煤泥對石油焦成漿性的影響研究

孫景陽，武 源

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

2018年，我國原煤入選率達(dá)到了71.2%[1]。煤泥的微細(xì)化，高灰分、連生體含量高等特點(diǎn)造成了煤泥分選回收能力弱，過程適應(yīng)差等缺陷，使得煤泥的產(chǎn)量不斷提升[2]。因此，將煤泥制備成水煤漿用于鍋爐燃燒，成為了煤泥潔凈利用的方法之一，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究[3，4]。但是煤泥灰分較高，制得的水煤漿雖然濃度較高，但存在熱值較低的缺點(diǎn)，同時(shí)，灰分在燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，也會(huì)造成大量的熱量損失。

石油焦是煉油廠對殘?jiān)脱舆t焦化后的產(chǎn)品，作為石油加工中的副產(chǎn)品，其中劣質(zhì)石油焦具有碳含量高、發(fā)熱量高、水分、灰分含量低等特點(diǎn)，通常用作燃料使用[5]，而高硫石油焦直接燃燒利用時(shí)會(huì)給環(huán)境帶來巨大的壓力。因此，利用水煤漿技術(shù)將石油焦制備成氣化用水焦?jié){，將克服直接燃燒帶來的巨大污染，并使SOx、NOx、CO和顆粒物排放減少80%[6]，眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究[5，7-10]。但由于石油焦疏水性強(qiáng)，密度大，制備出的水焦?jié){穩(wěn)定性較差，短時(shí)間內(nèi)便會(huì)沉淀[11]。因此，提高水焦?jié){的穩(wěn)定性有助于水焦?jié){的利用和發(fā)展。鑒于煤泥和高硫石油焦利用的困境，將煤泥與石油焦摻混制漿，這樣既能利用熱值較低的煤泥，也能提高水焦?jié){的穩(wěn)定性，為煤泥和石油焦的清潔利用提供了一條新的途徑。

本文將探討煤泥添加量對混合漿體的可制漿濃度、流變性和穩(wěn)定性的影響，確定最佳的煤泥添加量，為煤泥和石油焦的清潔利用，實(shí)現(xiàn)廢物資源化提供理論支持。

1 樣品準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品和試劑

以山西四臺(tái)選煤廠煤泥和廣東茂名石化廠石油焦為試驗(yàn)原料，對其進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果見表1。石油焦碳含量和發(fā)熱量較高，水分和氧含量較低，但含有較高的硫分，屬于高硫石油焦；煤泥具有高灰分，低硫的特點(diǎn)，屬于低硫煤。試驗(yàn)中選用亞甲基雙萘磺酸鈉(NNO)作為制漿用分散劑。

表1 樣品的工業(yè)分析與元素分析

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備與粒度測量

將煤泥和破碎后的石油焦粉磨2h，過100目篩子后留作備用，采用Mastersizer2000激光粒度分析儀對制備出的煤泥和焦粉進(jìn)行粒度測試，測試結(jié)果如圖1所示。其中煤泥和石油焦的D50分別為23.65μm和45.63μm。

圖1 樣品粒徑分布

1.2.2 水焦?jié){的制備及濃度和黏度的測定

水焦?jié){的制備采用干法制漿工藝，根據(jù)計(jì)算稱取適量的石油焦粉、煤泥、分散劑和去離子水(試驗(yàn)中石油焦、煤泥和分散劑均為干基質(zhì)量)，使用電動(dòng)攪拌機(jī)將樣品混合后，在1000r/min的速度下，攪拌10min。制得的漿體使用NXS-4C型水煤漿黏度計(jì)測量，取剪切速率100s-1時(shí)，5次讀數(shù)的平均值為漿體的表觀黏度，以表觀黏度為1000mPa·s時(shí)固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為定粘濃度，漿體的濃度測定參照《水煤漿質(zhì)量試驗(yàn)方法》(GB/T 18856.2—2008)第2部分“水煤漿濃度測定方法”進(jìn)行。

1.2.3 水焦?jié){穩(wěn)定性測定

將制備的水焦?jié){置于具塞量筒中密封保存，以1d、3d和7d漿體析出的上清液占漿體的體積分?jǐn)?shù)來計(jì)算出漿體的析水率，采用析水率來表征漿體的靜態(tài)穩(wěn)定性，析水率越大表明漿體的穩(wěn)定性越差。

1.2.4 煤泥礦物組成分析

稱取少量的煤泥，使用瑪瑙研缽研磨至-0.075mm，置于D/max-2500型X射線衍射儀樣品臺(tái)上對其進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。煤泥中主要礦物包括石英、高嶺石、和云母。

圖2 煤泥XRD圖譜

2 煤泥對石油焦成漿性的影響

2.1 分散劑濃度對石油焦成漿性的影響

將石油焦、NNO和去離子水混合制漿，得到水焦?jié){的濃度-黏度曲線如圖3所示，NNO含量為干基焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從圖3可知，水焦?jié){的表觀黏度隨固體含量的增加而增大，定黏濃度分布在66.25%～67.65%之間，隨藥劑量的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，當(dāng)藥劑濃度占干基焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.8%時(shí)，定黏濃度達(dá)到最大值67.63%，表明石油焦具有較好的成漿性。

圖3 不同分散劑濃度下水焦?jié){的濃粘曲線

2.2 煤泥添加量對石油焦成漿性的影響

根據(jù)分散劑用量試驗(yàn)，選用石油焦質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、5%、10%、20%和30%的煤泥、混合原料質(zhì)量0.8%的NNO和去離子水混合制漿，得到的數(shù)據(jù)如圖4所示。將可制漿濃度換算成可燃體濃度，結(jié)果如圖5所示。隨著煤泥添加量的增加，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，當(dāng)煤泥添加量達(dá)到20%時(shí)，漿體的定粘濃度達(dá)到最大的68.15%，但是可燃體濃度隨煤泥添加量的增加不斷減小，當(dāng)煤泥添加量達(dá)到30%時(shí)，可燃體濃度僅為60.21%。這是由于煤泥中的灰分高達(dá)36.63%，而灰分具有較高的密度，在相同質(zhì)量濃度下，灰分所占據(jù)的體積比煤小，從而能制備出更高濃度的漿體[12]。同時(shí)，由樣品的粒度分析可知，煤泥的平均粒度相對與石油焦更小，因此，細(xì)粒級(jí)的煤泥顆粒添加到粗粒級(jí)的石油焦中，充填在石油焦顆粒的間隙中，從而提高了顆粒的堆積效率，進(jìn)而提高漿體的濃度[13]，當(dāng)煤泥添加到30%時(shí)，漿體中的細(xì)顆粒增大，提高了漿體的黏度，使得定粘黏度減小。

圖4 不同煤泥添加量下漿體的濃度-黏度曲線

圖5 不同煤泥添加量下漿體的可燃體濃度與表觀黏度的關(guān)系

2.3 煤泥添加量對石油焦流變性的影響

為研究煤泥添加量對漿體流變性的影響，在設(shè)定漿體濃度為67.5%下，得到不同煤泥添加量時(shí)漿體流變曲線，結(jié)果圖6所示。未添加煤泥時(shí)，漿體的表觀黏度隨剪切速率的增加而增大，表現(xiàn)為脹塑性流體；添加煤泥后，漿體表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，表現(xiàn)為假塑性流體。由圖2可知，煤泥中的灰分主要為石英、高嶺石和云母等親水性較好、易泥化的礦物，增加了漿體內(nèi)細(xì)粒級(jí)的含量，改變了漿體的粒度配比，同時(shí)，煤泥與石油焦顆粒、分散劑共同構(gòu)成較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得漿體具有較高的初始黏度和靜態(tài)穩(wěn)定性，在外力的剪切作用下，這種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，分散在結(jié)構(gòu)中的自由水被釋放，從而使得顆粒間的阻力減小，漿體的表觀黏度降低，表現(xiàn)為剪切變稀的現(xiàn)象[14-16]。

圖6 不同煤泥添加量下漿體的流變性曲線

2.4 煤泥添加量對石油焦穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步研究煤泥添加對漿體穩(wěn)定性的影響，將測完黏度的混合漿體置于試管中密封，測量不同煤泥添加量下漿體在1d，3d和7d時(shí)的析水率，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。未添加煤泥時(shí)，漿體的析水率最大，在第1d便達(dá)到了漿體總體積的2.41%，7d時(shí)析水率增大到6.56%。隨著煤泥添加量的提高，漿體的析水率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在煤泥添加量達(dá)到20%時(shí)，析水率最小，7d后的析水率僅為4.11%。由于煤泥粒度較小，煤泥顆粒可以充填于石油焦顆粒的間隙，改善了漿體中顆粒的堆積效率，提高了漿體的穩(wěn)定性，同時(shí)，煤泥中含有的高嶺石和云母等黏土礦物，會(huì)發(fā)生吸水膨脹，進(jìn)一步阻礙石油焦顆粒的沉降，進(jìn)而改善漿體的穩(wěn)定性，提高漿體的儲(chǔ)存時(shí)間[11]。

圖7 不同煤泥添加量下漿體的析水率變化

3 結(jié) 論

1)當(dāng)分散劑NNO添加量為干基石油焦的0.8%時(shí)，石油焦的定粘濃度為67.63%，表明了石油焦具有較好的成漿性。在加入煤泥后，漿體的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到了提高，當(dāng)煤泥添加量提高到20%時(shí)，可制備出定粘濃度68.15%的漿體。

2)煤泥添加量為0%時(shí)，石油焦?jié){的表觀黏度隨剪切速率的增加而增大，表現(xiàn)為脹塑性。加入煤泥后，轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄粤黧w，表現(xiàn)出剪切變稀的特性，有利于漿體的貯存和運(yùn)輸。

3)隨著煤泥添加量的提高，漿體的析水率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在煤泥添加量達(dá)到20%時(shí)，析水率最小，7d后的析水率僅為4.11%，小于未添加煤泥時(shí)的6.56%，煤泥的添加提高了漿體的穩(wěn)定性。