蘭炭末成漿性能研究

王菲菲，胡偉濤，杜漢雙，王紹武，張美榮，王興璞，譚洪金，楊長磊

(山東榮信集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)寧 273500)

蘭炭(又稱半焦)因其燃燒時有較短的藍(lán)色火焰而得名，按形狀規(guī)格分為大料、中料、小料及焦面等[1]。蘭炭是利用神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊在中低溫條件下干餾熱解而得到的較低揮發(fā)分的固體炭質(zhì)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在3 mm以上，外觀呈淺黑色，具有高固定炭、高比電阻、高化學(xué)活性、低灰份、低鋁、低硫、低磷等特性[2]。蘭炭作為一種新型的炭素材料，已逐步取代冶金焦無煙煤和木炭廣泛運用于電石、金屬硅、鐵合金、硅鐵、鉻鐵、硅錳、碳化硅和化肥等產(chǎn)品的生產(chǎn)中[3]。此外，在高爐噴吹、生產(chǎn)炭化材料、活性炭等領(lǐng)域也可替代一部分無煙煤和焦炭。

近年來，隨著我國節(jié)能減排、低碳發(fā)展各項政策的實施，鋼鐵、電石等高耗能工業(yè)受到限制，由此引起蘭炭產(chǎn)業(yè)長期處于產(chǎn)量過剩狀態(tài)。蘭炭末長期得不到回收利用，造成了極大的浪費。通過對蘭炭末進(jìn)行提質(zhì)加工，將其轉(zhuǎn)化為可作為燃料的蘭炭水煤漿，為蘭炭末的清潔利用提供一種可行的思路。

1 試驗部分

1.1 主要試劑和儀器

蘭炭末，粒徑d≤30 mm，市場采購的陜西榆林產(chǎn)地；萘磺酸鹽，化學(xué)純，荏平縣金順化工有限公司；復(fù)混添加劑819、1802、1704、3001，實驗室自制。

GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；ZQM型磨煤機，鶴壁市冶金機械設(shè)備有限公司；BSA22025型紅外快速水份測定儀，蘇州賽恩斯儀器有限公司；Bettersize2600型激光粒度分布儀，丹東百特儀器有限公司；NXS-4CP型水煤漿黏度計，成都領(lǐng)度儀器有限公司。

1.2 試驗過程

蘭炭漿的制備過程如下：

1)將蘭炭末破碎至粒度20 mm左右，置于鼓風(fēng)干燥箱中，110 ℃下干燥至少4 h。

2)稱取一定量烘干后的蘭炭末于料缽中，以磨煤機研磨一定時間，研磨成具有一定粒度級配的蘭炭粉，以激光粒度儀分析該磨煤條件下的粒度級配，通過調(diào)整磨煤質(zhì)量與磨煤時間來調(diào)整蘭炭粉粒度。

3)稱取一定量的蘭炭粉進(jìn)行制漿，測定蘭炭漿試樣的黏度、流動性、析水率以及穩(wěn)定性，分析蘭炭的成漿性情況。

4)通過調(diào)整添加劑配比、添加劑添加量、水量等條件，調(diào)整蘭炭漿的成漿濃度、黏度、流動性、析水率以及穩(wěn)定性[4]。

1.3 蘭炭漿的分析檢測方法

蘭炭漿濃度的測定，參照GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗方法 第2部分：濃度測定》中紅外干燥法進(jìn)行測定；蘭炭漿黏度的測定，參照照GB/T 18856.4—2008《水煤漿試驗方法 第4部分：表觀黏度測定》進(jìn)行測定；蘭炭漿流動性的測定采用計時法與目測法相結(jié)合的方法。①目測法：在水煤漿制漿過程中，水煤漿攪拌均勻后，用玻璃棒挑起水煤漿觀察水煤漿向下流動時的狀態(tài)。煤漿流動狀態(tài)分為A、B、C、D 4個等級。其中A級表示水煤漿為稀流體，流動連續(xù)，平滑不間斷；B級表示水煤漿為稠流體，流動較連續(xù)，流體表面不光滑；C級表示水煤漿需借助外力才能較好地流動；D級表示水煤漿為泥狀不成漿，不能流動。以“+”、“-”號表示等級間更細(xì)微的區(qū)別。②計時法：將攪拌均勻的水煤漿流過內(nèi)徑為11 mm的玻璃管，記錄100 mL水煤漿流過所用的時間，30 s內(nèi)說明流動性較優(yōu)；30~60 s時說明流動性稍差，一定程度內(nèi)也可滿足生產(chǎn)需要；大于60 s時說明流動性較差。

蘭炭漿穩(wěn)定性的測定過程如下。將玻璃棒插入分別靜置24，48，72 h后的水煤漿中，觀察玻璃棒自由下落的狀態(tài)，以及手動插入的觸感，按以下4種分類方法進(jìn)行標(biāo)記：A級表示穩(wěn)定性最好，無析水；B級表示穩(wěn)定性較好，可有極少析水和輕微的漿體密度分布不均現(xiàn)象發(fā)生；C級表示穩(wěn)定性較差，有析水；D級表示穩(wěn)定性最差，漿體密度分布明顯不均。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 物化分析

蘭炭樣的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表1，礦物質(zhì)成分分析結(jié)果見表2。

表1 蘭炭樣元素及工業(yè)分析結(jié)果 w:%

表2 蘭炭樣礦物質(zhì)成分分析結(jié)果 w:%

由表1和表2可見：蘭炭試樣的內(nèi)水含量比一般煤炭大，內(nèi)水含量較大會影響分散劑的添加量及成漿性能，說明蘭炭不易成漿；蘭炭的灰分含量也比煤炭大；此外，蘭炭中含CaO，在燃燒過程中可起到固硫作用，蘭炭燃燒后的煙氣中SO2濃度比煤炭要低。

2.2 蘭炭粒度級配條件

根據(jù)水煤漿成漿經(jīng)驗及相關(guān)文獻(xiàn)報道[5-6]，水煤漿最佳成漿特性的粒度級配為：大小粒徑均有，較大、較小粒徑分布要少，粒徑不大于45 μm的占比略小于35%，粒徑不大于80 μm的占比略小于70%，按此要求進(jìn)行磨煤。稱取一定量烘干后的蘭炭塊放入磨煤機中，調(diào)整磨煤時間以及加入蘭炭塊的質(zhì)量，得到不同粒度分布的蘭炭粉。將磨出的蘭炭粉制漿，通過激光粒度分布儀測定粒度分布。考察在蘭炭試樣質(zhì)量為200 g，不同研磨時間下蘭炭粉的粒度分布，結(jié)果見表3。

表3 蘭炭粒度級配條件探索

由表3可見：在根據(jù)磨煤機的額定磨煤樣即蘭炭試樣質(zhì)量200 g，煤樣研磨時間為42 s時，所得到的蘭炭粉的粒度分布為最優(yōu)粒度級配。

2.3 添加劑類型對成漿性能的影響

在200 g煤樣磨煤時間為42 s的磨煤條件下，磨制一定量蘭炭粉并混合均勻備用。蘭炭漿的制備按GB/T 18855—2014《燃料水煤漿》中的方法進(jìn)行，將含有一定量添加劑的水倒入稱取好蘭炭粉的燒杯中，攪拌均勻后得到蘭炭漿，添加劑添加量為蘭炭樣干基質(zhì)量的1.5%?？疾觳煌N類添加劑下蘭炭漿的成漿情況，結(jié)果見表4。

表4 添加劑種類與最佳成漿濃度及熱量值關(guān)系

由表4可見：使用常規(guī)萘磺酸鹽作為添加劑，蘭炭漿的最佳成漿濃度約為53%，按蘭炭的熱值為28 463.78 kJ/t，此時的熱值僅為15 128.50 kJ/t，不能滿足常規(guī)水煤漿作為燃料用漿、氣化用漿要求。而選用復(fù)混的添加劑819、1802、1704、3001時，成漿濃度可達(dá)到65%左右，完全滿足正常水煤漿需求。但從水煤漿的熱值及黏度系數(shù)來看，復(fù)混819添加劑相對較好，為優(yōu)選添加劑。

2.4 添加劑濃度對成漿性能的影響

以復(fù)混819添加劑為基準(zhǔn)，在成漿濃度為64%時，考察添加劑的添加量對蘭炭漿黏度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 添加劑加入量與漿體黏度的關(guān)系

由圖1可見：隨著添加劑比例的升高，黏度逐漸降低，為保證漿體在工業(yè)輸送及霧化等的工業(yè)應(yīng)用效果，需保證黏度在900 mPa·s以下，同時考慮制漿成本，優(yōu)選添加劑比例為1.5% 。

2.5 成漿濃度的探索

添加劑選擇復(fù)混819，添加量為蘭炭樣干基量1.5%，考察蘭炭漿的濃度與蘭炭漿的黏度的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

由圖2可見：當(dāng)添加劑復(fù)混819用量1.5%時，隨著蘭炭漿濃度的升高，黏度也隨之升高。為保證工業(yè)使用中漿體黏度控制在900 mPa·s以下，制備的漿體最高濃度可達(dá)到67%，但從黏度來看，采用添加劑為復(fù)混819時，最佳成漿濃度約為65%。

圖2 成漿濃度與漿體黏度的關(guān)系

2.6 最優(yōu)的蘭炭水煤漿制備條件

分別以萘磺酸鹽和復(fù)混819作為添加劑，在添加劑用量1.5%的條件下，測得不同試驗條件下，蘭炭漿的成漿濃度、熱值、黏度、流動性、析水率以及穩(wěn)定性，結(jié)果見表5。

由表5可見：復(fù)混819添加劑要優(yōu)于普通水煤漿添加劑萘磺酸鹽，添加量為1.5%時，最優(yōu)成漿濃度為約65%，此時黏度為550~630 mPa·s，具有良好的流動性，靜置24 h后，幾乎沒有析水，并且沒有沉淀產(chǎn)生，穩(wěn)定性較好。

表5 蘭炭漿的成漿性能

3 結(jié)論和建議

通過蘭炭末成漿性能研究，得到如下結(jié)論：蘭炭末可在一定條件下制成蘭炭漿，所制蘭炭漿熱值、黏度等達(dá)到達(dá)到燃料及氣化用水煤漿要求。最優(yōu)的蘭炭漿制備方案為：200 g蘭炭試樣磨煤時間42 s為最優(yōu)粒度級配，復(fù)混819添加劑要優(yōu)于常規(guī)萘磺酸鹽添加劑，復(fù)混819添加劑的最佳添加量為蘭炭樣干基量1.5%，最佳蘭炭漿濃度為65%，此時熱值可達(dá)18 500 kJ/t，黏度約為600 mPa·s。

為更好的推進(jìn)蘭炭漿的工業(yè)應(yīng)用，還可進(jìn)一步探討蘭炭漿工業(yè)燃燒特性。