马少莲, 周 蕊

(1 中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116；2 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3 中国矿业大学现代分析与计算中心，江苏 徐州 221116)



城市污泥掺混水煤浆体系对粒度和浆体流变性能的影响*

马少莲1,2, 周 蕊3

(1 中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116；2 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3 中国矿业大学现代分析与计算中心，江苏 徐州 221116)

为了研究城市污泥(污泥)掺混水煤浆体系对粒度和浆体流变性能的影响，通过成浆实验考察了污泥水煤浆和同样实验条件下水煤浆的粒度分布和中位径。研究表明，两种浆体的粒度均呈双峰分布，污泥的加入能明显增加细颗粒的生成，并且随着分散剂添加量和湿法球磨时间的增加，细颗粒分布增加。此外，污泥水煤浆浆体中颗粒越小，累积分布含量的增长率越大，使得成浆浓度降低，表观粘度增大。

城市污泥；水煤浆；粒度；流变性能

污泥水煤浆是基于水煤浆科技发展起来的一项污泥处置技术[1-2]。通过将污泥、煤、水和分散剂掺混来制备液体燃料，并将其直接应用于现有的水煤浆锅炉和气化炉设备，可以减少利用成本。此外，污泥水煤浆技术不仅具有大规模处理污泥的能力，还可以高效回收污泥中热值，并且随着焚烧过程的进行，能够极大程度上将污泥中的有害物质进行无害化处理。因此，污泥水煤浆技术的发展，对于城市污泥减量化、资源化、能源化利用具有重要意义。

水煤浆颗粒粒度是影响浆体性能的重要指标[3-6]。合理的粒度分布有助于提高浆体浓度，降低表观粘度，并具备良好的流变性能和着火特性。目前，针对污泥水煤浆的实验室研究多采用干法制浆工艺，即将污泥掺混到已研磨好的煤粉中，加入水分和分散剂后，采用机械搅拌器制浆。该方法的缺陷是无法考察污泥在煤粉研磨过程中对体系颗粒粒度的影响，因此，本文通过采用湿法磨矿工艺分别制备污泥水煤浆和相同实验条件下的水煤浆，并对比两种类型浆体的粒度分布和中位径，探讨污泥掺混对体系颗粒粒度的影响，进而分析其对浆体流变性能的影响。

1 实 验

1.1 煤和城市污泥样品

城市污泥(污泥)选自广东佛山某污水处理厂的机械脱水污泥。选取优质的制浆用气煤作为实验用煤，样品的工业分析和元素分析见表1。从表1可以看出，污泥均含有大量的水分，且具备一定的热值。

表1 工业分析和元素分析

1.2 浆体的制备

实验采用湿磨制浆工艺，首先称取破碎后的煤、定量污泥和分散剂；将称量后的分散剂加入去离子水中；最后，分别将固体和分散剂溶液加入球磨机中，开启球磨机，并设定球磨时间。球磨过程结束，立即关停球磨机，并从出料口取浆，直接进行后续浆体指标的测定。

水煤浆平行实验时，除不添加污泥外，其余实验条件与相应污泥水煤浆成浆条件均一致。

实验中需要注意的是要保证球磨机负载相同，即制备的污泥水煤浆与水煤浆应保持相同的重量，因此，水煤浆中未添加的污泥的质量应折算成额外浆体的质量。

1.3 粒度的测量

采用Horiba LA-950型激光粒度仪直接测定浆体样品粒度分布和中位径D50。

1.4 污泥水煤浆性质的测量

浆体的浓度依据GB/T 18856.2-2008水煤浆浓度的测定进行。

浆体的表观粘度依据GB/T 18856.4-2008水煤浆表观粘度的测定进行。使用NXS-4C型水煤浆粘度计分别测定水煤浆在剪切速率为10、20、40、60、80、100 r/s时的粘度值。

2 结果与讨论

2.1 浆体的粒度分布研究

图1为污泥水煤浆(上)与同样实验条件下水煤浆(下)的粒度图，从图1可以对比浆体的粒度频度和粒度分布趋势。可知，污泥水煤浆和水煤浆的浆体粒度均呈双峰分布。其中污泥水煤浆中细颗粒频度峰值与粗颗粒频度峰值相差的数值，均比水煤浆中两者之差要小。其中细颗粒频度峰值的粒径在10 μm附近，而粗颗粒频度峰值的粒径处于60～100 μm附近。污泥水煤浆浆体中颗粒越小，累积分布含量的增长率越大；污泥水煤浆与相应水煤浆相比，颗粒较小，因此累积分布含量的增长率较大。

图1 两种浆体的粒度对比图

表2为污泥水煤浆与水煤浆颗粒的中位径(D50)。随着湿磨时间的增长和分散剂添加量的增加，污泥水煤浆和水煤浆的D50均表现出细颗粒越多的趋势。此外，同等实验条件下，即分散剂添加量和湿法球磨时间相同的情况下，佛山水煤浆的D50值均比水煤浆的D50值小，这充分说明污泥的加入导致了细颗粒的增加，增加了球磨机制备细颗粒的效率。

表2 两种浆体颗粒的中位径

2.2 浆体的流变性分析

图2为在同样分散剂添加量和湿法球磨时间下，污泥水煤浆和水煤浆的流变性能对比。

图2 两种浆体对比流变特性

由图2可知，同样的分散剂添加量和湿法球磨时间下，污泥水煤浆的成浆浓度均低于水煤浆的成浆浓度，但表观粘度均大于水煤浆的表观粘度。这与污泥-煤-分散剂在成浆体系中形成“复合污泥煤粒”有关。污泥掺混入水煤浆体系后，随着球磨机作用，污泥颗粒镶嵌在煤-分散剂组成的大骨架结构中，并且污泥中所含亲水基团吸附了体系中大量自由水，形成具有空间网状结构的复合污泥煤粒。体系中自由水的减少和复合污泥煤粒具有空间位阻的复杂结构，使得污泥水煤浆浆体粘度增大、流动性减弱，并且直接造成浆体在磨介周围的黏着程度增大，磨介表面附着浆体厚度增加。由于磨介对物料的冲击和研磨作用均较好，但是浆体流动慢，因而造成浆体中细颗粒的增加，从而提高了磨机产生细颗粒的效率。因此，污泥的加入导致了污泥水煤浆体系中细颗粒的增加。由于污泥水煤浆的细颗粒比水煤浆要多，因而颗粒的填充位置少，造成颗粒间未达到紧密堆积，再加上体系总水分多，但是自由水分少，因而成浆浓度偏低。

3 结 论

对比污泥水煤浆与同实验条件下水煤浆的粒度分布和中位径可知，污泥的加入能明显增加细颗粒的生成，且缩小细颗粒频度峰值与粗颗粒频度峰值的差值，其中细颗粒频度峰值的粒径在10 μm附近，而粗颗粒频度峰值的粒径处于60～100 μm附近；随着分散剂添加量和湿法球磨时间的增加，细颗粒分布增加。此外，污泥水煤浆浆体中颗粒越小，累积分布含量的增长率越大；由于细颗粒偏多，导致颗粒间未达到最佳紧密堆积，使得所制浆体成浆浓度降低，表观粘度增大。因此，湿法制浆工艺中通过加入污泥而导致体系中细颗粒增加并对浆体成浆特性产生的影响不容忽视。

[1] 朱建航.不同分散剂对污泥水煤浆成浆性和燃烧性的影响[D].杭州:浙江大学, 2012.

[2] 段清兵,何国锋,王国房,等.利用碱性物质对污泥改性制备污泥水煤浆的实验研究[J].洁净煤技术, 2014, 20(01): 96-99.

[3] 李寒旭,张颂,钱宁波,等.激光粒度仪分级测定水煤浆粒度分布的研究[J].广东化工, 2014, 41(05): 27-28.

[4] 叶向荣,刘定平,陈其中,等.粒度级配对混煤水煤浆浓度与黏度的影响[J].煤炭转化, 2008, 31(02): 28-30.

[5] 段清兵,汪广田,何国锋,等.水煤浆激光粒度仪的原理与应用[J].煤炭科学技术, 2005(02):74-76.

[6] 王仁哲，张荣曾，徐志强，等.水煤浆粒度测试技术的比较研究[J].煤炭工程, 2004(07): 54-56.

Effects of Municipal Sludge on Particle Sizes and Rheological Behaviors in Coal Water Slurry*

MAShao-lian1,2,ZHOURui3

(1 School of Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116;2 Ministry of Education’s Key Lab of Coal Processing and High Efficient Clean Utilization, Jiangsu Xuzhou 221116;3 Advanced Analysis & Computation Center, China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The particle sizes distribution andD50were studied to investigate the effects of municipal sludge on particle sizes and rheological behaviors in coal water slurry system.The results showed that the particle sizes distributions of two kinds of slurries followed two-peak pattern.Municipal sludge benefited the fine particles production.With the improvements of wet-grinding time and dispersant amount, fine particles distribution increased.Additionally, the smaller particles size in coal sludge slurry leaded to the bigger growth rate of accumulative distribution.The concentration of coal sludge slurry decreased and the apparent viscosity increased.

municipal sludge; coal water slurry; particle size; rheological behaviors

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014XT05)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(BK20141242)。

马少莲(1981-)，女，博士研究生，主要从事洁净能源技术和能源政策。

TQ519

A

1001-9677(2016)019-0067-03