灰渣對水煤漿成漿性能的影響

李彎彎，梁耀東，巨 鵬

(1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

灰渣對水煤漿成漿性能的影響

李彎彎1，2，梁耀東1，巨 鵬2

(1.西安科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

為探討鍋爐灰渣作為水煤漿穩定劑的可行性，采用鍋爐灰渣作為水煤漿的穩定劑，研究了灰渣對水煤漿成漿性能的影響。結果表明：灰渣能夠有效提高水煤漿的穩定性，當煤粉與灰渣比例為14∶1～30∶1時，制備出的水煤漿性能可滿足工業要求。

水煤漿；水煤漿穩定劑；鍋爐灰渣；黏度；穩定性

水煤漿是20世紀70年代石油能源危機時發展起來的一項潔凈煤技術，具有燃燒效率高，污染排放低的特點。隨著水煤漿應用規模的不斷擴大，原來使用的制漿用煤——中等變質程度的煙煤由于價高、量少等缺點逐漸被舍棄，制漿用煤的選擇逐漸向低階煙煤和高變質程度低揮發分煤種擴展[1]。神府煤屬于低階煙煤，具有低灰、低硫、高發熱量的特點，但由于其內水高、可磨性差，在制漿過程中存在成漿濃度低、穩定性差的特點[2-4]。由于制備好的水煤漿往往不是立即用于燃燒，而是需要儲存一段時間或遠距離輸送，因此提高水煤漿的穩定性具有重要的現實意義。

水煤漿的穩定性是指煤漿在儲存和運輸期間保持性態均勻的特性，是表征煤漿顆粒抗沉降的能力。現階段使用的水煤漿穩定劑主要有無機電解質和高分子化合物兩類，如各種可溶性鹽類、高分子表面活性劑、纖維素、聚丙烯酸鹽以及一些膠體粒子(如有機膨潤土)等。穩定劑的加入能使水煤漿中已分散的煤粒與周圍其他煤粒及水結合成一種較弱的、但又有一定強度的三維空間結構，從而有效地阻止顆粒沉淀，防止固液分離[5]。

鍋爐灰渣[6-8]中含有大量的無機電解質。采用煤粉鍋爐灰渣作為穩定劑，一方面可以使灰渣里的殘炭循環利用，另一方面可以節約穩定劑成本。

周秀麗等[9]研究了氣化灰渣對石油焦漿穩定性的影響，結果表明，適量的灰渣可作為石油焦漿的穩定劑，用以制備固體質量分數高的水焦漿。為探討灰渣作為水煤漿穩定劑的可行性，通過試驗，研究了灰渣對水煤漿成漿性能的影響，進而確定了灰渣添加量，并分析了灰渣的穩定機理。

1 試驗部分

1.1 煤粉的性質

試驗所用煤粉樣品和灰渣均來自陜西煤業化工新型能源有限公司神木分公司。煤粉和灰渣的工業分析見表1。灰渣是神府煤在煤粉鍋爐燃燒后所得，其熱值為20.16 MJ/kg。由文獻[6]和文獻[10]可知，煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等金屬氧化物。

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

1.2 試驗儀器與方法

試驗儀器有紅外水分測定儀、電子天平、NXS-4C水煤漿粘度計、AM1000L-P電動攪拌器。

試驗時，首先稱取一定量的分散劑(以固體總量為基準)和水，并充分攪拌，制得分散劑溶液；然后，在攪拌的情況下，向分散劑溶液中逐漸加入煤粉和灰渣，邊加邊攪拌，攪拌均勻后即得水煤漿。

1.3 產品分析和測試

1.3.1 水煤漿黏度的測定

采用 NXS-4C 型水煤漿黏度計測定水煤漿的表觀黏度和流變性。其中，水煤漿的最大成漿濃度參照GB/T18856.4—2002[11]中的規定，當剪切速率為100 s-1時，其表觀黏度不應超過1 200 mPa·s。以水煤漿表觀黏度隨剪切速率變化趨勢的好壞來評價其流變性。

1.3.2 水煤漿穩定性的測定

采用插棒法來測定水煤漿的穩定性。玻璃棒能夠迅速自由落棒到底，說明水煤漿的穩定性好；若有沉淀產生，說明水煤漿的穩定性差；若用力插棒仍不易到底，說明體系出現了硬沉淀。

1.3.3 析水率

用D25 mm×250 mm的大試管盛放水煤漿,液面用液體石蠟密封，7 d后測定析水率。析水率ΔH的計算公式為：

ΔH=H1/H0×100，

式中：H0為水煤漿原始高度；H1為析出水的高度。

1.3.4 水煤漿流動性的測定

水煤漿流動性的判定采取目測法，分為A、B、C三個等級，其中：A級表示連續流動，B級表示間斷流動，C級表示不流動。

2 結果與討論

2.1 煤粉粒度分析

粒度分布寬度(RD)是指顆粒的粒徑分布范圍，其表示方法為：RD=(D90-D10)/D50。 一般認為，RD值越大，表示粒度分布越寬，顆粒的大小分布越不均勻，越有利于顆粒間的相互填充，從而提高堆積效率；反之，RD值越小，粒度分布越窄，顆粒相互之間比較集中，顆粒大小分布均勻。粒度分布寬度結果見表2。

表2 樣品的粒度分布寬度Table 2 Size distribution width of sample

由表2可知，隨著灰渣添加量的增加，水煤漿的粒度分布寬度變大，說明灰渣起到了改善粒度分布的作用。這主要是由于隨著灰渣比例的增大，煤的可磨性指數增大[12]，同時由于灰渣表面有大量的孔結構，能為顆粒間的接觸提供更多的接觸點和面[13]，改變了超細粉粒度所占百分比及平均粒度的大小，提高了煤粉堆積效率，從而對成漿性產生影響。

2.2 煤粉與灰渣比例對水煤漿穩定性的影響

本試驗水煤漿中固體顆粒(煤粉+灰渣)質量分數為57%，分散劑HF-5添加量為總固體質量的0.8%。試驗考察了煤粉與灰渣比例分別為14∶1、16∶1、18∶1、20∶1、30∶1時水煤漿的成漿特性。試驗結果表明，采用HF-5分散劑制備的水煤漿很容易產生沉淀。圖1表示為添加灰渣后的水煤漿的成漿特性、流動性和穩定性，從圖1可以看出，隨著灰渣比例的增大，水煤漿的表觀黏度逐漸增大。

圖1 不同煤粉與灰渣比例下黏度隨剪切速率的變化Fig.1 Relationship between shear rate and viscosity in different ratios of pulverized coal and slag

從表3可知，隨著灰渣比例，流動性略有變差，但水煤漿的穩定性卻隨著灰渣比例的而增強。當煤粉與灰渣比例在14∶1～30∶1時，水煤漿黏度低于1 200 mPa·s[11]，完全滿足工業要求，這表明灰渣在水煤漿中可起到一定的穩定作用。

表3 水煤漿的流動性和穩定性試驗結果Table 3 Fluidity and stability test results of coal water slurry

水煤漿流動性變差的原因是灰渣中的金屬陽離子能吸附在煤的表面，使煤的親水性增強，并且被吸附的水分子在固體顆粒表面定向排列，減少了漿體內自由水的含量[3]，導致水煤漿的流動性變差。

著名的DLVO理論[14]認為，顆粒間相互吸引取決于靜電斥力和范德華力的綜合效應。高價金屬離子會降低電位，降低靜電斥力，當電位降至某一數值時，顆粒很快會發生團聚，喪失穩定性。本文的理論是，高價金屬離子不僅不會使水煤漿穩定性喪失，反而會增強，這是因為灰渣中金屬陽離子雖然使顆粒表面的陰離子電位降低，但也減少了固體顆粒間的斥力作用，促進顆粒聚結，對已吸附有陰離子表面活性劑分子顆粒起“搭橋”作用[3]，使漿體結構化程度增大，黏度增大，從而提高漿體穩定性。

由于水煤漿是固液兩相粗粒分散懸浮體，無論是來自分子熱運動的布朗運動作用力、顆粒間的范德華引力，還是顆粒間的靜電吸引力，都不足以阻止水煤漿中顆粒的沉淀。真正能起到阻止顆粒沉淀，提高水煤漿穩定性的正是這種空間結構對顆粒產生的機械阻力[15]。

2.3 灰渣對水煤漿流變性的影響

水煤漿的流變性是指受外力作用發生流動與變形的特性。它對輸送時的流動性、儲存時的穩定性、燃燒時的可霧化性和可燃性等有很重要的影響。良好的流變性是評價高質量水煤漿的指標之一。

將水煤漿的剪切應力隨剪切速率變化(10、20、40、60、80、100 s-1)的規律繪制成曲線，用流變模型進行擬合，回歸曲線如圖2所示。從圖2可以看出，灰渣水煤漿都需要施加一定的剪切應力才可以開始流動，即存在屈服應力。

圖2 不同煤粉與灰渣比例下剪切應力隨剪切速率的變化Fig.2 Relationship between shear stress and shear rate in different ratios of pulverized coal and slag

表4所示為利用流變模型τ=τy+Kγn做擬合得到的結果。從表4可以看出，漿體的流動指數均<1，可知本實驗所測范圍內水煤漿為屈服假塑性流體。同時還可以看出，該擬合結果良好，相關系數R都在0.98以上。

表4 流變模型方程的擬合結果Table 4 Fitting results of rheological model formulation

分析認為，水煤漿之所以出現一定的屈服應力，是由于其中的固體和流體會形成一種空間網狀結構。而漿體屈服應力的大小則反映著這種結構的強度。由圖2可知，灰渣中的金屬離子，在各個顆粒之間架橋，使得水煤漿中的固體與流體連成一種空間網狀結構，增強了水煤漿的觸變性，因此水煤漿會像表4所示表現出一定的屈服應力，且屈服應力隨著灰渣比例的增大而增大，在剪切應力不大時，結構不致破壞，只變形不流動，只有當剪切應力超過屈服應力時，水煤漿的網狀結構體系被破壞時才產生流動。試驗結果還表明，灰渣添加量越多，這種空間結構越穩定。從圖1也可以看出，隨著剪切速率的增加，漿體的黏度逐漸減小，這說明較高的剪切速率，一方面改善了煤粉在水中的分散效果，降低了分散介質的黏度，另一方面促進了漿體結構的重新排列，使水煤漿更加趨向于牛頓流體，從而使漿體的流動性變好，流動阻力降低，黏度下降[16]。因此，灰渣的加入有利于水煤漿的儲存、泵送和霧化。

3 結論

通過以上研究，可得出如下結論：

(1)水煤漿的穩定性隨著灰渣添加量的增加而增強，所制水煤漿為屈服假塑性流體，其穩定性可超過2 d。

(2)添加適量的灰渣可以改變水煤漿粒度分布寬度，提高煤粉堆積效率，從而提高水煤漿的穩定性。

(3)灰渣中的無機電解質(如SiO2、Fe2O3、K2O、Al2O3)可顯著提高水煤漿的穩定性。

(4)灰渣的加入,增強了水煤漿的觸變性，加大了漿體的屈服應力，有利于提高水煤漿的穩定性，因此采用灰渣作為水煤漿的穩定劑，制備出穩定性較高的水煤漿是完全可行的。

[1] 梁 興，閆黎黎，徐 堯.水煤漿技術現狀分析及發展方向[J].潔凈煤技術,2012,18(6): 62-66.

[2] 楊會民，王寧波，崔意華，等.粉體粒度對神府煤制備高性能水煤漿的影響[J].化肥設計,2013,51(3): 15-18.

[3] 何國鋒，詹 隆，王燕芳.水煤漿技術發展與應用[M].北京：化學工業出版社,2012.

[4] 徐志強，孫美潔，劉建強.水煤漿應用技術現狀及技術進展[J].煤炭工程,2014,46(10): 65-67.

[5] 劉保民.水煤漿添加劑的作用機理研究[J].科技視界,2014(8): 53-54.

[6] 岳煥玲，原永濤，朱洪峰.循環流化床鍋爐灰渣綜合利用[J].鍋爐技術,2006,37：36-40.

[7] Patterson J H，Hurst H J．Ash and slag qualities of Australian bituminous coals for use in slagging gasifiers[J]．Fuel，2000，79 (13):1671-1678.

[8] Aineto M，Acosta A，Rincon J M,etal．Thermnal expansion of slag and fly ash from coal gasification in IGCC power plant[J]．Fuel，2006，85(16)：2352-2358.

[9] 展秀麗，劉 鑫，徐少特,等.灰渣對石油焦漿穩定性的影響研究[J].化學工程,2010,38(3): 86-90.

[10] 趙春輝.粉煤灰的綜合利用[J].廣東化工,2012,39(1): 78-79.

[11] GB/T18856-2002水煤漿質量試驗方法[S].

[12] 張妮妮.煤的可磨性指數變化及破碎機理研究[D].杭州：浙江大學,2006.

[13] 賈 嘉.煤氣化灰渣與黑水對石油焦成漿性及氣化活性的影響研究[D].上海：華東理工大學,2011.

[14] 王好平,蘇樹林,牛嘉玉,等.憎液膠體的穩定性理論[M].北京:石油工業出版社,2009.

[15] 張榮曾.水煤漿制漿技術[M].北京: 科學出版社，1996.

[16] 劉傳印，楊建國，朱慶慶,等.精細油水煤漿流變性探索性研究[J].中國科技論文在線，2011.

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

李彎彎(1988—)，女，陜西省韓城市人，碩士研究生，研究方向：水煤漿技術與應用。

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