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优化级配制备高性能水—煤—半焦浆及其在煤化工废水处理中的应用

【摘要】:煤炭分质利用是洁净煤技术的重要发展方向,具有广阔的前景,但是会产生大量的副产物——半焦和废水。如何简单高效地处理半焦和废水是煤炭分质利用领域亟待解决的问题。本论文利用水煤浆技术将半焦制成浆体燃料和化工原料,可以实现半焦的大规模资源化利用。但是由于半焦堆积密度低、粒度分布窄,制备高浓度水-半焦浆的难度较大。分别将煤粉和半焦浆作为粗粉和细浆通过优化级配制备水-煤-半焦浆,可以显著提高浆体浓度等性能,使其能够满足气化用水煤浆的要求。采用萘磺酸甲醛共聚物钠盐作为制备水-煤-半焦浆的添加剂,随着添加量的增加,浆体定粘浓度逐渐升高;当添加量在0.6wt%左右时,添加剂在煤和半焦颗粒表面的吸附达到饱和,再增加添加量浓度基本不变。对粗粉细浆的最优干基质量比进行探究后发现,煤/半焦干基质量比越大,制得的水-煤-半焦浆定粘浓度越高,但是流动性和稳定性随之变差;在确保良好的流动性和稳定性的前提下,煤/半焦最佳干基质量比约为7:3,此时定粘浓度可以达到64.11wt%。对粗粉细浆的最优粒径比进行探究后发现,半焦浆磨制时间越长,与煤粉级配后的定粘浓度先升高后略有下降,半焦和煤的平均粒径之比在0.07左右时成浆浓度最高。此外,煤粉粒度分布越宽,制得的水-煤-半焦浆定粘浓度越高,颗粒分形维数越大,因此级配效果越好。与非级配制浆的性能进行比较,结果表明:优化级配制浆相对浓度可以提高10%以上;级配制浆的Zeta电位绝对值有了显著提高,意味着颗粒之间的静电斥力更大,再加上流动屈服应力增大,因此静态稳定性更好。湿磨制浆实验表明,粗颗粒煤粉可以起到支撑浆体的作用,阻碍细颗粒半焦的团聚和沉降,因此浆体中的粗颗粒对浆体静态稳定性有重要的影响。实验制得的水-煤-半焦浆表现出伪塑性流体的流变特性,表观粘度随剪切率的升高而降低,便于储存和管道运输。煤炭分质利用的另一个副产物——煤化工废水,由于成分复杂、对环境危害大,因此处理起来工艺复杂、成本高。如果直接用作制备水煤浆的原料,会导致制浆浓度降低。本论文以煤化工废水为制浆原料,利用半焦的吸附作用,有效缓解了废水对制浆浓度的不良影响,同时减少了废水的有害气体对周围大气环境的污染。采用萘磺酸甲醛共聚物钠盐、磺化丙酮-甲醛缩合物、木质素磺酸钠以及由萘磺酸甲醛共聚物钠盐与甲基丙烯酸-丙烯磺酸钠共聚物复配的添加剂分别制备废水-半焦浆和废水-煤-半焦浆,复配型添加剂制得的浆料定粘浓度最高,稳定性最好。分别选取煤和半焦的粗粉和细浆作为原料混合制浆,结果表明,将粒度分布差异较大的煤粗粉与半焦细浆混合制浆级配效果最好,定粘浓度可以达到62 wt%以上。用小型球磨机模拟工业制浆实验发现,煤和半焦的可磨性差异越大,实际制浆浓度比预计浓度相对提高得越多,粒度分布也越宽。废水的加入会降低水煤浆的定粘浓度,但是对水-煤-半焦浆的定粘浓度几乎没有影响。经半焦吸附后的废水(半焦和废水的质量比为1:5),其紫外-可见吸收光谱的吸光度下降了70%以上。对充分吸附废水后的半焦进行热重分析,结果表明,半焦能够吸附自身质量0.6%的有机物。本论文有助于实现半焦和煤化工废水的高效处理和资源化清洁利用,对工业生产高性能水-煤-半焦浆和废水-煤-半焦浆具有较大的参考价值。

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