造氣濕煤灰物化性能及流變特性分析?

張 雷劉日鑫張錦洲（.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇省徐州市，40；.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，江蘇省常州市，64；.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北省荊州市，440）

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造氣濕煤灰物化性能及流變特性分析?

張 雷1劉日鑫2張錦洲3
（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇省徐州市，221140；2.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，江蘇省常州市，213164；3.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北省荊州市，434023）

摘 要造氣濕煤灰來自于煤化工行業(yè)造氣產(chǎn)生的工業(yè)污泥，針對造氣濕煤灰和原生煤泥的煤質(zhì)、顆粒粒徑分布和顆粒形態(tài)進(jìn)行了對比分析，并對造氣濕煤灰的流體特性進(jìn)行了探索。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，造氣濕煤灰與原生煤泥在含水率、比重以及比體積等方面相近，但比表面積比原生煤泥大；造氣濕煤灰的揮發(fā)分比原生煤泥低，僅為0.9%，空氣干燥基水分是原生煤泥的49.1%；由熱值分析結(jié)果看，造氣濕煤灰的熱值為原生煤泥的84.3%；造氣濕煤灰的粒徑分布曲線與原生煤泥相似，而原生煤泥的顆粒粒徑分布范圍較寬；隨著煤漿固體顆粒含量的增加，造氣濕煤灰的漿液由假塑性流體向賓漢流體過渡，有利于密閉管道的輸送。

關(guān)鍵詞濕煤灰 煤泥 流變性能

造氣濕煤灰為煤化工行業(yè)造氣過程中產(chǎn)生的污泥，其中含有大量的粉塵、氰化物、硫化物、氨氮、焦油以及未燃盡的煤炭，造氣濕煤灰的資源化利用途徑有限，其消耗與產(chǎn)出嚴(yán)重失衡，對廠區(qū)及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。有專家將造氣濕煤灰作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑在橡膠制品中應(yīng)用，取得了較好的效果；還有專家對造氣濕煤灰進(jìn)行了沉降試驗(yàn)和粒度分布研究，發(fā)現(xiàn)其孔隙率為70%～80%，比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常的粉煤灰。由于造氣濕煤灰仍具有較高的熱值，用作循環(huán)流化床鍋爐的流體燃料是一種較為有效的資源化利用途徑，目前采用煤泥全封閉管道輸送系統(tǒng)對鍋爐進(jìn)行燃料供應(yīng)，已經(jīng)證明是一種新型、高效、節(jié)能以及環(huán)保型的解決煤泥問題的最佳手段。

本文對比分析了造氣濕煤灰和原生煤泥的物化性能，分析了2種漿料中的顆粒性質(zhì)和造氣濕煤灰的流變特性，論證了造氣濕煤灰作為循環(huán)流化床鍋爐流體燃料在密閉管道輸送的可行性。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

造氣濕煤灰為黑色漿狀，含水率為90%，p H值為8.0，比重為1.25 t/m3；原生煤泥為黑色漿狀，含水率為89%，p H值為7.8，比重為1.28 t/m3。

試驗(yàn)檢查樣品均按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范（HJ/T20－1998）》中的要求進(jìn)行采集。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 煤質(zhì)分析

試驗(yàn)分別對造氣濕煤灰和原生煤泥的煤質(zhì)進(jìn)行分析，煤質(zhì)分析儀器包括馬弗爐、干燥箱、碳?xì)湓胤治鰞x、定硫儀、半微量定氮儀和量熱儀等儀器，利用煤質(zhì)分析儀分別對Mad、Aad、Vad、FCad、Cdaf、Hdaf、Ndaf和Sdaf各參數(shù)進(jìn)行定量分析。

1.2.2 粒度分析

采用激光粒度分布儀（SALD－201V，日本島津）對2種漿料中的顆粒粒徑分布進(jìn)行分析。2種原材料在105℃的烘箱中烘干至恒重，然后將300 m L的純凈水加入到循環(huán)泵的樣品池中，并加入樣品量的0.85%的六偏磷酸鈉分散劑，采用多點(diǎn)取樣法取約0.5 g的樣品加入10 m L的無水酒精中，分散均勻后加入樣品池中，打開攪拌器和超聲波分散器，對樣品攪拌分散3～5 min后進(jìn)行測試。

1.2.3 電鏡分析

將烘干后的造氣濕煤灰和煤泥各取0.5 g，放入電鏡樣品池，利用KYKY－2800B型掃描電鏡進(jìn)行取樣微觀分析。

1.2.4 流變特性分析

造氣濕煤灰的流變特性采用同軸圓筒上旋式粘度計(jì)（NXS－4C）進(jìn)行分析，該旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)可測試非牛頓流體，重復(fù)性為±1%（F.S），再現(xiàn)性為±3%（F.S）。測試時(shí)將攪拌均勻的待測造氣濕煤灰漿料裝入外筒至固定刻度線，裝好外筒，在室溫下測試。

2　分析結(jié)果

2.1 煤質(zhì)分析

造氣濕煤灰和煤泥的常規(guī)物理性能見表1。

表1　造氣濕煤灰和煤泥的常規(guī)物理性能

由表1可以看出，造氣濕煤灰的含水率為90%，與煤泥的含水率比較接近；造氣濕煤灰和煤泥的比表面積分別為225.45 m2/g和204.51 m2/g，在造氣過程中，濕煤灰中固體顆粒表面形成許多孔隙，因此其比表面積與煤泥相比較要大；二者的比體積的值比較接近。

造氣濕煤灰和煤泥的工業(yè)分析和元素分析見表2。

表2　造氣濕煤灰和煤泥的工業(yè)分析和元素分析　%

由表2的工業(yè)分析來看，造氣濕煤灰中Mad為1.64%，是原生煤泥的49.1%，煤中的水分含量越高，煤的熱值就越會(huì)降低；造氣濕煤灰的Vad也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原生煤泥，由此可見揮發(fā)份越高煤化程度越低，燃燒后形成的污染物就越高；其它指標(biāo)則比較接近。從元素分析看，造氣濕煤灰中碳、氫和硫的含量分別為66.32%、1.711%和0.285%，略低于原生煤泥的相應(yīng)指標(biāo)值。

造氣濕煤灰和原生煤泥的熱值分析見表3。

表3　造氣濕煤灰和煤泥的熱值分析

由表3可以看出，造氣濕煤灰的熱值是原生煤泥發(fā)熱量的84.3%，略低于原生煤泥的熱值。由于在生產(chǎn)化肥造氣過程中，煤中大量的H元素已轉(zhuǎn)化成H2被利用，留存中煤泥中的H元素較少導(dǎo)致熱值略低，但仍然有18.7 MJ/kg的熱值值得利用。

2.2 粒徑分布分析

造氣濕煤灰和原生煤泥的粒徑分計(jì)百分率分布曲線圖如圖1所示，造氣濕煤灰和原生煤泥的顆粒累計(jì)百分率分布曲線如圖2所示。

圖1　造氣濕煤灰和原生煤泥粒徑分計(jì)百分率分布曲線

由圖1可以看出，造氣濕煤灰的粒徑范圍在0.44～179.74μm之間，造氣濕煤灰的分計(jì)百分率曲線在粒徑為36.07μm時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)峰值為4.02%，即濕煤灰中粒徑為36.07μm的顆粒含量最高，其分計(jì)百分率為4.02%；原生煤泥的粒徑范圍在0.49～275.83μm之間，在粒徑為61.61μm時(shí)出現(xiàn)最高峰值為4.08%，即原生煤泥含量最多的顆粒粒徑為61.61μm。造氣濕煤灰和煤泥中顆粒分計(jì)百分率大于2.0%的顆粒范圍分別為8.97～94.55μm 和12.36～161.49μm。從以上數(shù)據(jù)可以看出，原生煤泥中占主要含量的顆粒粒徑范圍比造氣濕煤灰要寬。

由圖2可以看出，造氣濕煤灰和煤泥的累積百分率曲線非常相近且曲線連續(xù)光滑，各種粒徑顆粒含量沒有大的跳躍。從流動(dòng)性角度看，顆粒范圍越寬，越有助于流體的流動(dòng)；但從燃燒釋放熱值角度分析，顆粒粒徑越小越易燃燒，熱值釋放效率越高。

圖2　造氣濕煤灰和原生煤泥顆粒累計(jì)百分率分布曲線

2.3 顆粒形貌分析

試驗(yàn)分別考察了造氣濕煤灰和原生煤泥中固體顆粒在放大150倍、600倍、1200倍和2400倍的微觀形貌，造氣濕煤灰和原生煤泥在不同放大倍數(shù)下微觀電鏡形貌對比圖如圖3所示。

由圖3（a）和（b）可以看出，兩者的顆粒分布大小不均，表面都有很多折皺；由圖3（c）和（e）可以看出，造氣濕煤灰的顆粒較為分散；由圖3（g）可以看出，造氣濕煤灰產(chǎn)生過程中經(jīng)過高溫，煤中的一些有機(jī)物部分會(huì)發(fā)生燃燒和揮發(fā)，所以其表面無機(jī)物較多，顆粒之間沒有較多的粘連，這些粘連結(jié)構(gòu)或許會(huì)影響原生煤泥漿體的流動(dòng)性；由圖3（h）可以看出，原生煤泥的表面具有更多的絮狀結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)粘連狀態(tài)，這是因?yàn)樵耗嗍墙?jīng)過混合和絮凝等工序得到，其表面存在絮凝反應(yīng)形成的絡(luò)合物結(jié)構(gòu)。

此外在生產(chǎn)化肥造氣過程中，煤粉經(jīng)干餾層加溫后失去揮發(fā)份，其表面光滑度高的膠質(zhì)層因干餾而失去，由油黑色變?yōu)榛液稚率乖鞖鉂衩夯抑泄腆w顆粒表面變的粗糙、折皺增多且孔隙增加，這一點(diǎn)從物料比表面積測量的數(shù)據(jù)中可以得到證實(shí)（詳見表1），該種表面多孔粗糙結(jié)構(gòu)不僅增加了造氣濕煤灰的含水量，同時(shí)在煤漿流動(dòng)過程中由于表面粗糙而產(chǎn)生較大澀性，增加流動(dòng)阻力。

2.4 流變特性分析

造氣濕煤灰和原生煤泥表觀粘度與質(zhì)量濃度的含量如圖4所示。

由圖4中可以看出，隨著2種煤漿中顆粒含量的增加，表觀粘度逐漸上升，當(dāng)固體顆粒的含量大于70%時(shí)，表觀粘度迅速提高；當(dāng)固體顆粒含量為75%時(shí)，造氣濕煤灰和原生煤泥的表觀粘度分別為19.2 Pa·s和20 Pa·s。原因是造氣濕煤灰中的顆粒比較小，顆粒表面粗糙，其流動(dòng)性較原生煤泥稍差。兩者的表觀粘度隨著固體顆粒含量的增加，變化非常相似。

不同固體顆粒含量的造氣濕煤灰漿體的流變曲線如圖5所示。

圖3　造氣濕煤灰和原生煤泥在不同放大倍數(shù)下微觀電鏡形貌對比

圖4　造氣濕煤灰和原生煤泥表觀粘度與質(zhì)量濃度的含量

由圖5（a）中可以看出，當(dāng)固體顆粒含量在50%時(shí)，煤漿的流體屬于典型的假塑性流體；由圖5（b）可以看出，隨著固體顆粒含量增加到60%時(shí)，煤漿的流變特性曲線逐漸變成直線，接近牛頓流體但非牛頓流體；由圖5（c）可以看出，當(dāng)固體顆粒含量增加到70%時(shí)，此時(shí)的流變曲線變化趨勢的R2為0.9944，幾乎是一條直線，但此時(shí)當(dāng)剪切速率達(dá)到一定值時(shí)，漿體才開始具有一定的剪切應(yīng)力，此為典型的賓漢塑性流體特征。由以上分析可知，造氣濕煤灰漿體的流變特征是隨著固體顆粒含量的增加，由假塑性非牛頓流體向賓漢塑性流體轉(zhuǎn)變。

圖5　不同固體含量的造氣濕煤灰漿體的流變曲線

造氣濕煤灰即使在水分減少時(shí)，隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力的增量也會(huì)逐漸減小。這一特性表征了煤漿流量達(dá)到一定程度后，其流動(dòng)阻力線性程度將大為改善，這對于管道輸送方案的設(shè)計(jì)來說是一個(gè)有利特性。

3　結(jié)論

試驗(yàn)對造氣濕煤灰的流變特性進(jìn)行了分析，根據(jù)煤漿的固體顆粒含量的增加，造氣濕煤灰的漿液由假塑性流體向賓漢流體過渡，這有利于管道輸送。總之，造氣濕煤灰作為循環(huán)流化床鍋爐的燃燒介質(zhì)用于密閉管道輸送是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯 王雅琴）

The analysis on physical and chemical properties and rheologic property of gas making wet coal ash

Zhang Lei1，Liu Rixin2，Zhang Jinzhou3
（1.School of Architecture，Xuzhou College of Industrial Technology，Xuzhou，Jiangsu 221140，China；2.School of Chemical Engineering，Changzhou Vocational Institute of Engineering，Changzhou，Jiangsu 213164，China；3.School of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jinzhou，Hubei 434023，China）

AbstractGas making wet coal ash is industrial sludge from gas making process of coal chemical industry.The authors conducted contrastive analysis coal property，particle size distribution，and particle morphology between gas making wet coal ash and primary slime，and explored fluid characteristics of gas making coal ash.The results showed that water contents，proportion，specific volume and other aspects were close，but specific surface area of gas making coal ash was larger than primary slime；volatiles component of gas making wet coal ash was 0.9% lower than primary slime，and the water content of air dried basis of gas making wet coal ash was 49.1%of primary slime.According to calorific value of results analysis，calorific value of gas making wet coal ash was 84.3%of primary slime；particle size distribution curves were similar，but range of particle size distribution of primary slime was quite wide；while solid particle content of coal slurry increased，serum of gas making wet coal ash was transformed from pseudoplastic fluid to Bingham fluid，which was benefit to transport of closed conduit.

Key wordswet coal ash，coal slime，rheologic property

中圖分類號TQ536.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目：? 江蘇省產(chǎn)學(xué)研科技項(xiàng)目——煤化工行業(yè)濕煤灰（循環(huán)水污泥）管道輸送的關(guān)鍵技術(shù)研究（BY2014034）

作者簡介：張雷（1972－），男，江蘇徐州人，副教授，博士，主要從事固體廢棄物資源化研究。