颜雪琴 ，蔡金燕，潘洪杰

(1.新疆石河子职业技术学院；2.新疆天业集团有限公司，新疆 石河子 832000)

我国棉花主要有三大产区：黄河流域、长江流域和新疆。其中，新疆2017年棉花实播面积3162.9万亩，播种面积占全国的63%。由于交通、技术等诸多因素的制约，新疆棉秸秆大多采取就地掩埋或直接焚烧的方式处理。棉秸秆焚烧产生大量烟气并释放大量有害气体，破坏生态环境，且浪费资源。

水煤浆是一种新型煤炭洁净燃料，具有良好的流动性与稳定性，可泵送、雾化与稳定燃烧，可应用于工业气化炉、工业锅炉和电站锅炉等。水煤浆技术是适合我国现阶段的代油、环保及节能技术。将棉秸秆碳化粉碎加入至水煤浆中，可以降低水煤浆浓度和流动性，减缓颗粒沉降，提高水煤浆的粘度和稳定性。

1 试验部分

1.1 试验原料

原料煤：采自新疆五彩湾露天煤矿，煤质分析数据见表1。

棉秸秆：采自新疆生产建设兵团第八师148团棉田，成分分析见表1。

添加剂：木质素磺酸钠，由山东临沂市乾通化工有限公司生产。

表1 棉桔杆—水煤浆原料成分分析

1.2 试验仪器设备

主要试验设备：GZ120-S数显型恒速强力电动搅拌机，SG-GL管式炉，SX-12-1马弗炉，G-903 MB数显鼓风干燥箱，FA104A电子分析天平，FZ102微型植物粉碎机，XMB-67棒磨机，TNXS11-B型旋转粘度计，PHG-3081F数显pH计，EDX3600B XRF成分仪。

1.3 试验方法

1.3.1 煤粉制备

将原料煤用破碎机粉碎成一定粒度，然后用小型棒磨机进行制粉，所制水煤浆原料煤样粒度分布要求见表2。

表2 制水煤浆原料煤样粒度分布要求

1.3.2 棉秸秆碳化

将棉秸秆剪至4～6 cm段，再将秸秆段置于管式炉在氮气氛围下对其进行低温炭化处理，然后冷却至室温，破碎到200目，备用。

1.3.3 水煤浆制备

本试验采用干法制浆工艺，即：将已制备的煤粉、碳化后的秸秆粉、水、添加剂等按照一定比例，加入250 mL锥形中溶解，将电动搅拌器速度设置为1 000 r/min，搅拌10 min后即得棉秸秆水煤浆。每个样号做3个平行样，然后进行各项性能测试，取平均值。棉桔杆—水煤浆制备流程见图1。

图1 棉桔杆—水煤浆制备流程示意

煤粉、水、棉秸秆粉、添加剂用量见表3。

表3 棉桔杆—水煤浆成分比例表

1.3.4 数据测定

将制备好的棉桔杆—水煤浆先进行浓度、表观黏度测试后妥善保存，然后再进行流动性、稳定性测试。

(1)水煤浆浓度。测定按照 GB/T 18856. 2—2008《水煤浆试验方法 第 2 部分：浓度测定》规定的干燥法测定。

(2)水煤浆表观黏度测定。按照GB/T 18856. 4—2008《水煤浆试验方法 第 4 部分：表观黏度测定》测定，采用NXS一n型旋转粘度计测定。将适量水煤浆样品倒入测量容器中，(20±0.1)℃恒温水浴，使剪切速率从0升至100 s-1，在剪切速率为 100 s-1时，每隔30 s，记录1次数据，共计10组，所有数据的平均值即为水煤浆的表观黏度η。

(3)水煤浆流动性测定。采用目测法，根据其流动性状，分为A、B、C、D共4个等级，每个等级标准：A—不间断流动；B—间断流动，呈稀糊状；C—间断流动，呈粘稠状；D—不流动。

(4)水煤浆稳定性测定。参照GB/T 18856. 4—2008《水煤浆试验方法 第5部分，将水煤浆置于容器中放在振荡器中震荡6 h后，将容器垂直倒悬30 s时间，让其中的浆体流入另一个容器中，以原容器中水煤浆的残留物占水煤浆样的质量百分比表示水煤浆的稳定性。所占比例越大，表示水煤浆的稳定性越差。

式中，SBdyn为水煤浆的稳定性，以质量分数表示，%；mA为水煤浆震荡后试样瓶中残留物的质量，g；ms为水煤浆试样的总质量，g。

2 结果分析

2.1 水煤浆浓度、粘度、流动性、稳定性

将棉秸秆按比例添加至水煤浆后，与未添加棉秸秆的1号样进行比较，结果如表4。

由表 4 可知，棉秸秆添加至水煤浆中可显著提高棉秸秆—水煤浆的粘度和稳定性，但浆体的流动性和成浆浓度降低。随着棉秸秆添加量的增加，成浆浓度明显降低。这是由于原料煤属于煤化程度较高的高阶煤，氧含量偏低，水分含量也低，孔隙小，在水煤浆中，煤粒吸附的水分含量少，致使水煤浆中流动水分增加，提高了煤粒的分散和流动，使得水煤浆粘度增加，浆体成浆浓度降低。棉秸秆碳化破碎后，比表面积增加，水煤浆中大量水分和细小颗粒渗入棉秸秆颗粒内部，使得水煤浆中的自由流动水分大量缺失，水煤浆粘度增加，流动性变差，从而降低了棉秸秆—水煤浆的浓度。故随着棉秸秆的添加量增加，棉秸秆—水煤浆中悬浮的纤维状颗粒增多，粘度变大，棉秸秆—水煤浆的流动性变差，浓度降低。棉秸秆表面含有较多亲水性含氧官能团，容易与H2O分子通过氢键-H产生缔合效应，使包裹在固体颗粒表面的水化膜厚度增加，颗粒间位阻增大，减少了颗粒间团聚絮凝，颗粒沉降速率减低，导致棉秸秆—水煤浆浓度降低；棉秸秆属于链状高分子物质，在浆体中容易与添加的高分子水煤浆分散剂分子发生交联，形成复杂的三维网状结构，减缓固体颗粒的沉降作用，延长浆体形成沉淀的时间；另外，棉秸秆的孔隙结构发达，煤粒进入棉秸秆颗粒中，增加了煤粒间的空间距离，提高了位阻，从而提高了棉秸秆—水煤浆稳定性。

综上所述，随着棉秸秆添加量的增加，棉秸秆—水煤浆成浆浓度和流动性降低，，但粘度与稳定性明显增加。综合考虑，棉秸秆添加量以6%(干基)最佳。

2.2 水煤浆pH值

测得棉秸秆—水煤浆pH值见表5。

表5 棉秸秆—水煤浆的pH值

由表5可知，将棉秸秆加入水煤浆中，棉秸秆—水煤浆溶液显弱碱性，这是因为棉秸秆含有大量的碱性金属。符合工艺生产要求，pH值为7～9。

3 结 语

(1)由于棉秸秆中大量纤维状物质形成网状结构，可减缓煤炭颗粒沉降，因而提高了浆体稳定性。棉秸秆的强吸水性和大量孔隙结构使得水煤浆体系中的流动水分降低，浆体粘度升高，流动性变差。

(2)利用棉秸秆制备水煤浆，可以有效利用废弃棉秸秆，为废弃棉秸秆的处理提供了新的思路。

(3)将棉秸秆添加至水煤浆中的试验方法可靠，为工业生产提供了参考依据。