造气湿煤灰物化性能及流变特性分析

造气湿煤灰物化性能及流变特性分析∗
张雷;刘日鑫;张锦洲
【摘要】Gas making wet coal ash is industrial sludge from gas making process of coal chemical industry.The authors conducted contrastive analysis coal property,particle size distri-bution,and particle morphology between gas making wet coal ash and primary slime,and ex-plored fluid characteristics of gas making coal ash.The results showed that water contents,pro-portion,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.%造气湿煤灰来自于煤化工行业造气产生的工业污泥，针对造气湿煤灰和原生煤泥的煤质、颗粒粒径分布和颗粒形态进行了对比分析，并对造气湿煤灰的流体特性进行了探索.结果发现，造气湿煤灰与原生煤泥在含水率、比重以及比体积等方面相近，但比表面积比原生煤泥大；造气湿煤灰的挥发分比原生煤泥低，仅为0.9％，空气干燥基水分是原生煤泥的49.1％；由热值分析结果看，造气湿煤灰的热值为原生煤泥的84.3％；造气湿煤灰的粒径分布曲线
与原生煤泥相似，而原生煤泥的颗粒粒径分布范围较宽；随着煤浆固体颗粒含量的增加，造气湿煤灰的浆液由假塑性流体向宾汉流体过渡，有利于密闭管道的输送.【期刊名称】《中国煤炭》
【年(卷),期】2016(042)006
【总页数】5页(P93-96,134)
【关键词】湿煤灰;煤泥;流变性能
【作者】张雷;刘日鑫;张锦洲
【作者单位】徐州工业职业技术学院建筑学院，江苏省徐州市，221140;常州工程职业技术学院化工学院，江苏省常州市，213164;长江大学机械工程学院，湖北省荆州市，434023
【正文语种】中文
【中图分类】TQ536.4
造气湿煤灰为煤化工行业造气过程中产生的污泥，其中含有大量的粉尘、氰化物、硫化物、氨氮、焦油以及未燃尽的煤炭，造气湿煤灰的资源化利用途径有限，其消耗与产出严重失衡，对厂区及周边环境造成严重污染。

有专家将造气湿煤灰作为橡胶补强剂在橡胶制品中应用，取得了较好的效果；还有专家对造气湿煤灰进行了沉降试验和粒度分布研究，发现其孔隙率为70%～80%，比表面积远远大于通常的粉煤灰。

由于造气湿煤灰仍具有较高的热值，用作循环流化床锅炉的流体燃料是一种较为有效的资源化利用途径，目前采用煤泥全封闭管道输送系统对锅炉进行燃料供应，已经证明是一种新型、高效、节能以及环保型的解决煤泥问题的最佳手段。

本文对比分析了造气湿煤灰和原生煤泥的物化性能，分析了2种浆料中的颗粒性
质和造气湿煤灰的流变特性，论证了造气湿煤灰作为循环流化床锅炉流体燃料在密闭管道输送的可行性。

1.1 试验原材料
造气湿煤灰为黑色浆状，含水率为90%，p H值为8.0，比重为1.25 t/m3；原生煤泥为黑色浆状，含水率为89%，p H值为7.8，比重为1.28 t/m3。

试验检查样品均按行业标准《工业固体废物采样制样技术规范（HJ/T20－1998）》中的要求进行采集。

1.2 试验设计
1.2.1 煤质分析
试验分别对造气湿煤灰和原生煤泥的煤质进行分析，煤质分析仪器包括马弗炉、干燥箱、碳氢元素分析仪、定硫仪、半微量定氮仪和量热仪等仪器，利用煤质分析仪分别对Mad、Aad、Vad、FCad、Cdaf、Hdaf、Ndaf和Sdaf各参数进行定量
分析。

1.2.2 粒度分析
采用激光粒度分布仪（SALD－201V，日本岛津）对2种浆料中的颗粒粒径分布
进行分析。

2种原材料在105℃的烘箱中烘干至恒重，然后将300 m L的纯净水
加入到循环泵的样品池中，并加入样品量的0.85%的六偏磷酸钠分散剂，采用多
点取样法取约0.5 g的样品加入10 m L的无水酒精中，分散均匀后加入样品池中，打开搅拌器和超声波分散器，对样品搅拌分散3～5 min后进行测试。

1.2.3 电镜分析
将烘干后的造气湿煤灰和煤泥各取0.5 g，放入电镜样品池，利用KYKY－2800B
型扫描电镜进行取样微观分析。

1.2.4 流变特性分析
造气湿煤灰的流变特性采用同轴圆筒上旋式粘度计（NXS－4C）进行分析，该旋
转粘度计可测试非牛顿流体，重复性为±1%（F.S），再现性为±3%（F.S）。

测
试时将搅拌均匀的待测造气湿煤灰浆料装入外筒至固定刻度线，装好外筒，在室温下测试。

2.1 煤质分析
造气湿煤灰和煤泥的常规物理性能见表1。

由表1可以看出，造气湿煤灰的含水率为90%，与煤泥的含水率比较接近；造气
湿煤灰和煤泥的比表面积分别为225.45 m2/g和204.51 m2/g，在造气过程中，湿煤灰中固体颗粒表面形成许多孔隙，因此其比表面积与煤泥相比较要大；二者的比体积的值比较接近。

造气湿煤灰和煤泥的工业分析和元素分析见表2。

由表2的工业分析来看，造气湿煤灰中Mad为1.64%，是原生煤泥的49.1%，
煤中的水分含量越高，煤的热值就越会降低；造气湿煤灰的Vad也远远低于原生
煤泥，由此可见挥发份越高煤化程度越低，燃烧后形成的污染物就越高；其它指标则比较接近。

从元素分析看，造气湿煤灰中碳、氢和硫的含量分别为66.32%、1.711%和0.285%，略低于原生煤泥的相应指标值。

造气湿煤灰和原生煤泥的热值分析见表3。

由表3可以看出，造气湿煤灰的热值是原生煤泥发热量的84.3%，略低于原生煤
泥的热值。

由于在生产化肥造气过程中，煤中大量的H元素已转化成H2被利用，留存中煤泥中的H元素较少导致热值略低，但仍然有18.7 MJ/kg的热值值得利用。

2.2 粒径分布分析
造气湿煤灰和原生煤泥的粒径分计百分率分布曲线图如图1所示，造气湿煤灰和
原生煤泥的颗粒累计百分率分布曲线如图2所示。

由图1可以看出，造气湿煤灰的粒径范围在0.44～179.74μm之间，造气湿煤灰
的分计百分率曲线在粒径为36.07μm时出现了一个峰值为4.02%，即湿煤灰中粒径为36.07μm的颗粒含量最高，其分计百分率为4.02%；原生煤泥的粒径范围在0.49～275.83μm之间，在粒径为61.61μm时出现最高峰值为4.08%，即原生煤泥含量最多的颗粒粒径为61.61μm。

造气湿煤灰和煤泥中颗粒分计百分率大于
2.0%的颗粒范围分别为8.97～94.55μm 和12.36～161.49μm。

从以上数据可以看出，原生煤泥中占主要含量的颗粒粒径范围比造气湿煤灰要宽。

由图2可以看出，造气湿煤灰和煤泥的累积百分率曲线非常相近且曲线连续光滑，各种粒径颗粒含量没有大的跳跃。

从流动性角度看，颗粒范围越宽，越有助于流体的流动；但从燃烧释放热值角度分析，颗粒粒径越小越易燃烧，热值释放效率越高。

2.3 颗粒形貌分析
试验分别考察了造气湿煤灰和原生煤泥中固体颗粒在放大150倍、600倍、1200倍和2400倍的微观形貌，造气湿煤灰和原生煤泥在不同放大倍数下微观电镜形貌对比图如图3所示。

由图3（a）和（b）可以看出，两者的颗粒分布大小不均，表面都有很多折皱；由图3（c）和（e）可以看出，造气湿煤灰的颗粒较为分散；由图3（g）可以看出，造气湿煤灰产生过程中经过高温，煤中的一些有机物部分会发生燃烧和挥发，所以其表面无机物较多，颗粒之间没有较多的粘连，这些粘连结构或许会影响原生煤泥浆体的流动性；由图3（h）可以看出，原生煤泥的表面具有更多的絮状结构
且呈现粘连状态，这是因为原生煤泥是经过混合和絮凝等工序得到，其表面存在絮凝反应形成的络合物结构。

此外在生产化肥造气过程中，煤粉经干馏层加温后失去挥发份，其表面光滑度高的胶质层因干馏而失去，由油黑色变为灰褐色，致使造气湿煤灰中固体颗粒表面变的粗糙、折皱增多且孔隙增加，这一点从物料比表面积测量的数据中可以得到证实（详见表1），该种表面多孔粗糙结构不仅增加了造气湿煤灰的含水量，同时在煤
浆流动过程中由于表面粗糙而产生较大涩性，增加流动阻力。

2.4 流变特性分析
造气湿煤灰和原生煤泥表观粘度与质量浓度的含量如图4所示。

由图4中可以看出，随着2种煤浆中颗粒含量的增加，表观粘度逐渐上升，当固体颗粒的含量大于70%时，表观粘度迅速提高；当固体颗粒含量为75%时，造气湿煤灰和原生煤泥的表观粘度分别为19.2 Pa·s和20 Pa·s。

原因是造气湿煤灰中的颗粒比较小，颗粒表面粗糙，其流动性较原生煤泥稍差。

两者的表观粘度随着固体颗粒含量的增加，变化非常相似。

不同固体颗粒含量的造气湿煤灰浆体的流变曲线如图5所示。

由图5（a）中可以看出，当固体颗粒含量在50%时，煤浆的流体属于典型的假塑性流体；由图5（b）可以看出，随着固体颗粒含量增加到60%时，煤浆的流变特性曲线逐渐变成直线，接近牛顿流体但非牛顿流体；由图5（c）可以看出，当固体颗粒含量增加到70%时，此时的流变曲线变化趋势的R2为0.9944，几乎是一条直线，但此时当剪切速率达到一定值时，浆体才开始具有一定的剪切应力，此为典型的宾汉塑性流体特征。

由以上分析可知，造气湿煤灰浆体的流变特征是随着固体颗粒含量的增加，由假塑性非牛顿流体向宾汉塑性流体转变。

造气湿煤灰即使在水分减少时，随着剪切速率的增加，剪切应力的增量也会逐渐减小。

这一特性表征了煤浆流量达到一定程度后，其流动阻力线性程度将大为改善，这对于管道输送方案的设计来说是一个有利特性。

3 结论
试验对造气湿煤灰的流变特性进行了分析，根据煤浆的固体颗粒含量的增加，造气湿煤灰的浆液由假塑性流体向宾汉流体过渡，这有利于管道输送。

总之，造气湿煤灰作为循环流化床锅炉的燃烧介质用于密闭管道输送是可行的。

（责任编辑王雅琴）
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）
Abstract Gas 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 words wet coal ash，coal slime，rheologic property
中图分类号 TQ536.4
文献标识码 A
基金项目：∗江苏省产学研科技项目——煤化工行业湿煤灰（循环水污泥）管道输送的关键技术研究（BY2014034）
作者简介：张雷（1972－），男，江苏徐州人，副教授，博士，主要从事固体废弃物资源化研究。

造气湿煤灰即使在水分减少时，随着剪切速率的增加，剪切应力的增量也会逐渐减小。

这一特性表征了煤浆流量达到一定程度后，其流动阻力线性程度将大为改善，这对于管道输送方案的设计来说是一个有利特性。

试验对造气湿煤灰的流变特性进行了分析，根据煤浆的固体颗粒含量的增加，造气湿煤灰的浆液由假塑性流体向宾汉流体过渡，这有利于管道输送。

总之，造气湿煤灰作为循环流化床锅炉的燃烧介质用于密闭管道输送是可行的。

【相关文献】
［1］李忠海.造气炉湿排粉煤灰在橡胶制品中的应用探析［J］.化学工程师，2008（4）
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［3］姜秀民，李巨斌，邱健荣.煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响［J］.煤炭学报，1999（6）
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［6］吴丙福，周善斌，薛玉明.循环流化床锅炉燃用浓煤泥及其输送系统的技术经济性分析
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