煤泥对石油焦成浆性的影响研究

孙景阳，武 源

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

2018年，我国原煤入选率达到了71.2%[1]。煤泥的微细化，高灰分、连生体含量高等特点造成了煤泥分选回收能力弱，过程适应差等缺陷，使得煤泥的产量不断提升[2]。因此，将煤泥制备成水煤浆用于锅炉燃烧，成为了煤泥洁净利用的方法之一，相关学者已经做了大量的研究[3，4]。但是煤泥灰分较高，制得的水煤浆虽然浓度较高，但存在热值较低的缺点，同时，灰分在燃烧后会产生大量的炉渣，也会造成大量的热量损失。

石油焦是炼油厂对残渣油延迟焦化后的产品，作为石油加工中的副产品，其中劣质石油焦具有碳含量高、发热量高、水分、灰分含量低等特点，通常用作燃料使用[5]，而高硫石油焦直接燃烧利用时会给环境带来巨大的压力。因此，利用水煤浆技术将石油焦制备成气化用水焦浆，将克服直接燃烧带来的巨大污染，并使SOx、NOx、CO和颗粒物排放减少80%[6]，众多学者开展了相关的研究[5，7-10]。但由于石油焦疏水性强，密度大，制备出的水焦浆稳定性较差，短时间内便会沉淀[11]。因此，提高水焦浆的稳定性有助于水焦浆的利用和发展。鉴于煤泥和高硫石油焦利用的困境，将煤泥与石油焦掺混制浆，这样既能利用热值较低的煤泥，也能提高水焦浆的稳定性，为煤泥和石油焦的清洁利用提供了一条新的途径。

本文将探讨煤泥添加量对混合浆体的可制浆浓度、流变性和稳定性的影响，确定最佳的煤泥添加量，为煤泥和石油焦的清洁利用，实现废物资源化提供理论支持。

1 样品准备及试验方法

1.1 试验样品和试剂

以山西四台选煤厂煤泥和广东茂名石化厂石油焦为试验原料，对其进行工业分析和元素分析，结果见表1。石油焦碳含量和发热量较高，水分和氧含量较低，但含有较高的硫分，属于高硫石油焦；煤泥具有高灰分，低硫的特点，属于低硫煤。试验中选用亚甲基双萘磺酸钠(NNO)作为制浆用分散剂。

表1 样品的工业分析与元素分析

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备与粒度测量

将煤泥和破碎后的石油焦粉磨2h，过100目筛子后留作备用，采用Mastersizer2000激光粒度分析仪对制备出的煤泥和焦粉进行粒度测试，测试结果如图1所示。其中煤泥和石油焦的D50分别为23.65μm和45.63μm。

图1 样品粒径分布

1.2.2 水焦浆的制备及浓度和黏度的测定

水焦浆的制备采用干法制浆工艺，根据计算称取适量的石油焦粉、煤泥、分散剂和去离子水(试验中石油焦、煤泥和分散剂均为干基质量)，使用电动搅拌机将样品混合后，在1000r/min的速度下，搅拌10min。制得的浆体使用NXS-4C型水煤浆黏度计测量，取剪切速率100s-1时，5次读数的平均值为浆体的表观黏度，以表观黏度为1000mPa·s时固体质量分数为定粘浓度，浆体的浓度测定参照《水煤浆质量试验方法》(GB/T 18856.2—2008)第2部分“水煤浆浓度测定方法”进行。

1.2.3 水焦浆稳定性测定

将制备的水焦浆置于具塞量筒中密封保存，以1d、3d和7d浆体析出的上清液占浆体的体积分数来计算出浆体的析水率，采用析水率来表征浆体的静态稳定性，析水率越大表明浆体的稳定性越差。

1.2.4 煤泥矿物组成分析

称取少量的煤泥，使用玛瑙研钵研磨至-0.075mm，置于D/max-2500型X射线衍射仪样品台上对其进行测试，测试结果如图2所示。煤泥中主要矿物包括石英、高岭石、和云母。

图2 煤泥XRD图谱

2 煤泥对石油焦成浆性的影响

2.1 分散剂浓度对石油焦成浆性的影响

将石油焦、NNO和去离子水混合制浆，得到水焦浆的浓度-黏度曲线如图3所示，NNO含量为干基焦粉的质量分数。从图3可知，水焦浆的表观黏度随固体含量的增加而增大，定黏浓度分布在66.25%～67.65%之间，随药剂量的增加，呈现出先增加后减少的趋势，当药剂浓度占干基焦粉质量分数的0.8%时，定黏浓度达到最大值67.63%，表明石油焦具有较好的成浆性。

图3 不同分散剂浓度下水焦浆的浓粘曲线

2.2 煤泥添加量对石油焦成浆性的影响

根据分散剂用量试验，选用石油焦质量分数0%、5%、10%、20%和30%的煤泥、混合原料质量0.8%的NNO和去离子水混合制浆，得到的数据如图4所示。将可制浆浓度换算成可燃体浓度，结果如图5所示。随着煤泥添加量的增加，固体质量分数呈现出先增加后减少的趋势，当煤泥添加量达到20%时，浆体的定粘浓度达到最大的68.15%，但是可燃体浓度随煤泥添加量的增加不断减小，当煤泥添加量达到30%时，可燃体浓度仅为60.21%。这是由于煤泥中的灰分高达36.63%，而灰分具有较高的密度，在相同质量浓度下，灰分所占据的体积比煤小，从而能制备出更高浓度的浆体[12]。同时，由样品的粒度分析可知，煤泥的平均粒度相对与石油焦更小，因此，细粒级的煤泥颗粒添加到粗粒级的石油焦中，充填在石油焦颗粒的间隙中，从而提高了颗粒的堆积效率，进而提高浆体的浓度[13]，当煤泥添加到30%时，浆体中的细颗粒增大，提高了浆体的黏度，使得定粘黏度减小。

图4 不同煤泥添加量下浆体的浓度-黏度曲线

图5 不同煤泥添加量下浆体的可燃体浓度与表观黏度的关系

2.3 煤泥添加量对石油焦流变性的影响

为研究煤泥添加量对浆体流变性的影响，在设定浆体浓度为67.5%下，得到不同煤泥添加量时浆体流变曲线，结果图6所示。未添加煤泥时，浆体的表观黏度随剪切速率的增加而增大，表现为胀塑性流体；添加煤泥后，浆体表观黏度随剪切速率的增大而减小，表现为假塑性流体。由图2可知，煤泥中的灰分主要为石英、高岭石和云母等亲水性较好、易泥化的矿物，增加了浆体内细粒级的含量，改变了浆体的粒度配比，同时，煤泥与石油焦颗粒、分散剂共同构成较为稳定的三维网状结构，使得浆体具有较高的初始黏度和静态稳定性，在外力的剪切作用下，这种三维网络结构被破坏，分散在结构中的自由水被释放，从而使得颗粒间的阻力减小，浆体的表观黏度降低，表现为剪切变稀的现象[14-16]。

图6 不同煤泥添加量下浆体的流变性曲线

2.4 煤泥添加量对石油焦稳定性的影响

为了进一步研究煤泥添加对浆体稳定性的影响，将测完黏度的混合浆体置于试管中密封，测量不同煤泥添加量下浆体在1d，3d和7d时的析水率，试验结果如图7所示。未添加煤泥时，浆体的析水率最大，在第1d便达到了浆体总体积的2.41%，7d时析水率增大到6.56%。随着煤泥添加量的提高，浆体的析水率呈现先减小后增大的趋势，在煤泥添加量达到20%时，析水率最小，7d后的析水率仅为4.11%。由于煤泥粒度较小，煤泥颗粒可以充填于石油焦颗粒的间隙，改善了浆体中颗粒的堆积效率，提高了浆体的稳定性，同时，煤泥中含有的高岭石和云母等黏土矿物，会发生吸水膨胀，进一步阻碍石油焦颗粒的沉降，进而改善浆体的稳定性，提高浆体的储存时间[11]。

图7 不同煤泥添加量下浆体的析水率变化

3 结 论

1)当分散剂NNO添加量为干基石油焦的0.8%时，石油焦的定粘浓度为67.63%，表明了石油焦具有较好的成浆性。在加入煤泥后，浆体的固体质量分数得到了提高，当煤泥添加量提高到20%时，可制备出定粘浓度68.15%的浆体。

2)煤泥添加量为0%时，石油焦浆的表观黏度随剪切速率的增加而增大，表现为胀塑性。加入煤泥后，转变为假塑性流体，表现出剪切变稀的特性，有利于浆体的贮存和运输。

3)随着煤泥添加量的提高，浆体的析水率呈现先减小后增大的趋势，在煤泥添加量达到20%时，析水率最小，7d后的析水率仅为4.11%，小于未添加煤泥时的6.56%，煤泥的添加提高了浆体的稳定性。