超声波法制备污泥生物质水煤浆的研究

张艳敏，赵 凯

(陇东学院化学化工学院，甘肃庆阳745000)

超声波法制备污泥生物质水煤浆的研究

张艳敏，赵 凯

(陇东学院化学化工学院，甘肃庆阳745000)

研究用超声波技术制备生物质污泥水煤浆。采用干燥法、旋转粘度计法、静止析水法分别探讨了污泥煤浆的最佳浓度、表观粘度和静态稳定性。通过研究表明添加过污泥的水煤浆比没有添加过污泥的水煤浆浓度会有所提高；又经超声波强化后污泥水煤浆的浓度会随超声波频率的增加而升高、随超声时间的不同而改变。综合分析得出污泥的添加量为18%，超声时间为20min时污泥水煤浆浓度最佳。污泥水煤浆的表观粘度在超声波频率相同时其总体趋势随时间的增加而降低。超声条件为59kHz、20min时污泥水煤浆的静态稳定性能最佳。

生物质污泥；水煤浆；超声波

煤炭的利用和发展在人类文明史上起着无法估量的作用。当前，随着人类对能源需求的不断增长，一次性化石燃料的消耗日益增加，煤炭再次受到了应有的青睐，同时煤炭的过度利用也使其储量快速消耗着。我国的能源现状向来以煤炭为主，煤炭消费的主导地位并没有改变，煤炭利用产生的污染问题也是日益严重[1]。

水煤浆技术是将固体煤燃料变成流态煤燃料的洁净煤技术，使其具备了重油的液态燃烧的类似能力，这对于促进煤炭的高效和清洁利用具有非凡的现实意义，所以发展水煤浆技术不但可以取得良好的环境效益，还可以取得可观的代油经济效益和节能效益[2]。生物质作为能源利用已经有很多年的历史，至今仍有许多人把生物质作为生活能源，但如今它已不再是简单地燃烧，而是基于现代技术的高效利用将其转变成能源。生物质水煤浆技术是将生物质利用技术与水煤浆技术结合起来的一种新型技术。该技术将含有生物质能的生物质与煤掺杂在一起制成生物质水煤浆，这样既可以减少煤的用量，还利用了一定量的生态污泥，不但节约了资源，而且增加了污泥处理能力，有很好的节约和环保效益，这为我国煤炭资源利用方法和污泥处理方式提供了一个很好的范例[3]。本文取样的污泥中包含植物树叶、虫卵、微生物，符合生物质的要求，实验通过往水煤浆中添加不同质量的污泥来研究水煤浆性能，提出了一种具有工业前景的煤炭使用方法。

1 实验部分

1.1 生物质污泥的制备

水沟周边环山植被种类多，沟中含有大量的腐烂树叶、树枝、微生物遗体和虫卵。因此，可用水沟内的污泥来模拟生态环境条件下的污泥，水沟周边生态环境如图1～4所示。

图1 污泥取样地点岸边环境

图2 污泥取样地点平地环境

图3 污泥取样地点周边山体环境

图4 污泥取样地点河沟纵向环境

取污泥时要注意将污泥的上层去掉，尽可能地取污泥层的中下部，因为大多数的微生物的分解集中在此部分，所以该段的污泥是最符合实验要求的。将污泥取回后应将其平铺在一个厚薄均匀的平木板上，将其放在10℃左右、日光充足的环境下，风干72小时，以去除其中的大量水分，达到符合实验研究的生态污泥状况(含水量大约在30%左右)[4]。污泥风干后如图5所示。

图5 风干后平铺在平板上的污泥

1.2 实验仪器设备

NDJ-8S旋转粘度；JJ-1增力电动搅拌器；SK250LH超声波清洗仪器；注射器；密封式化验制样粉碎机：鹤壁市丰泰仪器仪表有限公司制造，型号GJ-1。

1.3 原水煤浆和生物质污泥水煤浆的制备

水煤浆是由60%～70%的煤与39%～29%的水及少量的添加剂经过磨碎和强力搅拌而成的两相流浆体。根据流动介质的不同，实验用生物质水煤浆由煤和污泥(60%)、蒸馏水(39%)、木质素磺酸钠添加剂(1%)组成[5]。其中，用污泥质量占煤样和污泥的总质量的百分比表示污泥量的多少，配比如表1～2所示。

表1 原水煤浆配比表

表2 生物质污泥水煤浆配比表

制备过程：将250ml的烧杯称重去皮，把60g已干燥好的100目煤样放入烧杯中，之后往其中添加39g蒸馏水，并用注射器抽取1g添加剂加入烧杯中。重复上述步骤分别制得6%、18%、30%的生物质污泥水煤浆，其中污泥的质量分别为3.6g、10.8g、18g，煤样的质量则分别为56.4g、49.2g、42g,蒸馏水与添加剂的用量不变。将4种配比好的水煤浆用JJ-1增力电动搅拌器进行搅拌，待搅拌棒停止转动时，取出搅拌好的水煤浆，尽量将搅拌棒上的煤浆回收到烧杯中以防止水煤浆的质量损失[6]。

1.4 原水煤浆和生物质污泥水煤浆的浓度性能测定

(1)称取一定质量的原水煤浆和生物质水煤浆试样置于超声波清洗仪器中,在40KHz和59KHz频率下，分别振荡10min、20min、30min。然后在105℃下的干燥箱中干燥至质量恒定，干燥后的试样质量占原试样质量的质量分数应作为水煤浆浓度，用百分比表示。

(2)结果计算

式中 C—水煤浆浓度，%；

m1—试样干燥后的质量，g；

m0—试样干燥前的质量，g。

1.5 原水煤浆和生物质污泥水煤浆的表观粘度性能测定

称取一定质量的原水煤浆和生物质水煤浆试样置于超声波清洗仪器中，在40KHz和59KHz频率下，分别振荡10min、20min、30min。然后用NDJ-8S旋转粘度计测定水煤浆的表观粘度[7]。

1.6 原水煤浆和生物质污泥水煤浆的静态稳定性能测定

水煤浆稳定性的测定原理是将一定量均匀的水煤浆置于烧杯中，在规定条件下振荡或静置一定时间后，将容器垂直倒置一定时间，待水煤浆全部流出后，称量烧杯中残留物的质量。以水煤浆的残留物占水煤浆试样的质量百分比表示水煤浆的动态和静态稳定性[8]。本实验着重研究水煤浆的静态稳定性。

2 结果与讨论

2.1 浓度性能

将生物质污泥水煤浆浓度数据汇总，得到表3～5。

表3 非超声波条件下生物质污泥水煤浆浓度数据表

表4 超声条件下40kHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆浓度数据表

表5 超声条件下59KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆浓度数据表

由表3～5绘制浓度关系图6～8。

图6 非超声波条件下不同质量分数的生物质污泥水煤浆浓度关系图

图7 超声条件下40KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆浓度关系图

图8 超声条件下59KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆浓度关系图

根据图6中的趋势关系可以看出，将一定质量分数的生物质污泥添加到水煤浆中可以在一定程度上提高水煤浆的浓度；由图7～8可以看出原水煤浆经超声波不同时间和不同频率强化后，污泥质量分数在18%左右时水煤浆浓度性能最佳，是否添加污泥对浓度性能有着明显影响；由表3～5可以看出超声波处理频率为59KHz、处理时间为20min时水煤浆的浓度性能更好。添加不同质量的污泥后，浓度有所提高是由于污泥在一定程度上可以起到类似黏结剂的作用，又经超声强化后，煤粉级配明显向细的方向转化，有利于分散剂与煤粉之间的填充，使单位面积内的各种水煤浆的质量也相应增大，促进了水煤浆浓度性能的改变[9]。

2.2 表观黏度性能

将生物质污泥水煤浆的表观粘度数据汇总，得到表6～8。

表6 非超声条件下生物质污泥水煤浆表观粘度数据表

表7 超声条件下40KHz,不同振荡时间生物质污泥水煤浆表观粘度数据表

表8 超声条件下59KHz,不同振荡时间生物质污泥水煤浆表观粘度数据表

由表6～8绘制表观粘度关系图9～11。

图9 非超声条件下不同质量分数的生物质污泥水煤浆表观粘度关系图

图10 超声条件下40KHz,不同振荡时间生物质污泥水煤浆表观粘度关系图

图11 超声条件下59KHz,不同振荡时间生物质污泥水煤浆表观粘度关系图

由图9可知在未经超声波强化的条件下，添加生物质污泥后水煤浆粘度的上下浮动变化并不太明显；又由图10～11可以看出一旦经超声波强化，添加污泥的水煤浆表观粘度比没有添加污泥的水煤浆表观粘度得到了明显的提高，而添加污泥的水煤浆表观黏度在超声波频率相同时随着强化时间的增加有下降的趋势；由表6～8得知在强化时间相同时，随着超声波频率的增大水煤浆的表观粘度也有增大的趋势。在超声波强化条件下，煤粉级配向着更细的方向转化，而且煤粒之间的分布更加均匀，煤粒间形成类似絮状小分子团的能力下降，使水煤浆各组分间能形成更稳定的分布环境，故而导致了水煤浆的表观粘度下降。

2.3 静态稳定性能

将生物质污泥水煤浆静态稳定性数据汇总，得到表9～11。

表9 非超声条件下生物质污泥水煤浆静态稳定性数据表

表10 超声条件下40KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆静态稳定性数据表

由表9～11绘制静态稳定性关系图12～14。

图13 超声条件下40KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆静态稳定性关系图

图14 超声条件下59KHz，不同振荡时间生物质污泥水煤浆静态稳定性关系图

由图12得出在不经任何处理的条件下，生物质污泥水煤浆的静态稳定性比不添加污泥的水煤浆静态稳定性好；由图13～14可以看出超声波频率相同时，静态稳定性有着较大的起伏变化，超声波强化频率为40KHz时添加污泥的水煤浆比不添加污泥的水煤浆的静态稳定性好些。随着污泥添加质量的增加生物质污泥水煤浆的静态稳定性能先升高后下降，在20min时静态稳定性能最好；超声波强化频率为59KHz时添加过污泥的水煤浆比不添加污泥的水煤浆的静态稳定性能总体差些，而污泥添加量为18%的生物质污泥水煤浆的静态稳定性能曲线在20min时最好；由表9～11可知超声波强化处理时间相同时，生物质污泥水煤浆的稳定性能都有提高，而生物质水煤浆的静态稳定性能除个别无规律外，其余的都呈增加的趋势。这是由于在添加污泥的水煤浆中污泥在搅拌与静置的过程中会对水分进行吸附作用，使水煤浆中的水尽可能地不会与煤浆分离开来，保持水煤浆良好的稳定状态，从而促使了水煤浆的稳定性能的提高，此外，生物质污泥可以阻止煤浆颗粒的沉淀，污泥中的微生物也可以维持煤浆的稳定性，随着静置时间的延长，污泥煤浆的稳定性开始变差，这是因为微生物的死亡导致了生物作用的减弱[9,10]。

3 结论

综合分析得出污泥的添加量为18%、超声时间为20min时污泥水煤浆浓度最佳。污泥水煤浆的表观粘度在超声波频率相同时总体趋势随时间的增加而降低。超声条件为59KHz、20min时污泥水煤浆的静态稳定性能最佳。用超声波技术制备生物质污泥水煤浆，可以使水煤浆的性能发生显著变化，这种变化不但表现为表观粘度大幅度降低，而且水煤浆的静态稳定性和浓度也得以显著改善。

[1]陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京:化学工业出版社,2001:6-12.

[2]何国峰,詹隆,王燕芳.水煤浆技术发展与应用[M].北京:化学工业出版社,2012:3-4,23-24.

[3]王敏,宋志国.绿色化学化工技术[M].北京:化学工业出版社,2012:116-119.

[4]王雨.预干燥污泥与煤矸石混燃研究[D].河北联合大学,2014：23-26.

[5]周安宁,黄定国.洁净煤技术[M].江苏:中国矿业大学出版社,2010：62-72.

[6]李婷婷.麦秸秆—煤浆的制备及其气化特性研究[C].江苏:中国矿业大学出版社,2014:25-27.

[7]GB/T18856.4-2008.水煤浆试验方法之表观粘度测定[S].

[8]傅从,李英华,孙刚.水煤浆稳定性测定方法的研究和标准制定[J].洁净煤技术，2002,8(4):20-23.

[9]王惠桐.污泥煤浆的最佳浓度、流变特性与稳定特性研究[D].江苏大学,2009：15-18.

[10]刘玉英,刘增厚,葛军,等.超声波强化水煤浆制备方法的研究[J].燃料化学学报,1996,24(4):360-363.

【责任编辑 赵建萍】

Preparation of Biomass Coal Water Slurry through Ultrasonic Method

ZHANG Yan-min, ZHAO Kai

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

The preparation of biomass sludge coal water slurry by ultrasonic technology is stuided. The optimal sludge coal slurry concentration, apparent viscosity and static stability is discussed through dry method, rotating viscometer method and static analysis water respectively. The study shows that the addition of water coal slurry sludge than without added water coal slurry concentration of sewage sludge will be increased. After ultrasonic enhanced the sludge concentration of coal water slurry will be increased with the increase of ultrasonic frequency, ultrasonic time and change. Comprehensive analysis shows that the sludge content is 18%, and the concentration of sludge slurry is best when the ultrasonic time is 20min. The apparent viscosity of sludge coal water slurry is decreased with the increase of the time and the overall trend of the ultrasonic frequency. The best static stability of coal water slurry is 59KHz and 20min.

biomass sludge; coal water slurry; ultrasonic wave

1674-1730(2017)01-0086-05

2016-05-08

张艳敏(1985—)，女，河北廊坊人，讲师，硕士，主要从事煤化工方向研究。

TQ53

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