灰渣对水煤浆成浆性能的影响

李弯弯，梁耀东，巨 鹏

(1.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工新型能源有限公司 神木分公司，陕西 榆林 719300)

灰渣对水煤浆成浆性能的影响

李弯弯1，2，梁耀东1，巨 鹏2

(1.西安科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业化工新型能源有限公司 神木分公司，陕西 榆林 719300)

为探讨锅炉灰渣作为水煤浆稳定剂的可行性，采用锅炉灰渣作为水煤浆的稳定剂，研究了灰渣对水煤浆成浆性能的影响。结果表明：灰渣能够有效提高水煤浆的稳定性，当煤粉与灰渣比例为14∶1～30∶1时，制备出的水煤浆性能可满足工业要求。

水煤浆；水煤浆稳定剂；锅炉灰渣；黏度；稳定性

水煤浆是20世纪70年代石油能源危机时发展起来的一项洁净煤技术，具有燃烧效率高，污染排放低的特点。随着水煤浆应用规模的不断扩大，原来使用的制浆用煤——中等变质程度的烟煤由于价高、量少等缺点逐渐被舍弃，制浆用煤的选择逐渐向低阶烟煤和高变质程度低挥发分煤种扩展[1]。神府煤属于低阶烟煤，具有低灰、低硫、高发热量的特点，但由于其内水高、可磨性差，在制浆过程中存在成浆浓度低、稳定性差的特点[2-4]。由于制备好的水煤浆往往不是立即用于燃烧，而是需要储存一段时间或远距离输送，因此提高水煤浆的稳定性具有重要的现实意义。

水煤浆的稳定性是指煤浆在储存和运输期间保持性态均匀的特性，是表征煤浆颗粒抗沉降的能力。现阶段使用的水煤浆稳定剂主要有无机电解质和高分子化合物两类，如各种可溶性盐类、高分子表面活性剂、纤维素、聚丙烯酸盐以及一些胶体粒子(如有机膨润土)等。稳定剂的加入能使水煤浆中已分散的煤粒与周围其他煤粒及水结合成一种较弱的、但又有一定强度的三维空间结构，从而有效地阻止颗粒沉淀，防止固液分离[5]。

锅炉灰渣[6-8]中含有大量的无机电解质。采用煤粉锅炉灰渣作为稳定剂，一方面可以使灰渣里的残炭循环利用，另一方面可以节约稳定剂成本。

周秀丽等[9]研究了气化灰渣对石油焦浆稳定性的影响，结果表明，适量的灰渣可作为石油焦浆的稳定剂，用以制备固体质量分数高的水焦浆。为探讨灰渣作为水煤浆稳定剂的可行性，通过试验，研究了灰渣对水煤浆成浆性能的影响，进而确定了灰渣添加量，并分析了灰渣的稳定机理。

1 试验部分

1.1 煤粉的性质

试验所用煤粉样品和灰渣均来自陕西煤业化工新型能源有限公司神木分公司。煤粉和灰渣的工业分析见表1。灰渣是神府煤在煤粉锅炉燃烧后所得，其热值为20.16 MJ/kg。由文献[6]和文献[10]可知，煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等金属氧化物。

表1 煤粉和灰渣的工业分析Table1 Proximate analysis of pulverized coal and coal slag

1.2 试验仪器与方法

试验仪器有红外水分测定仪、电子天平、NXS-4C水煤浆粘度计、AM1000L-P电动搅拌器。

试验时，首先称取一定量的分散剂(以固体总量为基准)和水，并充分搅拌，制得分散剂溶液；然后，在搅拌的情况下，向分散剂溶液中逐渐加入煤粉和灰渣，边加边搅拌，搅拌均匀后即得水煤浆。

1.3 产品分析和测试

1.3.1 水煤浆黏度的测定

采用 NXS-4C 型水煤浆黏度计测定水煤浆的表观黏度和流变性。其中，水煤浆的最大成浆浓度参照GB/T18856.4—2002[11]中的规定，当剪切速率为100 s-1时，其表观黏度不应超过1 200 mPa·s。以水煤浆表观黏度随剪切速率变化趋势的好坏来评价其流变性。

1.3.2 水煤浆稳定性的测定

采用插棒法来测定水煤浆的稳定性。玻璃棒能够迅速自由落棒到底，说明水煤浆的稳定性好；若有沉淀产生，说明水煤浆的稳定性差；若用力插棒仍不易到底，说明体系出现了硬沉淀。

1.3.3 析水率

用D25 mm×250 mm的大试管盛放水煤浆,液面用液体石蜡密封，7 d后测定析水率。析水率ΔH的计算公式为：

ΔH=H1/H0×100，

式中：H0为水煤浆原始高度；H1为析出水的高度。

1.3.4 水煤浆流动性的测定

水煤浆流动性的判定采取目测法，分为A、B、C三个等级，其中：A级表示连续流动，B级表示间断流动，C级表示不流动。

2 结果与讨论

2.1 煤粉粒度分析

粒度分布宽度(RD)是指颗粒的粒径分布范围，其表示方法为：RD=(D90-D10)/D50。 一般认为，RD值越大，表示粒度分布越宽，颗粒的大小分布越不均匀，越有利于颗粒间的相互填充，从而提高堆积效率；反之，RD值越小，粒度分布越窄，颗粒相互之间比较集中，颗粒大小分布均匀。粒度分布宽度结果见表2。

表2 样品的粒度分布宽度Table 2 Size distribution width of sample

由表2可知，随着灰渣添加量的增加，水煤浆的粒度分布宽度变大，说明灰渣起到了改善粒度分布的作用。这主要是由于随着灰渣比例的增大，煤的可磨性指数增大[12]，同时由于灰渣表面有大量的孔结构，能为颗粒间的接触提供更多的接触点和面[13]，改变了超细粉粒度所占百分比及平均粒度的大小，提高了煤粉堆积效率，从而对成浆性产生影响。

2.2 煤粉与灰渣比例对水煤浆稳定性的影响

本试验水煤浆中固体颗粒(煤粉+灰渣)质量分数为57%，分散剂HF-5添加量为总固体质量的0.8%。试验考察了煤粉与灰渣比例分别为14∶1、16∶1、18∶1、20∶1、30∶1时水煤浆的成浆特性。试验结果表明，采用HF-5分散剂制备的水煤浆很容易产生沉淀。图1表示为添加灰渣后的水煤浆的成浆特性、流动性和稳定性，从图1可以看出，随着灰渣比例的增大，水煤浆的表观黏度逐渐增大。

图1 不同煤粉与灰渣比例下黏度随剪切速率的变化Fig.1 Relationship between shear rate and viscosity in different ratios of pulverized coal and slag

从表3可知，随着灰渣比例，流动性略有变差，但水煤浆的稳定性却随着灰渣比例的而增强。当煤粉与灰渣比例在14∶1～30∶1时，水煤浆黏度低于1 200 mPa·s[11]，完全满足工业要求，这表明灰渣在水煤浆中可起到一定的稳定作用。

表3 水煤浆的流动性和稳定性试验结果Table 3 Fluidity and stability test results of coal water slurry

水煤浆流动性变差的原因是灰渣中的金属阳离子能吸附在煤的表面，使煤的亲水性增强，并且被吸附的水分子在固体颗粒表面定向排列，减少了浆体内自由水的含量[3]，导致水煤浆的流动性变差。

著名的DLVO理论[14]认为，颗粒间相互吸引取决于静电斥力和范德华力的综合效应。高价金属离子会降低电位，降低静电斥力，当电位降至某一数值时，颗粒很快会发生团聚，丧失稳定性。本文的理论是，高价金属离子不仅不会使水煤浆稳定性丧失，反而会增强，这是因为灰渣中金属阳离子虽然使颗粒表面的阴离子电位降低，但也减少了固体颗粒间的斥力作用，促进颗粒聚结，对已吸附有阴离子表面活性剂分子颗粒起“搭桥”作用[3]，使浆体结构化程度增大，黏度增大，从而提高浆体稳定性。

由于水煤浆是固液两相粗粒分散悬浮体，无论是来自分子热运动的布朗运动作用力、颗粒间的范德华引力，还是颗粒间的静电吸引力，都不足以阻止水煤浆中颗粒的沉淀。真正能起到阻止颗粒沉淀，提高水煤浆稳定性的正是这种空间结构对颗粒产生的机械阻力[15]。

2.3 灰渣对水煤浆流变性的影响

水煤浆的流变性是指受外力作用发生流动与变形的特性。它对输送时的流动性、储存时的稳定性、燃烧时的可雾化性和可燃性等有很重要的影响。良好的流变性是评价高质量水煤浆的指标之一。

将水煤浆的剪切应力随剪切速率变化(10、20、40、60、80、100 s-1)的规律绘制成曲线，用流变模型进行拟合，回归曲线如图2所示。从图2可以看出，灰渣水煤浆都需要施加一定的剪切应力才可以开始流动，即存在屈服应力。

图2 不同煤粉与灰渣比例下剪切应力随剪切速率的变化Fig.2 Relationship between shear stress and shear rate in different ratios of pulverized coal and slag

表4所示为利用流变模型τ=τy+Kγn做拟合得到的结果。从表4可以看出，浆体的流动指数均<1，可知本实验所测范围内水煤浆为屈服假塑性流体。同时还可以看出，该拟合结果良好，相关系数R都在0.98以上。

表4 流变模型方程的拟合结果Table 4 Fitting results of rheological model formulation

分析认为，水煤浆之所以出现一定的屈服应力，是由于其中的固体和流体会形成一种空间网状结构。而浆体屈服应力的大小则反映着这种结构的强度。由图2可知，灰渣中的金属离子，在各个颗粒之间架桥，使得水煤浆中的固体与流体连成一种空间网状结构，增强了水煤浆的触变性，因此水煤浆会像表4所示表现出一定的屈服应力，且屈服应力随着灰渣比例的增大而增大，在剪切应力不大时，结构不致破坏，只变形不流动，只有当剪切应力超过屈服应力时，水煤浆的网状结构体系被破坏时才产生流动。试验结果还表明，灰渣添加量越多，这种空间结构越稳定。从图1也可以看出，随着剪切速率的增加，浆体的黏度逐渐减小，这说明较高的剪切速率，一方面改善了煤粉在水中的分散效果，降低了分散介质的黏度，另一方面促进了浆体结构的重新排列，使水煤浆更加趋向于牛顿流体，从而使浆体的流动性变好，流动阻力降低，黏度下降[16]。因此，灰渣的加入有利于水煤浆的储存、泵送和雾化。

3 结论

通过以上研究，可得出如下结论：

(1)水煤浆的稳定性随着灰渣添加量的增加而增强，所制水煤浆为屈服假塑性流体，其稳定性可超过2 d。

(2)添加适量的灰渣可以改变水煤浆粒度分布宽度，提高煤粉堆积效率，从而提高水煤浆的稳定性。

(3)灰渣中的无机电解质(如SiO2、Fe2O3、K2O、Al2O3)可显著提高水煤浆的稳定性。

(4)灰渣的加入,增强了水煤浆的触变性，加大了浆体的屈服应力，有利于提高水煤浆的稳定性，因此采用灰渣作为水煤浆的稳定剂，制备出稳定性较高的水煤浆是完全可行的。

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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

李弯弯(1988—)，女，陕西省韩城市人，硕士研究生，研究方向：水煤浆技术与应用。

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