两种不同污泥对水煤浆成浆性能的影响研究

田进梅, 杨会军, 杨 英, 蔚永清, 张起胜

(国家能源集团 宁夏煤业有限责任公司,宁夏 银川 750411)

目前,国内对污泥的处理方法主要有填埋、焚烧等方法[1].填埋方法具有资源化、能源化利用率低的缺点[2];而焚烧方法由于能够高效回收污泥热值,具有大规模处理污泥的优势[3],但也存在环境污染的问题.国外学者研发了污泥酸化、膜生物反应器、污泥湿式氧化法等污泥处理方法[4],但这些方法存在设备费用高的问题,限制了其在污泥处理方面的广泛应用.笔者将污泥与煤粉掺混配制污泥水煤浆,并通过水煤浆气化装置,使污泥水煤浆在高温、高压下发生气化反应;重点分析污泥加入量对水煤浆成浆性能、灰分熔点、煤灰成分的影响,可为污泥的资源化、无害化处理研究提供参考.

1 实验

1.1 材料及仪器

污泥1#、污泥2#(均来自化工园区).NaOH颗粒(天津市北联精细化学品开发有限公司)、废水(来自化工园区).

水分测定仪、水煤浆黏度测量仪、增力电动搅拌器、智能马弗炉、自动工业分析仪、物理吸附仪、灰熔融性测试仪、XRF高频熔样机和X-射线荧光光谱仪.

1.2 废水、污泥与制浆用煤

化工园区循环废水的理化分析见表1,制浆用煤及两种污泥的工业分析、灰熔点、比表面积(BET法)和煤灰成分见表2～表5.两种污泥的含水率、灰分均很高(表2),与制浆用煤掺混进行成浆实验,制浆用煤的灰分熔点和煤灰成分满足气化水煤浆的要求(表3).污泥1#的比表面积高于污泥2#的(表4),污泥1#的灰分中Na2O,Fe2O3的质量分数较高(表5).

表1 废水的检测指标

表2 污泥与煤的工业分析 %

表3 制浆用煤的灰分熔点和煤灰成分

表4 污泥的比表面积(BET法)

表5 两种污泥的煤灰成分 w/%

1.3 实验方法

将粗煤通过粉碎机、标准筛处理成含有不同粒度的煤粉100 g.加入废水、污泥以及添加剂配制水煤浆(控制水煤浆的质量分数为60%).搅拌均匀,分别测定0 h和静置24 h后水煤浆的黏度、流动性和稳定性,具体的工艺流程见图1.

图1 制备水煤浆的工艺流程

1.4 水煤浆性能评价指标

1)水煤浆的黏度.在水煤浆的剪切速率为100 s-1时测定其黏度(多次测量取平均值).

2)水煤浆的质量分数.通过水分测定仪测定水煤浆的质量分数.在105 ℃,加热时间设定为自动,取水煤浆的平行样进行测定并取其平均值.

3)水煤浆的流动性.通过直观目测的方法测定水煤浆的流动性.用A,B,C,D 表示水煤浆的流动性,其中,A表示稀流体、连续流动;B表示稠流体、连续流动;C表示稀糊状、间歇流动;D表示不流动.

4)水煤浆的稳定性.通过落棒法测定水煤浆的稳定性.静置24 h后,将圆头玻璃棒轻轻插入浆体,若能直达底部,表明水煤浆无沉淀;若需轻轻拨动才能达到底部,表明水煤浆为软沉淀;若需用力才能达到底部,表明水煤浆为硬沉淀.

2 污泥对水煤浆性能的影响

2.1 污泥成浆实验

王丹等的研究结果显示[5],掺混一定比例(1%～6%)污泥能改善水煤浆的成浆性能.在废水、添加剂加入量、水煤浆质量分数不变的条件下,考察2种污泥对水煤浆成浆性能的影响.在煤粉为100 g、添加剂的加入量占煤粉总质量的3‰、污泥加入量分别占煤粉总质量的1%,2%,4%,5%,6%、废水的质量分数在61%左右条件下,配制水煤浆并进行其成浆性能实验,并在水煤浆的剪切速率为100 s-1下测定其黏度的平均值.成浆实验结果见表6.

表6 水煤浆成浆性能

由表6可知,添加污泥的水煤浆黏度,随着污泥添加质量的增大而增大.污泥1#的加入质量分数大于2%时,水煤浆的黏度较大,且泥化严重;污泥2#的加入质量分数为6%时,水煤浆的流动性和稳定性良好.因此,当污泥2#的加入量高于污泥1#的加入量时,水煤浆的流动性较好.这是由于污泥1#的比表面积大,具有较强的吸附能力,随着污泥加入量的增加,水煤浆的煤粉堆积效率降低,从而造成水煤浆的黏度增大、流动性变差.

2.2 水煤浆的灰分及煤灰的熔点

煤灰熔融温度是水煤浆气化的重要指标.现代煤化工企业大部分要求入炉煤的流动温度低于1 300 ℃,甚至低于1 200 ℃.为研究污泥对水煤浆灰分与灰分熔点的影响,将水煤浆在室温下干燥,通过马弗炉烧制(815 ℃)成灰,再通过灰熔融性测试仪测定水煤浆的灰分熔点、X-射线荧光光谱仪测定水煤浆的灰分(表7).

表7 两种污泥水煤浆的灰分熔点与灰分

由表7可知,由于污泥的加入量小(1%～6%),不影响水煤浆的灰分及灰分的熔点,满足气化水煤浆的燃烧要求.

3 改性污泥对水煤浆的影响

参考李伟东等的研究[6],通过NaOH溶液对污泥进行改性.首先向污泥中加入NaOH溶液(质量分数为4%),用增力电动搅拌器搅拌40 min,使污泥与NaOH溶液充分混匀,然后再与煤粉混合.两种改性污泥的比表面积(BET法)分析见表8,发现改性后的两种污泥比表面积相较于未改性的分别减小1.681%,10.573%.

表8 改性污泥的比表面积(BET法)

3.1 改性污泥对水煤浆成浆性能的影响

用NaOH溶液(质量分数为4%)对污泥进行改性.在改性污泥1#的加入质量分数分别为2%,4%,6%,8%;改性污泥2#的加入质量分数分别为4%,6%,8%时,考察改性污泥加入量对水煤浆的流动性和稳定性影响(表9).

表9 加入两种改性污泥后水煤浆的成浆性能

由表9可知,加入经NaOH溶液改性的污泥,水煤浆的流动性明显提高.当水煤浆的质量分数在61.50%左右时,加入的两种污泥质量分数分别提高4%,2%.这是由于污泥改性后,污泥的“絮状”体结构被破坏,对水分的吸附能力减弱,体系内自由水的质量增多,有利于水煤浆的成浆,并使其黏度降低.两种改性污泥制备的水煤浆在静置24 h的稳定性良好,没有硬沉淀生成.当改性污泥1#的加入量增加至8%时,制备的水煤浆的黏度最大且不易流动.

3.2 改性污泥对水煤浆灰分熔点及灰分的影响

两种改性污泥的加入量对水煤浆的灰分熔点没有明显影响(表10),但随着改性污泥加入量的增加,水煤浆中Na2O的质量分数增加.

表10 加入两种改性污泥后水煤浆的灰分熔点与灰分

4 结论

1)两种污泥中灰分高于制浆用煤中的灰分,且固定碳的质量分数低,不能单独进行水煤浆的成浆实验,需与制浆用煤掺混才能进行水煤浆实验.

2)当污泥水煤浆的质量分数在61%左右时,加入污泥1#、污泥2#的最佳质量分数分别为2%,6%.由于两种污泥的加入量小,对水煤浆的灰分以及灰分熔点影响小,满足气化水煤浆的燃烧要求.

3)当改性污泥的加入量越大,制备的水煤浆黏度越大,流动性越差.在加入改性污泥1#,2#的最佳质量分数分别为6%,8%时,水煤浆的质量分数在61.50%左右,此时两种改性污泥加入的质量数分别提高了4%,2%.

2)加入改性污泥的水煤浆中Na2O的质量分数增加.为了使Na2O的质量分数控制在标准范围内,要根据污泥的产量合理掺混进行制浆.污泥加入量对水煤浆的灰分熔点影响小,满足气化水煤浆的燃烧要求.这样既有效降低了污泥处理的成本,又对污泥减量化、资源化和能源化利用具有重要意义.