城市污泥摻混水煤漿體系對(duì)粒度和漿體流變性能的影響*

馬少蓮, 周 蕊

(1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心，江蘇 徐州 221116)

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城市污泥摻混水煤漿體系對(duì)粒度和漿體流變性能的影響*

馬少蓮1,2, 周 蕊3

(1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析與計(jì)算中心，江蘇 徐州 221116)

為了研究城市污泥(污泥)摻混水煤漿體系對(duì)粒度和漿體流變性能的影響，通過(guò)成漿實(shí)驗(yàn)考察了污泥水煤漿和同樣實(shí)驗(yàn)條件下水煤漿的粒度分布和中位徑。研究表明，兩種漿體的粒度均呈雙峰分布，污泥的加入能明顯增加細(xì)顆粒的生成，并且隨著分散劑添加量和濕法球磨時(shí)間的增加，細(xì)顆粒分布增加。此外，污泥水煤漿漿體中顆粒越小，累積分布含量的增長(zhǎng)率越大，使得成漿濃度降低，表觀粘度增大。

城市污泥；水煤漿；粒度；流變性能

污泥水煤漿是基于水煤漿科技發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)污泥處置技術(shù)[1-2]。通過(guò)將污泥、煤、水和分散劑摻混來(lái)制備液體燃料，并將其直接應(yīng)用于現(xiàn)有的水煤漿鍋爐和氣化爐設(shè)備，可以減少利用成本。此外，污泥水煤漿技術(shù)不僅具有大規(guī)模處理污泥的能力，還可以高效回收污泥中熱值，并且隨著焚燒過(guò)程的進(jìn)行，能夠極大程度上將污泥中的有害物質(zhì)進(jìn)行無(wú)害化處理。因此，污泥水煤漿技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于城市污泥減量化、資源化、能源化利用具有重要意義。

水煤漿顆粒粒度是影響漿體性能的重要指標(biāo)[3-6]。合理的粒度分布有助于提高漿體濃度，降低表觀粘度，并具備良好的流變性能和著火特性。目前，針對(duì)污泥水煤漿的實(shí)驗(yàn)室研究多采用干法制漿工藝，即將污泥摻混到已研磨好的煤粉中，加入水分和分散劑后，采用機(jī)械攪拌器制漿。該方法的缺陷是無(wú)法考察污泥在煤粉研磨過(guò)程中對(duì)體系顆粒粒度的影響，因此，本文通過(guò)采用濕法磨礦工藝分別制備污泥水煤漿和相同實(shí)驗(yàn)條件下的水煤漿，并對(duì)比兩種類型漿體的粒度分布和中位徑，探討污泥摻混對(duì)體系顆粒粒度的影響，進(jìn)而分析其對(duì)漿體流變性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤和城市污泥樣品

城市污泥(污泥)選自廣東佛山某污水處理廠的機(jī)械脫水污泥。選取優(yōu)質(zhì)的制漿用氣煤作為實(shí)驗(yàn)用煤，樣品的工業(yè)分析和元素分析見表1。從表1可以看出，污泥均含有大量的水分，且具備一定的熱值。

表1 工業(yè)分析和元素分析

1.2 漿體的制備

實(shí)驗(yàn)采用濕磨制漿工藝，首先稱取破碎后的煤、定量污泥和分散劑；將稱量后的分散劑加入去離子水中；最后，分別將固體和分散劑溶液加入球磨機(jī)中，開啟球磨機(jī)，并設(shè)定球磨時(shí)間。球磨過(guò)程結(jié)束，立即關(guān)停球磨機(jī)，并從出料口取漿，直接進(jìn)行后續(xù)漿體指標(biāo)的測(cè)定。

水煤漿平行實(shí)驗(yàn)時(shí)，除不添加污泥外，其余實(shí)驗(yàn)條件與相應(yīng)污泥水煤漿成漿條件均一致。

實(shí)驗(yàn)中需要注意的是要保證球磨機(jī)負(fù)載相同，即制備的污泥水煤漿與水煤漿應(yīng)保持相同的重量，因此，水煤漿中未添加的污泥的質(zhì)量應(yīng)折算成額外漿體的質(zhì)量。

1.3 粒度的測(cè)量

采用Horiba LA-950型激光粒度儀直接測(cè)定漿體樣品粒度分布和中位徑D50。

1.4 污泥水煤漿性質(zhì)的測(cè)量

漿體的濃度依據(jù)GB/T 18856.2-2008水煤漿濃度的測(cè)定進(jìn)行。

漿體的表觀粘度依據(jù)GB/T 18856.4-2008水煤漿表觀粘度的測(cè)定進(jìn)行。使用NXS-4C型水煤漿粘度計(jì)分別測(cè)定水煤漿在剪切速率為10、20、40、60、80、100 r/s時(shí)的粘度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿體的粒度分布研究

圖1為污泥水煤漿(上)與同樣實(shí)驗(yàn)條件下水煤漿(下)的粒度圖，從圖1可以對(duì)比漿體的粒度頻度和粒度分布趨勢(shì)?？芍?，污泥水煤漿和水煤漿的漿體粒度均呈雙峰分布。其中污泥水煤漿中細(xì)顆粒頻度峰值與粗顆粒頻度峰值相差的數(shù)值，均比水煤漿中兩者之差要小。其中細(xì)顆粒頻度峰值的粒徑在10 μm附近，而粗顆粒頻度峰值的粒徑處于60～100 μm附近。污泥水煤漿漿體中顆粒越小，累積分布含量的增長(zhǎng)率越大；污泥水煤漿與相應(yīng)水煤漿相比，顆粒較小，因此累積分布含量的增長(zhǎng)率較大。

圖1 兩種漿體的粒度對(duì)比圖

表2為污泥水煤漿與水煤漿顆粒的中位徑(D50)。隨著濕磨時(shí)間的增長(zhǎng)和分散劑添加量的增加，污泥水煤漿和水煤漿的D50均表現(xiàn)出細(xì)顆粒越多的趨勢(shì)。此外，同等實(shí)驗(yàn)條件下，即分散劑添加量和濕法球磨時(shí)間相同的情況下，佛山水煤漿的D50值均比水煤漿的D50值小，這充分說(shuō)明污泥的加入導(dǎo)致了細(xì)顆粒的增加，增加了球磨機(jī)制備細(xì)顆粒的效率。

表2 兩種漿體顆粒的中位徑

2.2 漿體的流變性分析

圖2為在同樣分散劑添加量和濕法球磨時(shí)間下，污泥水煤漿和水煤漿的流變性能對(duì)比。

圖2 兩種漿體對(duì)比流變特性

由圖2可知，同樣的分散劑添加量和濕法球磨時(shí)間下，污泥水煤漿的成漿濃度均低于水煤漿的成漿濃度，但表觀粘度均大于水煤漿的表觀粘度。這與污泥-煤-分散劑在成漿體系中形成“復(fù)合污泥煤?！庇嘘P(guān)。污泥摻混入水煤漿體系后，隨著球磨機(jī)作用，污泥顆粒鑲嵌在煤-分散劑組成的大骨架結(jié)構(gòu)中，并且污泥中所含親水基團(tuán)吸附了體系中大量自由水，形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合污泥煤粒。體系中自由水的減少和復(fù)合污泥煤粒具有空間位阻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得污泥水煤漿漿體粘度增大、流動(dòng)性減弱，并且直接造成漿體在磨介周圍的黏著程度增大，磨介表面附著漿體厚度增加。由于磨介對(duì)物料的沖擊和研磨作用均較好，但是漿體流動(dòng)慢，因而造成漿體中細(xì)顆粒的增加，從而提高了磨機(jī)產(chǎn)生細(xì)顆粒的效率。因此，污泥的加入導(dǎo)致了污泥水煤漿體系中細(xì)顆粒的增加。由于污泥水煤漿的細(xì)顆粒比水煤漿要多，因而顆粒的填充位置少，造成顆粒間未達(dá)到緊密堆積，再加上體系總水分多，但是自由水分少，因而成漿濃度偏低。

3 結(jié) 論

對(duì)比污泥水煤漿與同實(shí)驗(yàn)條件下水煤漿的粒度分布和中位徑可知，污泥的加入能明顯增加細(xì)顆粒的生成，且縮小細(xì)顆粒頻度峰值與粗顆粒頻度峰值的差值，其中細(xì)顆粒頻度峰值的粒徑在10 μm附近，而粗顆粒頻度峰值的粒徑處于60～100 μm附近；隨著分散劑添加量和濕法球磨時(shí)間的增加，細(xì)顆粒分布增加。此外，污泥水煤漿漿體中顆粒越小，累積分布含量的增長(zhǎng)率越大；由于細(xì)顆粒偏多，導(dǎo)致顆粒間未達(dá)到最佳緊密堆積，使得所制漿體成漿濃度降低，表觀粘度增大。因此，濕法制漿工藝中通過(guò)加入污泥而導(dǎo)致體系中細(xì)顆粒增加并對(duì)漿體成漿特性產(chǎn)生的影響不容忽視。

[1] 朱建航.不同分散劑對(duì)污泥水煤漿成漿性和燃燒性的影響[D].杭州:浙江大學(xué), 2012.

[2] 段清兵,何國(guó)鋒,王國(guó)房,等.利用堿性物質(zhì)對(duì)污泥改性制備污泥水煤漿的實(shí)驗(yàn)研究[J].潔凈煤技術(shù), 2014, 20(01): 96-99.

[3] 李寒旭,張頌,錢寧波,等.激光粒度儀分級(jí)測(cè)定水煤漿粒度分布的研究[J].廣東化工, 2014, 41(05): 27-28.

[4] 葉向榮,劉定平,陳其中,等.粒度級(jí)配對(duì)混煤水煤漿濃度與黏度的影響[J].煤炭轉(zhuǎn)化, 2008, 31(02): 28-30.

[5] 段清兵,汪廣田,何國(guó)鋒,等.水煤漿激光粒度儀的原理與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2005(02):74-76.

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Effects of Municipal Sludge on Particle Sizes and Rheological Behaviors in Coal Water Slurry*

MAShao-lian1,2,ZHOURui3

(1 School of Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116;2 Ministry of Education’s Key Lab of Coal Processing and High Efficient Clean Utilization, Jiangsu Xuzhou 221116;3 Advanced Analysis & Computation Center, China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The particle sizes distribution andD50were studied to investigate the effects of municipal sludge on particle sizes and rheological behaviors in coal water slurry system.The results showed that the particle sizes distributions of two kinds of slurries followed two-peak pattern.Municipal sludge benefited the fine particles production.With the improvements of wet-grinding time and dispersant amount, fine particles distribution increased.Additionally, the smaller particles size in coal sludge slurry leaded to the bigger growth rate of accumulative distribution.The concentration of coal sludge slurry decreased and the apparent viscosity increased.

municipal sludge; coal water slurry; particle size; rheological behaviors

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014XT05)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(BK20141242)。

馬少蓮(1981-)，女，博士研究生，主要從事潔凈能源技術(shù)和能源政策。

TQ519

A

1001-9677(2016)019-0067-03