兰炭末成浆性能研究

王菲菲，胡伟涛，杜汉双，王绍武，张美荣，王兴璞，谭洪金，杨长磊

(山东荣信集团有限公司，山东济宁 273500)

兰炭(又称半焦)因其燃烧时有较短的蓝色火焰而得名，按形状规格分为大料、中料、小料及焦面等[1]。兰炭是利用神府煤田盛产的优质侏罗精煤块在中低温条件下干馏热解而得到的较低挥发分的固体炭质产品，结构为块状，粒度一般在3 mm以上，外观呈浅黑色，具有高固定炭、高比电阻、高化学活性、低灰份、低铝、低硫、低磷等特性[2]。兰炭作为一种新型的炭素材料，已逐步取代冶金焦无烟煤和木炭广泛运用于电石、金属硅、铁合金、硅铁、铬铁、硅锰、碳化硅和化肥等产品的生产中[3]。此外，在高炉喷吹、生产炭化材料、活性炭等领域也可替代一部分无烟煤和焦炭。

近年来，随着我国节能减排、低碳发展各项政策的实施，钢铁、电石等高耗能工业受到限制，由此引起兰炭产业长期处于产量过剩状态。兰炭末长期得不到回收利用，造成了极大的浪费。通过对兰炭末进行提质加工，将其转化为可作为燃料的兰炭水煤浆，为兰炭末的清洁利用提供一种可行的思路。

1 试验部分

1.1 主要试剂和仪器

兰炭末，粒径d≤30 mm，市场采购的陕西榆林产地；萘磺酸盐，化学纯，荏平县金顺化工有限公司；复混添加剂819、1802、1704、3001，实验室自制。

GZX-9140MBE型电热恒温鼓风干燥箱，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；ZQM型磨煤机，鹤壁市冶金机械设备有限公司；BSA22025型红外快速水份测定仪，苏州赛恩斯仪器有限公司；Bettersize2600型激光粒度分布仪，丹东百特仪器有限公司；NXS-4CP型水煤浆黏度计，成都领度仪器有限公司。

1.2 试验过程

兰炭浆的制备过程如下：

1)将兰炭末破碎至粒度20 mm左右，置于鼓风干燥箱中，110 ℃下干燥至少4 h。

2)称取一定量烘干后的兰炭末于料钵中，以磨煤机研磨一定时间，研磨成具有一定粒度级配的兰炭粉，以激光粒度仪分析该磨煤条件下的粒度级配，通过调整磨煤质量与磨煤时间来调整兰炭粉粒度。

3)称取一定量的兰炭粉进行制浆，测定兰炭浆试样的黏度、流动性、析水率以及稳定性，分析兰炭的成浆性情况。

4)通过调整添加剂配比、添加剂添加量、水量等条件，调整兰炭浆的成浆浓度、黏度、流动性、析水率以及稳定性[4]。

1.3 兰炭浆的分析检测方法

兰炭浆浓度的测定，参照GB/T 18856.2—2008《水煤浆试验方法 第2部分：浓度测定》中红外干燥法进行测定；兰炭浆黏度的测定，参照照GB/T 18856.4—2008《水煤浆试验方法 第4部分：表观黏度测定》进行测定；兰炭浆流动性的测定采用计时法与目测法相结合的方法。①目测法：在水煤浆制浆过程中，水煤浆搅拌均匀后，用玻璃棒挑起水煤浆观察水煤浆向下流动时的状态。煤浆流动状态分为A、B、C、D 4个等级。其中A级表示水煤浆为稀流体，流动连续，平滑不间断；B级表示水煤浆为稠流体，流动较连续，流体表面不光滑；C级表示水煤浆需借助外力才能较好地流动；D级表示水煤浆为泥状不成浆，不能流动。以“+”、“-”号表示等级间更细微的区别。②计时法：将搅拌均匀的水煤浆流过内径为11 mm的玻璃管，记录100 mL水煤浆流过所用的时间，30 s内说明流动性较优；30~60 s时说明流动性稍差，一定程度内也可满足生产需要；大于60 s时说明流动性较差。

兰炭浆稳定性的测定过程如下。将玻璃棒插入分别静置24，48，72 h后的水煤浆中，观察玻璃棒自由下落的状态，以及手动插入的触感，按以下4种分类方法进行标记：A级表示稳定性最好，无析水；B级表示稳定性较好，可有极少析水和轻微的浆体密度分布不均现象发生；C级表示稳定性较差，有析水；D级表示稳定性最差，浆体密度分布明显不均。

2 试验结果与分析

2.1 物化分析

兰炭样的元素分析和工业分析结果见表1，矿物质成分分析结果见表2。

表1 兰炭样元素及工业分析结果 w:%

表2 兰炭样矿物质成分分析结果 w:%

由表1和表2可见：兰炭试样的内水含量比一般煤炭大，内水含量较大会影响分散剂的添加量及成浆性能，说明兰炭不易成浆；兰炭的灰分含量也比煤炭大；此外，兰炭中含CaO，在燃烧过程中可起到固硫作用，兰炭燃烧后的烟气中SO2浓度比煤炭要低。

2.2 兰炭粒度级配条件

根据水煤浆成浆经验及相关文献报道[5-6]，水煤浆最佳成浆特性的粒度级配为：大小粒径均有，较大、较小粒径分布要少，粒径不大于45 μm的占比略小于35%，粒径不大于80 μm的占比略小于70%，按此要求进行磨煤。称取一定量烘干后的兰炭块放入磨煤机中，调整磨煤时间以及加入兰炭块的质量，得到不同粒度分布的兰炭粉。将磨出的兰炭粉制浆，通过激光粒度分布仪测定粒度分布。考察在兰炭试样质量为200 g，不同研磨时间下兰炭粉的粒度分布，结果见表3。

表3 兰炭粒度级配条件探索

由表3可见：在根据磨煤机的额定磨煤样即兰炭试样质量200 g，煤样研磨时间为42 s时，所得到的兰炭粉的粒度分布为最优粒度级配。

2.3 添加剂类型对成浆性能的影响

在200 g煤样磨煤时间为42 s的磨煤条件下，磨制一定量兰炭粉并混合均匀备用。兰炭浆的制备按GB/T 18855—2014《燃料水煤浆》中的方法进行，将含有一定量添加剂的水倒入称取好兰炭粉的烧杯中，搅拌均匀后得到兰炭浆，添加剂添加量为兰炭样干基质量的1.5%。考察不同种类添加剂下兰炭浆的成浆情况，结果见表4。

表4 添加剂种类与最佳成浆浓度及热量值关系

由表4可见：使用常规萘磺酸盐作为添加剂，兰炭浆的最佳成浆浓度约为53%，按兰炭的热值为28 463.78 kJ/t，此时的热值仅为15 128.50 kJ/t，不能满足常规水煤浆作为燃料用浆、气化用浆要求。而选用复混的添加剂819、1802、1704、3001时，成浆浓度可达到65%左右，完全满足正常水煤浆需求。但从水煤浆的热值及黏度系数来看，复混819添加剂相对较好，为优选添加剂。

2.4 添加剂浓度对成浆性能的影响

以复混819添加剂为基准，在成浆浓度为64%时，考察添加剂的添加量对兰炭浆黏度的影响，结果见图1。

图1 添加剂加入量与浆体黏度的关系

由图1可见：随着添加剂比例的升高，黏度逐渐降低，为保证浆体在工业输送及雾化等的工业应用效果，需保证黏度在900 mPa·s以下，同时考虑制浆成本，优选添加剂比例为1.5% 。

2.5 成浆浓度的探索

添加剂选择复混819，添加量为兰炭样干基量1.5%，考察兰炭浆的浓度与兰炭浆的黏度的关系，结果见图2。

由图2可见：当添加剂复混819用量1.5%时，随着兰炭浆浓度的升高，黏度也随之升高。为保证工业使用中浆体黏度控制在900 mPa·s以下，制备的浆体最高浓度可达到67%，但从黏度来看，采用添加剂为复混819时，最佳成浆浓度约为65%。

图2 成浆浓度与浆体黏度的关系

2.6 最优的兰炭水煤浆制备条件

分别以萘磺酸盐和复混819作为添加剂，在添加剂用量1.5%的条件下，测得不同试验条件下，兰炭浆的成浆浓度、热值、黏度、流动性、析水率以及稳定性，结果见表5。

由表5可见：复混819添加剂要优于普通水煤浆添加剂萘磺酸盐，添加量为1.5%时，最优成浆浓度为约65%，此时黏度为550~630 mPa·s，具有良好的流动性，静置24 h后，几乎没有析水，并且没有沉淀产生，稳定性较好。

表5 兰炭浆的成浆性能

3 结论和建议

通过兰炭末成浆性能研究，得到如下结论：兰炭末可在一定条件下制成兰炭浆，所制兰炭浆热值、黏度等达到达到燃料及气化用水煤浆要求。最优的兰炭浆制备方案为：200 g兰炭试样磨煤时间42 s为最优粒度级配，复混819添加剂要优于常规萘磺酸盐添加剂，复混819添加剂的最佳添加量为兰炭样干基量1.5%，最佳兰炭浆浓度为65%，此时热值可达18 500 kJ/t，黏度约为600 mPa·s。

为更好的推进兰炭浆的工业应用，还可进一步探讨兰炭浆工业燃烧特性。