攪拌器。

試驗(yàn)時(shí)，首先稱取一定量的分散劑(以固體總量為基準(zhǔn))和水，并充分?jǐn)嚢?，制得分散劑溶液；然后，在攪拌的情況下，向分散劑溶液中逐漸加入煤粉和灰渣，邊加邊攪拌，攪拌均勻后即得水煤漿。

1.3 產(chǎn)品分析和測(cè)試

1.3.1 水煤漿黏度的測(cè)定

采用 NXS-4C 型水煤漿黏度計(jì)測(cè)定水煤漿的表觀黏度和流變性。其中，水煤漿的最大成漿濃度參照GB/T18856.4—2002[11]中的規(guī)定，當(dāng)剪切速率為100 s-1時(shí)，其表觀黏度不應(yīng)超過1 200 mPa·s。以水煤漿表觀黏度隨剪切速率變化趨勢(shì)的好壞來評(píng)價(jià)其流變性。

1.3.2 水煤漿穩(wěn)定性的測(cè)定

采用插棒法來測(cè)定水煤漿的穩(wěn)定性。玻璃棒能夠迅速自由落棒到底，說明水煤漿的穩(wěn)定性好；若有沉淀產(chǎn)生，說明水煤漿的穩(wěn)定性差；若用力插棒仍不易到底，說明體系出現(xiàn)了硬沉淀。

1.3.3 析水率

用D25 mm×250 mm的大試管盛放水煤漿,液面用液體石蠟密封，7 d后測(cè)定析水率。析水率ΔH的計(jì)算公式為：

ΔH=H1/H0×100，

式中：H0為水煤漿原始高度；H1為析出水的高度。

1.3.4 水煤漿流動(dòng)性的測(cè)定

水煤漿流動(dòng)性的判定采取目測(cè)法，分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，其中：A級(jí)表示連續(xù)流動(dòng)，B級(jí)表示間斷流動(dòng)，C級(jí)表示不流動(dòng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉粒度分析

粒度分布寬度(RD)是指顆粒的粒徑分布范圍，其表示方法為：RD=(D90-D10)/D50。 一般認(rèn)為，RD值越大，表示粒度分布越寬，顆粒的大小分布越不均勻，越有利于顆粒間的相互填充，從而提高堆積效率；反之，RD值越小，粒度分布越窄，顆粒相互之間比較集中，顆粒大小分布均勻。粒度分布寬度結(jié)果見表2。

表2 樣品的粒度分布寬度Table 2 Size distribution width of sample

由表2可知，隨著灰渣添加量的增加，水煤漿的粒度分布寬度變大，說明灰渣起到了改善粒度分布的作用。這主要是由于隨著灰渣比例的增大，煤的可磨性指數(shù)增大[12]，同時(shí)由于灰渣表面有大量的孔結(jié)構(gòu)，能為顆粒間的接觸提供更多的接觸點(diǎn)和面[13]，改變了超細(xì)粉粒度所占百分比及平均粒度的大小，提高了煤粉堆積效率，從而對(duì)成漿性產(chǎn)生影響。

2.2 煤粉與灰渣比例對(duì)水煤漿穩(wěn)定性的影響

本試驗(yàn)水煤漿中固體顆粒(煤粉+灰渣)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%，分散劑HF-5添加量為總固體質(zhì)量的0.8%。試驗(yàn)考察了煤粉與灰渣比例分別為14∶1、16∶1、18∶1、20∶1、30∶1時(shí)水煤漿的成漿特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用HF-5分散劑制備的水煤漿很容易產(chǎn)生沉淀。圖1表示為添加灰渣后的水煤漿的成漿特性、流動(dòng)性和穩(wěn)定性，從圖1可以看出，隨著灰渣比例的增大，水煤漿的表觀黏度逐漸增大。

圖1 不同煤粉與灰渣比例下黏度隨剪切速率的變化Fig.1 Relationship between shear rate and viscosity in different ratios of pulverized coal and slag

從表3可知，隨著灰渣比例，流動(dòng)性略有變差，但水煤漿的穩(wěn)定性卻隨著灰渣比例的而增強(qiáng)。當(dāng)煤粉與灰渣比例在14∶1～30∶1時(shí)，水煤漿黏度低于1 200 mPa·s[11]，完全滿足工業(yè)要求，這表明灰渣在水煤漿中可起到一定的穩(wěn)定作用。

表3 水煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Fluidity and stability test results of coal water slurry

水煤漿流動(dòng)性變差的原因是灰渣中的金屬陽離子能吸附在煤的表面，使煤的親水性增強(qiáng)，并且被吸附的水分子在固體顆粒表面定向排列，減少了漿體內(nèi)自由水的含量[3]，導(dǎo)致水煤漿的流動(dòng)性變差。

著名的DLVO理論[14]認(rèn)為，顆粒間相互吸引取決于靜電斥力和范德華力的綜合效應(yīng)。高價(jià)金屬離子會(huì)降低電位，降低靜電斥力，當(dāng)電位降至某一數(shù)值時(shí)，顆粒很快會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，喪失穩(wěn)定性。本文的理論是，高價(jià)金屬離子不僅不會(huì)使水煤漿穩(wěn)定性喪失，反而會(huì)增強(qiáng)，這是因?yàn)榛以薪饘訇栯x子雖然使顆粒表面的陰離子電位降低，但也減少了固體顆粒間的斥力作用，促進(jìn)顆粒聚結(jié)，對(duì)已吸附有陰離子表面活性劑分子顆粒起“搭橋”作用[3]，使?jié){體結(jié)構(gòu)化程度增大，黏度增大，從而提高漿體穩(wěn)定性。

由于水煤漿是固液兩相粗粒分散懸浮體，無論是來自分子熱運(yùn)動(dòng)的布朗運(yùn)動(dòng)作用力、顆粒間的范德華引力，還是顆粒間的靜電吸引力，都不足以阻止水煤漿中顆粒的沉淀。真正能起到阻止顆粒沉淀，提高水煤漿穩(wěn)定性的正是這種空間結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒產(chǎn)生的機(jī)械阻力[15]。

2.3 灰渣對(duì)水煤漿流變性的影響

水煤漿的流變性是指受外力作用發(fā)生流動(dòng)與變形的特性。它對(duì)輸送時(shí)的流動(dòng)性、儲(chǔ)存時(shí)的穩(wěn)定性、燃燒時(shí)的可霧化性和可燃性等有很重要的影響。良好的流變性是評(píng)價(jià)高質(zhì)量水煤漿的指標(biāo)之一。

將水煤漿的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化(10、20、40、60、80、100 s-1)的規(guī)律繪制成曲線，用流變模型進(jìn)行擬合，回歸曲線如圖2所示。從圖2可以看出，灰渣水煤漿都需要施加一定的剪切應(yīng)力才可以開始流動(dòng)，即存在屈服應(yīng)力。

圖2 不同煤粉與灰渣比例下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化Fig.2 Relationship between shear stress and shear rate in different ratios of pulverized coal and slag

表4所示為利用流變模型τ=τy+Kγn做擬合得到的結(jié)果。從表4可以看出，漿體的流動(dòng)指數(shù)均<1，可知本實(shí)驗(yàn)所測(cè)范圍內(nèi)水煤漿為屈服假塑性流體。同時(shí)還可以看出，該擬合結(jié)果良好，相關(guān)系數(shù)R都在0.98以上。

表4 流變模型方程的擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of rheological model formulation

分析認(rèn)為，水煤漿之所以出現(xiàn)一定的屈服應(yīng)力，是由于其中的固體和流體會(huì)形成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而漿體屈服應(yīng)力的大小則反映著這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。由圖2可知，灰渣中的金屬離子，在各個(gè)顆粒之間架橋，使得水煤漿中的固體與流體連成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水煤漿的觸變性，因此水煤漿會(huì)像表4所示表現(xiàn)出一定的屈服應(yīng)力，且屈服應(yīng)力隨著灰渣比例的增大而增大，在剪切應(yīng)力不大時(shí)，結(jié)構(gòu)不致破壞，只變形不流動(dòng)，只有當(dāng)剪切應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時(shí)，水煤漿的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系被破壞時(shí)才產(chǎn)生流動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果還表明，灰渣添加量越多，這種空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。從圖1也可以看出，隨著剪切速率的增加，漿體的黏度逐漸減小，這說明較高的剪切速率，一方面改善了煤粉在水中的分散效果，降低了分散介質(zhì)的黏度，另一方面促進(jìn)了漿體結(jié)構(gòu)的重新排列，使水煤漿更加趨向于牛頓流體，從而使?jié){體的流動(dòng)性變好，流動(dòng)阻力降低，黏度下降[16]。因此，灰渣的加入有利于水煤漿的儲(chǔ)存、泵送和霧化。

3 結(jié)論

通過以上研究，可得出如下結(jié)論：

(1)水煤漿的穩(wěn)定性隨著灰渣添加量的增加而增強(qiáng)，所制水煤漿為屈服假塑性流體，其穩(wěn)定性可超過2 d。

(2)添加適量的灰渣可以改變水煤漿粒度分布寬度，提高煤粉堆積效率，從而提高水煤漿的穩(wěn)定性。

(3)灰渣中的無機(jī)電解質(zhì)(如SiO2、Fe2O3、K2O、Al2O3)可顯著提高水煤漿的穩(wěn)定性。

(4)灰渣的加入,增強(qiáng)了水煤漿的觸變性，加大了漿體的屈服應(yīng)力，有利于提高水煤漿的穩(wěn)定性，因此采用灰渣作為水煤漿的穩(wěn)定劑，制備出穩(wěn)定性較高的水煤漿是完全可行的。

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Effect of coal slag on ability of coal water slurry

LI Wan-wan1,2,LIANG Yao-dong1,JU Peng2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an,Shanxi 710054,China;2. Shenmu Branch of Shanxi Coal and Chemical Industry New Energy Group Co.,Ltd.,Yulin,Shanxi 719300,China)

In order to discuss feasibility of coal slag stabilizer added in coal water slurry,the coal slag from boiler is studied to understand its effect on coal slurry ability of CWS. The results show that stability of CWS can be effectively improved and will satisfy industrial requirement when ratios of pulverized coal and slag is between 14∶1 and 30∶1.

coal slag from boiler; coal water slurry; viscosity; CWS stabilizer; stability

1001-3571(2015)02-0028-04

TQ536

A

2014-11-31

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.008

李彎彎(1988—)，女，陜西省韓城市人，碩士研究生，研究方向：水煤漿技術(shù)與應(yīng)用。

E-mail:ldw2008116@163.com Tel：029-85583183