棉秸稈—水煤漿制備工藝的研究

顏雪琴 ，蔡金燕，潘洪杰

(1.新疆石河子職業(yè)技術學院；2.新疆天業(yè)集團有限公司，新疆 石河子 832000)

我國棉花主要有三大產(chǎn)區(qū)：黃河流域、長江流域和新疆。其中，新疆2017年棉花實播面積3162.9萬畝，播種面積占全國的63%。由于交通、技術等諸多因素的制約，新疆棉秸稈大多采取就地掩埋或直接焚燒的方式處理。棉秸稈焚燒產(chǎn)生大量煙氣并釋放大量有害氣體，破壞生態(tài)環(huán)境，且浪費資源。

水煤漿是一種新型煤炭潔凈燃料，具有良好的流動性與穩(wěn)定性，可泵送、霧化與穩(wěn)定燃燒，可應用于工業(yè)氣化爐、工業(yè)鍋爐和電站鍋爐等。水煤漿技術是適合我國現(xiàn)階段的代油、環(huán)保及節(jié)能技術。將棉秸稈碳化粉碎加入至水煤漿中，可以降低水煤漿濃度和流動性，減緩顆粒沉降，提高水煤漿的粘度和穩(wěn)定性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

原料煤：采自新疆五彩灣露天煤礦，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

棉秸稈：采自新疆生產(chǎn)建設兵團第八師148團棉田，成分分析見表1。

添加劑：木質(zhì)素磺酸鈉，由山東臨沂市乾通化工有限公司生產(chǎn)。

表1 棉桔桿—水煤漿原料成分分析

1.2 試驗儀器設備

主要試驗設備：GZ120-S數(shù)顯型恒速強力電動攪拌機，SG-GL管式爐，SX-12-1馬弗爐，G-903 MB數(shù)顯鼓風干燥箱，F(xiàn)A104A電子分析天平，F(xiàn)Z102微型植物粉碎機，XMB-67棒磨機，TNXS11-B型旋轉(zhuǎn)粘度計，PHG-3081F數(shù)顯pH計，EDX3600B XRF成分儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 煤粉制備

將原料煤用破碎機粉碎成一定粒度，然后用小型棒磨機進行制粉，所制水煤漿原料煤樣粒度分布要求見表2。

表2 制水煤漿原料煤樣粒度分布要求

1.3.2 棉秸稈碳化

將棉秸稈剪至4～6 cm段，再將秸稈段置于管式爐在氮氣氛圍下對其進行低溫炭化處理，然后冷卻至室溫，破碎到200目，備用。

1.3.3 水煤漿制備

本試驗采用干法制漿工藝，即：將已制備的煤粉、碳化后的秸稈粉、水、添加劑等按照一定比例，加入250 mL錐形中溶解，將電動攪拌器速度設置為1 000 r/min，攪拌10 min后即得棉秸稈水煤漿。每個樣號做3個平行樣，然后進行各項性能測試，取平均值。棉桔桿—水煤漿制備流程見圖1。

圖1 棉桔桿—水煤漿制備流程示意

煤粉、水、棉秸稈粉、添加劑用量見表3。

表3 棉桔桿—水煤漿成分比例表

1.3.4 數(shù)據(jù)測定

將制備好的棉桔桿—水煤漿先進行濃度、表觀黏度測試后妥善保存，然后再進行流動性、穩(wěn)定性測試。

(1)水煤漿濃度。測定按照 GB/T 18856. 2—2008《水煤漿試驗方法 第 2 部分：濃度測定》規(guī)定的干燥法測定。

(2)水煤漿表觀黏度測定。按照GB/T 18856. 4—2008《水煤漿試驗方法 第 4 部分：表觀黏度測定》測定，采用NXS一n型旋轉(zhuǎn)粘度計測定。將適量水煤漿樣品倒入測量容器中，(20±0.1)℃恒溫水浴，使剪切速率從0升至100 s-1，在剪切速率為 100 s-1時，每隔30 s，記錄1次數(shù)據(jù)，共計10組，所有數(shù)據(jù)的平均值即為水煤漿的表觀黏度η。

(3)水煤漿流動性測定。采用目測法，根據(jù)其流動性狀，分為A、B、C、D共4個等級，每個等級標準：A—不間斷流動；B—間斷流動，呈稀糊狀；C—間斷流動，呈粘稠狀；D—不流動。

(4)水煤漿穩(wěn)定性測定。參照GB/T 18856. 4—2008《水煤漿試驗方法 第5部分，將水煤漿置于容器中放在振蕩器中震蕩6 h后，將容器垂直倒懸30 s時間，讓其中的漿體流入另一個容器中，以原容器中水煤漿的殘留物占水煤漿樣的質(zhì)量百分比表示水煤漿的穩(wěn)定性。所占比例越大，表示水煤漿的穩(wěn)定性越差。

式中，SBdyn為水煤漿的穩(wěn)定性，以質(zhì)量分數(shù)表示，%；mA為水煤漿震蕩后試樣瓶中殘留物的質(zhì)量，g；ms為水煤漿試樣的總質(zhì)量，g。

2 結果分析

2.1 水煤漿濃度、粘度、流動性、穩(wěn)定性

將棉秸稈按比例添加至水煤漿后，與未添加棉秸稈的1號樣進行比較，結果如表4。

由表 4 可知，棉秸稈添加至水煤漿中可顯著提高棉秸稈—水煤漿的粘度和穩(wěn)定性，但漿體的流動性和成漿濃度降低。隨著棉秸稈添加量的增加，成漿濃度明顯降低。這是由于原料煤屬于煤化程度較高的高階煤，氧含量偏低，水分含量也低，孔隙小，在水煤漿中，煤粒吸附的水分含量少，致使水煤漿中流動水分增加，提高了煤粒的分散和流動，使得水煤漿粘度增加，漿體成漿濃度降低。棉秸稈碳化破碎后，比表面積增加，水煤漿中大量水分和細小顆粒滲入棉秸稈顆粒內(nèi)部，使得水煤漿中的自由流動水分大量缺失，水煤漿粘度增加，流動性變差，從而降低了棉秸稈—水煤漿的濃度。故隨著棉秸稈的添加量增加，棉秸稈—水煤漿中懸浮的纖維狀顆粒增多，粘度變大，棉秸稈—水煤漿的流動性變差，濃度降低。棉秸稈表面含有較多親水性含氧官能團，容易與H2O分子通過氫鍵-H產(chǎn)生締合效應，使包裹在固體顆粒表面的水化膜厚度增加，顆粒間位阻增大，減少了顆粒間團聚絮凝，顆粒沉降速率減低，導致棉秸稈—水煤漿濃度降低；棉秸稈屬于鏈狀高分子物質(zhì)，在漿體中容易與添加的高分子水煤漿分散劑分子發(fā)生交聯(lián)，形成復雜的三維網(wǎng)狀結構，減緩固體顆粒的沉降作用，延長漿體形成沉淀的時間；另外，棉秸稈的孔隙結構發(fā)達，煤粒進入棉秸稈顆粒中，增加了煤粒間的空間距離，提高了位阻，從而提高了棉秸稈—水煤漿穩(wěn)定性。

綜上所述，隨著棉秸稈添加量的增加，棉秸稈—水煤漿成漿濃度和流動性降低，，但粘度與穩(wěn)定性明顯增加。綜合考慮，棉秸稈添加量以6%(干基)最佳。

2.2 水煤漿pH值

測得棉秸稈—水煤漿pH值見表5。

表5 棉秸稈—水煤漿的pH值

由表5可知，將棉秸稈加入水煤漿中，棉秸稈—水煤漿溶液顯弱堿性，這是因為棉秸稈含有大量的堿性金屬。符合工藝生產(chǎn)要求，pH值為7～9。

3 結 語

(1)由于棉秸稈中大量纖維狀物質(zhì)形成網(wǎng)狀結構，可減緩煤炭顆粒沉降，因而提高了漿體穩(wěn)定性。棉秸稈的強吸水性和大量孔隙結構使得水煤漿體系中的流動水分降低，漿體粘度升高，流動性變差。

(2)利用棉秸稈制備水煤漿，可以有效利用廢棄棉秸稈，為廢棄棉秸稈的處理提供了新的思路。

(3)將棉秸稈添加至水煤漿中的試驗方法可靠，為工業(yè)生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。