工業廢水制備水煤漿的性能研究

王昌濟

(安徽省皖北煤電集團有限責任公司，安徽宿州 234000)

腈綸廢水是指工業生產腈綸時副產的有機廢水，含有腈類、芳烴及酚類等多種有毒有害物質[1]。該廢水中生物難降解物質質量分數高達40%以上，化學需氧量(COD)較高。采用傳統的物理法[2-9]、化學法[10-18]處理均效果不佳，生物法[19-27]處理亦存在一定的局限性。若利用此類廢水制備水煤漿并應用于煤氣化，不僅經濟效益明顯，更能帶來較大的環保及社會效益。

某30萬t/a煤制甲醇項目造氣工段采用的煤氣化工藝為多原料漿加壓氣化工藝，多原料漿由原料煤、原水及添加劑混合研磨制得，其中原料煤為神華煤(SF)，原水為當地園區直供工業用水。腈綸生產企業外排污水目前的處理方式為生化+膜過濾法，但因該類污水硬度大、富含有機物，實際生產水質波動較大，極易造成生化系統崩潰以及膜系統污堵，處理費用較高且操作困難。鑒于上述問題，筆者使用某腈綸生產企業實際外排污水替代原水，分析了腈綸廢水用于制備水煤漿的可行性，旨在達到腈綸廢水無害化綜合利用的目的，并將該研究應用于工業化，大幅降低了腈綸生產企業污水處理成本，減輕了污水處理壓力，延長了系統運行周期，同時還降低了水煤漿制造企業用水成本。

1 試驗部分

1.1 煤質和水質分析

選用SF煤作為試樣，對其進行工業分析、元素分析、發熱量和可磨性等指數測定，并對實際腈綸廢水進行了水質分析，結果見表1和表2。

表1 煤樣分析結果

表2 腈綸廢水水質分析結果

由表1及表2可見：該煤種為低硫、低灰分、中高熱值煤、高固定碳、中全水分、易磨制煤種，各項指標均符合水煤漿氣化工藝要求。腈綸廢水硬度及有機物含量均較高，且含有大量懸浮物。

1.2 廢水煤漿的性能研究

1.2.1 腈綸廢水制漿性能分析

采用干法制漿工藝，將煤、廢水、添加劑按一定比例混合，在轉速1 500 r/min條件下攪拌7 min使之混合均勻成水煤漿。添加不同量添加劑制成的水煤漿性能分析見表3。其中流動性指標A代表漿體線性流動，即流動性好；B代表漿體間斷性流動，即流動性較好；C代表漿體呈團狀，即漿體流動性差；D代表漿體呈凝固狀，即漿體流動性極差。水煤漿(w)是指干基煤占水煤漿的質量分數，固含量是指干基煤與微量添加劑中固體質量分數之和。析水率定義為指漿體達到初凝時析出水分占漿體的體積分數。

表3 腈綸廢水制漿性能

由表3可見：不加任何添加劑時，腈綸廢水能與神華煤樣直接混合攪拌制成水煤漿，但是制得水煤漿濃度偏低，最高成漿質量分數僅為57%且漿體穩定差，72 h內漿體出現明顯分層，析水率達到8.37%，漿體下部出現攪拌難以恢復的硬沉淀。添加一定比例的水煤漿添加劑萘磺酸鹽系后，水煤漿質量分數迅速升高，添加量(w)為0.1%時，水煤漿質量分數升至59%，添加量(w)為0.2%時，水煤漿質量分數達到60%。該試驗結果表明利用廢水制備水煤漿時，水煤漿質量分數隨著添加劑添加量的增加呈增大趨勢，且穩定性趨好。水煤漿是固液兩相的非牛頓流體，其流變性對水煤漿穩定性、輸送和霧化燃燒起決定性作用。通過上述漿體流變特性的分析可知，水煤漿流動性與添加劑添加量呈正比例關系，即制備相同濃度的水煤漿，添加劑量越大，漿體流動性越好。

1.2.2 添加劑加入量對漿體流變特性的影響

添加劑加入量對漿體黏度流變特性的影響見圖1。

圖1 添加劑加入量對漿體黏度流變特性的影響

由圖1可見：隨著萘磺酸鹽添加劑加入量的增加，制得相同質量分數的水煤漿表觀黏度呈明顯下降趨勢。煤漿質量分數為57%時，不加任何添加劑時，漿體的表觀黏度為922.0 mPa·s；當加入質量分數0.1%的萘磺酸鹽后，煤漿表觀黏度降至358.3 mPa·s，特性為“剪切變稀”。剪切速率一定時，廢水水煤漿剪切應力隨添加劑加入量的升高而增大，當添加劑加入量較小時，制得漿體的流體表現為“屈服假塑性流體”，隨著添加劑加入量的增加，制得漿體流體模型逐步變為“假塑性流體”。

1.2.3 水煤漿質量分數對漿體流變特性的影響

水煤漿質量分數對漿體流變特性的影響見圖2。

圖2 水煤漿質量分數對漿體流變特性的影響

由圖2可見：腈綸廢水水煤漿漿體表觀黏度隨著水煤漿質量分數的增大而增大，且增大幅度越來越大，該結果與常規水煤漿變化規律一致，主要由于在同一空間內，漿體質量分數增大，水分減少，煤炭顆粒增多，漿體中碰撞摩擦的可能性呈幾何倍數增加，漿體中顆粒大小不同的粒子間相互的摩擦力變大，直接導致水煤漿漿體表觀黏度迅速增大。同時隨著腈綸廢水水煤漿質量分數的增大，漿體的流變模型是由“假塑性流體”向“屈服假塑性流體”過渡。

1.2.4 漿體黏度及析水率與添加劑加入量的關系

漿體黏度及析水率與添加劑加入量的關系見圖3。

圖3 漿體黏度及析水率與添加劑加入量的關系

由圖3可見：一定質量分數的廢水水煤漿表觀黏度隨添加劑加入量的升高而快速下降，但析水率上升趨勢明顯，表明加入一定量的添加劑會有效降低漿體表觀黏度，但隨著加入量的加大，漿體穩定性反而有所下降。綜合考慮經濟性等因素，添加劑的加入量(w)優選0.2%。

1.3 廢水有機組分丙烯腈對成漿性能的影響

1.3.1 丙烯腈制漿流變特性

因廢水中主要有機物是丙烯腈，在萘系添加劑加入量(w)為0.2%條件下，考察丙烯腈對水煤漿成漿性能的影響，結果見表4。

表4 丙烯腈質量濃度對廢水成漿結果的影響

由表4可見：采用自來水制備水煤漿時，神華煤成漿質量分數最大為60%，漿體表觀黏度為475 mPa·s，流動性較好，析水率8.26%。在相同的制漿條件下，隨著廢水添加量的增加，析水率變化不大，漿體濃度無變化，但表觀黏度有所上升。

在添加萘系添加劑(w)0.2%，制漿濃度為60%的條件下，考察加入不同濃度丙烯腈廢水對制備水煤漿黏度變化的影響，結果見圖4。

圖4 丙烯晴廢水水煤漿流變特性

由圖4可見：隨著丙烯腈質量濃度的升高，漿體黏度變化并不明顯，且由丙烯腈廢水制備的水煤漿漿體的流變模型沒有變化，表明丙烯腈質量濃度對水煤漿的黏度及漿體流變模型影響不大。

1.3.2 丙烯腈對漿體Zeta電位的影響

在添加萘系添加劑(w)0.2%，制漿濃度為60%的條件下，考察加入不同濃度丙烯腈廢水對制備水煤漿Zeta電位的影響，見圖5。

圖5 丙烯腈質量濃度對漿體Zeta電位的影響

由圖5可見：隨著廢水中丙烯腈質量濃度的升高，制得漿體的表面電荷密度變化不大，表明丙烯腈質量濃度對漿體的Zeta電位影響較小，即廢水中丙烯腈基本不影響成漿的穩定性。

1.3.3 原水與廢水制漿漿體表觀形貌

圖6為分別由原水及丙烯腈模擬廢水制得的水煤漿漿體外觀形貌的SEM照片。

圖6 原水及丙烯腈模擬廢水制得的水煤漿漿體的SEM照片

由圖6可見：原水制得的漿體中煤炭顆粒較為分散，廢水制得的漿體中煤炭顆粒聚集，且呈現較均勻的網絡結構。這是由于廢水中的丙烯腈改善了煤炭顆粒活性，增強了大煤炭顆粒對小煤炭顆粒的吸附作用，促進了漿體煤炭顆粒的聚集，進而提升了煤漿漿體的穩定性。

2 經濟效益分析

以某腈綸制造公司為例，有機廢水產量約70 t/h(60萬t/a)，工業上腈綸聚合廢水處理費用約為15元/t，新鮮工業用水以3.2元/t計算，利用水煤漿技術將有機廢水用于制備水煤漿則每年可獲得直接經濟效益900萬元，節約新鮮水產生的間接經濟效益192萬元，進而可實現創收超1 000萬元/a。

3 結論

分析了腈綸廢水以及模擬丙烯腈廢水制備水煤漿的性能，考察了水煤漿的漿體質量濃度、穩定性及流變特性等性能。試驗結果表明：利用有機廢水制備的水煤漿質量分數最高可達60%，表觀黏度小于1 000 mPa·s，析水率低于10%，漿體穩定性好，相同條件下與原水制備的水煤漿濃度一致，表明腈綸廢水可以完全替代并優于原水制漿。該研究驗證了腈綸廢水替代原水制備水煤漿的可行性，為同類型廢水資源化利用提供了依據，具有良好的工業化應用前景。