掺混污泥对水煤浆性能的影响

煤炭燃烧中国科技核心期刊矿业类核心期刊掺混污泥对水煤浆性能的影响王健,何其慧,许仁富,胡柏星(南京大学化学化工学院,江苏南京210093)摘要:将两种高含水率的脱水污泥与兖州煤掺混,采用湿法球磨工艺制备污泥水煤浆。考察污泥的添加对磨矿效率的影响,研究不同比例污泥掺混水煤浆后,浆体的成浆性、燃烧热值及灰熔融性变化,并通过粒径分布、表面形貌、灰成分等分析了原因。结果表明:水煤浆掺混污泥湿法球磨时,能提高磨矿效率;污泥水煤浆呈现更强的假塑特性,污泥的添加可以提高水煤浆的稳定性;污泥水煤浆的燃烧热能满足燃烧需求。当两种污泥的添加比例为10%时,水煤浆的成浆浓度达到60%以上,且各性能均满足工业要求关键词:脱水污泥;水煤浆;磨矿效率;成浆性;燃烧特性中图分类号:TD849;TQ536文献标识码:A文章编号:1006-6772(2013)03-0083-06Effect of sewage sludge addition on coal water slurry propertiesWANG Jian, HE Qihui, XU Renfu, HU BaixingSchool of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University, Nanying 210093, ChinaAbstract: Blend two kinds of high-moisture dewatered sludge with Yanzhou coal to prepare coal-sludge slurry bywet milling process. Investigate the influence of sludge addition on wet milling grinding efficiency. By changingadditive amount of sludge, analyse the slurryability, combustion enthalpy and ash fusion temperatures of preparedcoal water slurry. Analyse the reasons from the aspects of particle size distribution, surface morphology and ash com-position etcetera. The results show that, the addition of dewatered sludge can improve the grinding efficiency andstability of coal-sludge slurry in the wet milling process. The coal-sludge slurry present better pseudoplasticcharacteristic. The combustion enthalpy of sludge coal-water slurry value is slightly lower than that of coal-waterslurry, but still meet the requirement of combustion. The suitable sludge blending ratio is 10 percent, when the slurryconcentration of coal-sludge slurry can reach up to 60 percent, and all properties can meet industrial requirementsKey words: dewatered sludge; coal water slurry; grinding efficiency; slurry properties; combustion characteristic随着工业化和城市化的迅速发展,由污水处理底,全国城镇污水年处理量达到343亿m3,脱水污厂排放的污泥量日益增多。据《中国污泥处理处泥年产生量接近2200万t,其中有80%未得到妥善置市场分析报告(201版)》数据显示,截止2010年处理。据预测,到2015年末中国脱水污泥年产量收稿日期:2013-05-06责任编辑:宫在芹作者简介:王健(1989—),男,安徽安庆人,在读硕士硏究生,主要从事洁净能源方面的工作。通讯作者:胡柏星教授,从事煤炭、石油等洁净能源方面的研究。Emil:hubx@nu. edu cn。引用格式:王健何其慧许仁富等擲彩污泥对水煤浆性能的影响[J洁净煤技术,2013,9(3):83-88王健等:掺混污泥对水煤浆性能的影响3将超过2600万t2。污泥富集了污水中的污染物,证一定的燃烧热值,满足工业应用的需求2含有大量的氮、磷等营养物质及有机物、病毒微生本文研究了两种具有代表性的脱水污泥与兖物、寄生虫卵、重金属等有毒有害物质,若不经有效州煤掺混的成浆性,考察了污泥的添加对湿法球磨处理,将对环境产生严重危害。但污泥处理设施工艺磨矿效率的影响探讨了添加不同比例污泥后建设严重滞后。常用的污泥处理方法有填埋、积肥水煤浆的成浆浓度、流变性及稳定性的变化,测试和焚烧等,也有制肥、制作建筑材料、制混凝土轻质了脱水污泥添加水煤浆后热值及灰熔融性的变化。粒料及加入煤中掺混,利用成熟的气流床气化技术实现污泥与煤的共气化等示范项目481。改善污泥1实验部分的流动性,将其掺入水煤浆中,利用目前成熟的水1.1煤和污泥样品煤浆制备、燃烧和气化工艺,制备和使用污泥水煤实验用煤为兖州煤,脱水污泥采用2种具有代浆现已具备可行性9。表性的污泥——生活污水污泥和石化企业污泥,分水煤浆技术是20世纪70年代末发展起来的新别取自南京江心洲污水处理厂和扬子石化污水处型煤基液态燃料,它在制备、燃烧、储存、运输及污理厂。表1为煤和污泥的工业分析和元素分析(干染控制等方面有明显优势10作为一种特殊的基)。由表1可以看出,实验采用的脱水污泥的含水煤浆,污泥水煤浆需具备良好的流动性和稳定水率仍很高,高达80%以上,污泥的灰分很高,而固性,以适应水煤浆的生产、运输、贮存、燃烧和气化定碳很低,两种污泥均具有一定的热值,因此可以等。同时,污泥水煤浆的固含量要尽可能高,以保与煤掺混制浆以利用其热量。表1煤和污泥的工业分析及元素分析工业分析/%元素分析%Qd/样品H4)Na))a(0)(M·kg-1)兖州煤3.27.3558.6068.852.350.666610.12江心洲污泥84.58.4635.536.016.54扬子污泥81.2043.4645.8410.701.9120.0212.891.2水煤浆样品的制备1.3水煤浆的性能测试实验釆用萘磺酸盐甲醛缩合物类(NSF,实验室浆体的粒径分布,采用 Master sizer2000激光自制)分散剂,其用量为煤干基质量的0.8%;以羧粒度仪直接测定浆体样品;甲基纤维素的钠盐(CMC)为稳定剂,重均分子量为污泥以及污泥水煤浆的颗粒表面形貌采用7.6×10。Shimadu Superscan SSX-550扫描电子显微镜进行从污水处理厂取回的新鲜污泥气味大,流动性测定;差,需进行改性预处理。方法为加入浓度为2moL浆体的表观黏度用 brookfield pro-Ⅱ+型旋转黏的NaOH溶液,加人量为污泥质量的10%,搅拌均度计测定,选用LV3转子,设定黏度计程序,以剪切匀,放置5~6h后待用。这样处理的目的:第一,加速率100s时的黏度作为浆体的表观黏度数值;入污泥中的高分子絮凝剂虽然增强了絮凝效果,但浆体的浓度测定按照GB18856.2-2008《水煤会使污泥的流动性变差,加入碱后能促使高分子絮浆试验方法第2部分浓度测定》进行;凝剂降解,降低污泥黏度,改善污泥流动性;第二,动态稳定性和静态稳定性按照GBT18856.5碱的加入破坏了污泥中的微生物,使细胞内物质释2008《水煤浆试验方法第5部分:稳定性测定》放,一部分固定水变为介质水,提高了污泥的流进行动性利用电泳法测定浆体的Zea电位;实验釆用湿法球磨制浆,将经过计算的初步破原料及污泥水煤浆的干基燃烧热值测定是在碎后的煤、水、分散剂和污泥装入小型球磨机,转速105℃条件下干燥恒重后,碾磨均匀,使用全自动快设为65r/min,在不同磨矿时间取样测试性能速量热仪,按GB/T213-2008《煤的发热量测定方《洁净煤技术》2013年第19卷第3期煤炭燃烧中国科技核心期刊矿业类核心期刊法》测定。表2污泥的添加对湿法球磨磨矿效果的影响原料的灰成分分析是将样品在800℃灰化后,球磨磨矿细度/%用ARL-9800型X射线荧光光谱仪测定污泥和煤时间/兖州煤江心洲污泥扬子污泥的灰分。h水煤浆5%10%15%5%10%15%依据GB/T219—2008《煤灰熔融性的测定方150.0356.1258.6564.7758.1261.6565.77法》,测定原料及污泥水煤浆的灰熔融性。74.0978.6690.3493.6682.6688.34385.6192.1396.24989793.5396.8599.072结果与讨论498.0799.2199.7899.9999.4199.88999921污泥的添加对水煤浆磨矿效率的影响由表2可知,在球磨初期添加污泥后磨矿效率产品的细度通常用0.08255m标准筛筛分表均有明显提高,细度随着污泥添加量的增大而增征,以筛下量占产品总量的质量百分数表示。污泥加。实验所用的浆体均球磨3h制得。添加比例为0,5%,10%,15%(占浆体总质量)的浆2.2流变特性和稳定特性体球磨过程中,在球磨时间为1,2,3h时分别取出实验制得表观黏度1200mPa·s左右的水煤200g浆体测试浓度,流变性及磨矿细度。表2为浆测定其流变性和浓度。图1为水煤浆的流变磨矿细度分析。曲线。10000兖州煤水煤浆鲁充州煤水5%污泥水煤亠10%污泥水煤浆平15%污泥水煤浆·E赵5%污泥水煤浆10%污泥水煤浆6000罩15%污泥水煤浆则6080100剪切速率/st剪切速率/s1a)江心洲污泥b)扬子石化污泥图1兖州煤水煤浆和2种污泥水煤浆的流变曲线由图1可以看出,随着剪切速率增大,兖州煤水但是较低的浓度满足不了实际使用要求。对于两煤浆和两种污泥水煤浆表观黏度减小,剪切变稀,种污泥,添加比例10%是适宜的选择。有明显的假塑性,且随着污泥添加量增大,浆体假2.3稳定性研究塑性增强。表4为添加污泥量对水煤浆的稳定性影响。由表3为表观黏度为1200mPa·s的浆体浓度。表4可知,添加污泥后,水煤浆的稳定性显著提升。掺入污泥后,浆体流动性变差,若使浆体保持良好表4添加污泥量对水煤浆的稳定性影响的流动性,浆体浓度需降低。动态稳定性静态稳定性析底部表3污泥水煤浆的成浆浓度(24h)沉降(7d)沉降水硬兖州煤江心洲污泥扬子污泥速率h1速率/d1率沉淀水煤浆5%10%15%5%10%15%兖州煤水煤浆3.21少量少量69.2464.7261.8558.6465.0262.5559.055%江心洲污泥水煤浆0.55少量无由表3可以看出,不添加污泥时,水煤浆成浆浓10%江心洲污泥水煤浆1.680.28少量无15%江心洲污泥水煤浆1.51度可达69.24%;当2种污泥的添加比例达到15%5%扬子污泥水煤230少量无时,对应的2种污泥水煤浆浓度分别为58.64%和10%扬子污泥水爆浆1.820.20少量无5905%,这是由于高有机物含量的污泥流动性很15%扬子污泥水煤浆1.450.15差随着污泥添加比例增大会恶化浆体流动性。为10-cMC水煤浆0.49少量无了保证浆体良好的流动性,需要减小污泥水煤浆的2×10CMC水煤浆.08少量无成浆浓度。15%污泥水煤浆虽然有好的流变特性,3x10CMC水煤浆0.870.15少量无王健等:掺混污泥对水煤浆性能的影响煤炭燃烧由表4可知,水煤浆静置7d后,通过观察和棒2.4粒径分布测法测试稳定性,其上层有少量析水,出现少量硬水煤浆的粒径分布宽度可通过下式计算沉淀。污泥水煤浆则没有硬沉淀。添加污泥后,浆(D, -D)X C体的沉降速率有所下降,动态稳定性及静态稳定性6=均增强,并且随着污泥添加比例的增加,稳定效果式中,δ为分布宽度,D。为第n个粒级的粒子大加强。10%污泥水煤浆的稳定效果优于添加了104小,pm;D4为粒子的平均粒径,μm;Cn为第n个CMC的水煤浆稳定效果。表5为不同比例的污泥粒级颗粒的含量,%;δ值越大,能达到的堆积密水煤浆Zeta电位。度越大1。表5不同比例的污泥水煤浆zeta电位mV表6为江心洲污泥水煤浆的粒径测定参数。图污泥添加比例/%江心洲污泥2为表6对应的粒径分布曲线。表6中D0,D25扬子污泥-51.45Ds,D75,D分别表示质量通过率为10%,25%,050556.54-53.2450%,75%,90%的粒径,D4表示浆体颗粒大小的平-56.12均粒径。兖州煤水煤浆◆5%污泥水煤浆由表5可知,添加污泥后,浆体中粒子的电负±10%污泥水煤浆15%污泥水煤浆性增强,这是由于带负电的污泥粒子被煤粒子吸附后,煤粒子所带的负电荷增强,颗粒间的表面斥力变大,导致浆体稳定性增加。另一方面,浆体稳定性的增加还依靠污泥的空间位阻作用,污泥在浆体中构成空间网络结构,有利于阻止颗粒的粒径/m沉降516图2污泥水煤浆的粒径分布表6江心洲污泥水煤浆的粒径参数样品D分布宽度兖州煤水煤浆140.555%污泥水煤浆4.4710%污泥水煤浆32.2064.6625.02177.6215%污泥水煤浆4.3027.3022.9892.28污泥5.1219.9521.31由表6和图2看出,污泥的平均粒径较小,粒径定性得以提升。分布窄;水煤浆的粒径较大,分布较宽。添加污泥后,小颗粒增多且污泥的添加对湿法球磨有助磨作用,污泥水煤浆的粒径分布比水煤浆宽,但当污泥添加比例进一步增大,污泥水煤浆的小颗粒增多,大颗粒减小,粒径分布又变窄a)0b)5%2.5表面形貌研究图3为不同添加比例的江心洲污泥水煤浆的SEM图。从SEM图可以看出,添加污泥后,浆体中小颗粒增多,污泥小颗粒吸附在尺寸较大的煤粒子表面,污泥添加的比例越大,吸附越密集。污泥被煤粒子吸附后,增加了粒子的表面积,提高了粒子c)10%d)15%表面电荷密度,从而强化静电排斥作用,浆体的稳图3不同添加比例污泥的污泥水煤浆SEM图《洁净煤技术》2013年第19卷第3期煤炭燃烧中国科技核心期刊矿业荧核心期刊2.6污泥水煤浆的发热量低,污泥水煤浆的燃烧热值也大幅度降低。表7为污泥水煤浆的发热量。由表7可以看2.7灰成分及灰熔融性出,污泥由于含有有机物,具有一定的热值,具备与表8为污泥及煤灰样的化学组成与灰熔融性。煤共成浆燃烧的条件,但是污泥的干基热值很低,由表8可知,两种污泥由于来源不同,灰成分有很大与褐煤相当,当向水煤浆中掺混污泥后,污泥水煤不同,不同的S/A对灰熔融性降低作用。图4浆的干基热值稍有降低。但由于成浆浓度大大降为污泥水煤浆的灰熔融性。表7污泥水煤浆的发热量M/kg工心洲污泥扬子污泥项目兖州煤水煤浆1015%5%10%15%干基29.0528.8l28.5628.1528.8228.58污泥水煤浆19.9417.0616.1615.1017.1516.3615.98表8污泥及煤灰样的化学组成与灰熔融性氧化物含量/%灰熔融性/℃样品灰So, Fe,0, Al O3 SiOz P2Os MgO Na2OHT兖州煤17.50.7022.833.622.300.210.581.02137513911439江心洲污泥4.871.236.5016.1946.805.973.0513.451325133413401356扬子污泥32.907.602.588.9110.896.191.4115.241184121912321298注:DT为变形温度;ST为软化温度;HT为半球温度;FT为流动温度。HDT·STST平FTAHT绞138艺銨1340污泥添加比例/%污泥添加比例/%a)江心洲污泥b)扬子石化污泥图4污泥水煤浆的灰熔融性由图4可知,两种污泥添加到水煤浆对灰熔融3)污泥和水煤浆混合制浆能拓宽水煤浆颗粒性影响不大,江心洲污泥对煤灰熔融性的影响较的粒度分布,且大量的污泥小颗粒吸附在煤颗粒表大,添加10%江心洲污泥后,流动温度从1440℃降面,使煤颗粒之间的空隙填充地更紧密并由于空间低到1400℃以下。位阻作用使水煤浆更稳定。4)污泥由于灰成分不同,掺入水煤浆对灰熔融3结论性有一定影响,可以根据实际需求有选择地掺人不1)将改性后的脱水污泥和充州煤共同湿法球同种类不同量的污泥以达到调节灰熔融性效果。磨能提高磨矿效率。参考文献2)掺混污泥的水煤浆呈现更强假塑特性,当污(1张贺飞,徐燕,曾正中,等国外城市污泥处理处置方泥添加量占总浆体10%时,水煤浆固含量到60%以式研究及对我国的启示[J].环境工程,2010,28(S1):上,是比较适宜的添加比例。434-438.王健等:掺混污泥对水煤浆性能的影响87[2]中国水网中国污泥处理处置市场分析报告(2011[11高宇龙中国水煤浆制备技术的发展[]洁净煤技版)[R].北京:中国水网,2011术,2012,18(5):56-59[3]Werther J, Ogada T. 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Berlin: Springer-Verlag, 1999方程。[7]傅献彩沈文霞姚天扬,等物理化学[M]5版北3)本研究只讨论了在低温下神华煤液化油窄京:高等教育出版社,2010馏分饱和蒸气压与温度的关联式符合 Antoine方[8] Bruce e.pon, John M. Prausnitz, John P.. D Connell程,是否能外推到较高温度有待于作进一步的研究。The Properties of Gases and Liquids[ M]. 5th editionNew York: McGraw-Hill Professional, 200参考文献[9]张建侯,马沛生,徐明.两个液体蒸气压关联方程式的提出-用于高压范围的考察[J]化工学报,1986,37[1]官万福,田松柏,付晓恒分析技术在煤液化油分析中(1):69-79的应用[J].洁净煤技术,2004,10(2):47-52[10]梁英华,陈军,马沛生四个蒸气压-温度关联方程的[2]王升宝,尹洪清郭清萍,等煤液化油窄馏分饱和蒸比较[J]河北理工学院学报,19,21(4):73-75气压和蒸发焓的测定及计算[J.煤化工,2008(5):41[1]陈军,马沛生,丁富新.Anie方程对含极微蒸汽压范围的统一关联[J]化学工程,2001,29(6):4648.[3]尹洪清,王辉.煤液化油窄馏分饱和蒸气压研究进展[12]杨春雪,冯杰徐英.神华煤液化油窄馏分的临界性[J].洁净煤技术,2012,18(5):65-68质[J].燃料化学学报,2008,36(5):536《洁净煤技术》2013年第19卷第3期