利用城市污泥制備水煤漿的實(shí)驗研究

第43卷第17期州化工Vol 43 No 17015年9月Guangzhou Chemical IndustrySep.2015利用城市污泥制備水煤漿的實(shí)驗研究金大鉞,孔順利,朱芝材,雷一凡,高明洋,孟獻梁(中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州221116)摘要:利用干濕污泥制備污泥水煤漿,考察污泥的添加量對水煤漿成漿特性的影響。針對濕污泥水分高,直接與煤摻混制備水煤漿無(wú)法得到高品質(zhì)漿體的特點(diǎn),進(jìn)行了添加堿性物質(zhì)對濕污泥改性制備污泥水煤漿的實(shí)驗,改性劑分別選用NaOHKOH、Ca(OH)2、K2CO3,通過(guò)加堿改性實(shí)驗找到最佳改性條件。結果表明,干污泥添加量在10%時(shí),可以得到成漿特性良好濃度較高的污泥水煤漿;濕污泥在KOH用量為15%,處理時(shí)間為1h的條件下,制備所得污泥水煤漿的成漿濃度最大。關(guān)鍵詞:污泥水煤漿;流變特性;加堿改性;表觀(guān)粘度中圖分類(lèi)號:TQ536,X705文獻標志碼:A文章編號:1001-9677(2015)017-0106-05CWS Preparation with Sewage sludgeJIN Da-yue, KONG Shun-li, ZHU Zhi-cai, LET Yi-fan, GAO Ming-yang, MENG Xian-liangChina University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)Abstract: Using dried and wet sludge to prepare sludge Cws, the influence of the sludge additionproperties was investigated. The original unmodified sludge cant be mixed with coal to prepare the high quality sludgeCWs due to its high moisture content. Adopted the alkaline matter to modify the sludge, used NaOH, KOH, Ca(oh)2and K,CO3 as the modifiers, the best modification condition was found. The results showed that the high quality and highconcentration sludge Cws can be produced when the dried sludge blending ratio was 10%, the sludge Cws had thehighest concentration when the wet sludge was modified by 15% Naoh for 1 hKey words sludge CWS; rheological characteristics; modification by alkaline; apparent viscosity增大。據估計,我國污泥的年產(chǎn)量為幾千萬(wàn)噸。常規的污泥1實(shí)驗部分處理方法諸如填埋、焚燒等都有一定的局限性2,因此如何有效地處理城市污泥成了一個(gè)需要解決的問(wèn)題。1.1實(shí)驗材料水煤漿是一種符合我國國情的潔凈能源利用技術(shù)3。理論實(shí)驗所用到的污泥來(lái)自徐州污水處理廠(chǎng),所用氣煤來(lái)自王上來(lái)說(shuō),將污泥加入到水煤漿制備成污泥煤漿是可行的,制得樓礦。表1為煤和污泥的工業(yè)分析和元素分析。由表1可以看的漿體可以在燃燒氣化等領(lǐng)域中作為替代能源。這種方法能處出,實(shí)驗用煤中含有少量水分和灰分,揮發(fā)分和固定碳含量偏理大量污泥,同時(shí)也有效地利用了污泥中的熱值,節約了原高,其中固定碳含量超過(guò)50%。而與實(shí)驗用煤相比,污泥中含煤,而且避免了二次污染34。然而由于城市污泥含水分高,有的水分增多,但含量不高,適合高濃度污泥-煤漿的制備直接與煤制漿會(huì )導致水煤漿難以成漿或濃度很低3)。因此在利灰分和揮發(fā)分含量較高,固定碳含量偏低。從元素角度分析用污泥制備水煤漿之前,有必要對污泥進(jìn)行改性處理本文通過(guò)對城市污泥在不同添加比例條件下進(jìn)行制漿實(shí)氮含量與實(shí)驗用煤相比偏高,由于含氧官能團是影響水煤漿成驗,考察了所制漿體的成漿特性。再利用堿性物質(zhì)對濕污泥進(jìn)漿性的重要因素,因此含氧量高不利于水煤漿的制備,但由于行預處理,設計正交試驗得出最優(yōu)的制漿條件。最終成功利用水煤漿中煤是主要物質(zhì),因此對成漿性影響不大;硫含量和氫城市污泥制備出高品質(zhì)漿體。含量與實(shí)驗用煤相比類(lèi)似。表1實(shí)驗用煤和污泥的工業(yè)分析和Table 1 Proximate and ultimate analysis of test中國煤化工樣品工業(yè)分析/%TYHECNMHG氣煤79.565.2649.6838.3446.298.477.63第一作者:金大鉞(1993-),男,學(xué)生,化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)第43卷第17期金大鉞,等:利用城市污泥制備水煤漿的實(shí)驗研究107實(shí)驗材料的粒度分布采用激光粒度分析儀測得,煤樣的體積平均粒徑為36.88μm,粒度分布見(jiàn)表2表2煤樣粒度分布Table 2 Particle size distribution of test coal體積分數/%樣品5 um<30μ<50μm74 um<180m1.2污泥水煤漿的制備漿體更穩定,不易沉淀。另外,漿體穩定性的增強,還由于污采用干法制漿,準確稱(chēng)取1%的NSF,充分溶于水后,將泥在漿體中可以形成一種空間網(wǎng)絡(luò )結構,有利于阻止煤顆粒的稱(chēng)量好的城市污泥和煤樣充分混合后加人溶液中,同時(shí)通過(guò)控沉降制加入去離子水的量來(lái)調節水煤漿的濃度和表觀(guān)粘度。采用磁力攪拌機在1500r/min的轉速下攪拌15min,停止攪拌后靜置片刻,待漿內所含氣體釋放,得到污泥水煤漿。實(shí)驗中統一采用250mL的燒杯,進(jìn)行水煤漿制備,每次約制備100g的水煤漿,攪拌時(shí)攪拌頭應距燒杯底1cm1.3水煤漿的性能測試E然3.1流動(dòng)性測定將制得的污泥水煤漿倒入粘度計中,觀(guān)察漿體的流動(dòng)性狀,分為A,B,C,D四個(gè)等級,每個(gè)等級的劃分標準如下A-連續流動(dòng);B-間斷流動(dòng),成稠流狀;C-間斷流動(dòng),呈稀糊狀;D-不流動(dòng)1干污泥添加量對水煤漿成漿濃度的影響1.3.2穩定性測定Influence of the dried sludge blending ratio to the考察釆用目測法,采用試管靜置觀(guān)察法來(lái)檢測,將適量水concentration of cws煤漿置于試管中,靜置保存7d后看其析水程度和沉淀情況將水煤漿的穩定性的判定分成4個(gè)等級,具體情況如下:A級表3干污泥添加量對水煤漿的成漿特性影響無(wú)析水和軟沉淀;B級-少量析水和軟沉淀;C級-少量析水和Table 3 Influence of the dried sludge blending ratio硬沉淀;D級-大量析水和硬沉淀。the property of CWs1.3.3流變特性測定泥添加煤漿表觀(guān)粘度最大成漿使用NXS-4C型水煤漿粘度計測定所制備污泥水煤漿的表量/%濃度/%(ma,)流動(dòng)性穩定性濃度/觀(guān)粘度,測量溫度為25℃,每次水煤漿用量約為25mL,剪切70.691303.4間斷流動(dòng)大量析水,硬沉淀速率由10s-、20s、40s-、60s-1、80s-1、100s遞升,再069.751086.2連續流動(dòng)大量析水,硬沉淀68.6按80s-1、60s-1、40s-1、20s-、10s-遞減,每個(gè)剪切速率測67.96949.8連續流動(dòng)大量析水,硬沉淀量五個(gè)數據。62.911461.7連續流動(dòng)少量析水,硬沉淀1.3.4濃度測定562.221177.1連續流動(dòng)少量析水,硬沉淀61.75水煤漿的濃度測定按照GB/T18856.2-2008《水煤漿試驗61.72987.6連續流動(dòng)少量析水,軟沉淀方法第2部分:濃度測定》進(jìn)行。60.351307.5連續流動(dòng)少量析水,軟沉淀1060.151106.2連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀60.092結果與討論5998783.7連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀58.071206.2連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀2.1干污泥添加對水煤漿成漿性能的影響75.5連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀57.46污泥添加比例不同,其成漿特性也不相同,采用干污泥添57.10860.6連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀加比例分別為5%、10%、15%、20%制得漿體,考察了不同6.691294.5連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀干污泥添加量下制備得到的漿體的性能2056.4711881連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀圖1為干污泥添加量對水煤漿成漿濃度的影響。由圖1可56.02872.3連續流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀知,干污泥的添加量可顯著(zhù)降低污泥水煤漿的成漿濃度,隨著(zhù)干污泥添加量的增加,污泥水煤漿的成漿濃度呈下降趨勢。煤漿流變特性主要指其表現黏度隨煤漿剪切速率變化的規表3為干污泥添加量對水煤漿的成漿特性的影響。由表3律,水煤漿與污泥水煤漿流變特性曲線(xiàn)如圖2~圖3所示?？傻?干污泥的加人,對漿體的流動(dòng)性沒(méi)有太大的影響。污泥圖2中國煤化工線(xiàn)圖。圖3分別為干污泥水煤漿在靜置7天后,通過(guò)觀(guān)察和棒測法測試穩定性,其上層線(xiàn)價(jià)水煤漿的穩定性可以通過(guò)出現沉淀的情況和析水情況來(lái)考察添加CNMH污泥水煤漿流變特性曲口以速率的不斷增大,原煤水有大量析水,出現少量硬沉淀。而隨著(zhù)干污泥添加比例的增煤漿的粘度增大,漿體呈現屈服漲塑性。添加干污泥后,污泥大,析水減少,硬沉淀逐漸減少至變?yōu)檐洺恋?污泥水煤漿的水煤漿的濃度有所降低,且漿體的表觀(guān)粘度隨著(zhù)剪切速率的增穩定性增加。穩定性增加的原因可能是污泥所帶的負電荷增強大而減小,為賓漢塑性流體。由圖2和圖3還可以看出,隨著(zhù)了漿體內部顆粒的負電性,顆粒間的表面斥力變大,從而導致污泥添加量的增大,漿體賓漢塑性增強?；?015年9月綜合考慮漿體的流變特性和濃度等性質(zhì),污泥水煤漿中干污泥最佳添加比例以10%為宜。2.2濕污泥添加對水煤漿成漿性能的影響采用濕污泥添加比例分別為5%、10%、15%、20%制得漿體,考察了不同濕污泥添加量下制備得到的漿體的性能,如圖4所示0102030405060708090100剪切速率/圖2水煤漿的流變曲線(xiàn)between apparent viscosity andshear rateinal coal干污泥添加比例:5%濃度%圖4濕污泥添加量對水煤漿成漿濃度的影響Fig 4 Influence of the wet sludge blending ratio to the concentration of cws圖4為濕污泥添加量對水煤漿成漿濃度的影響。由圖4可知,濕污泥的添加可顯著(zhù)降低污泥水煤漿的成漿濃度,隨著(zhù)濕剪切速率/s污泥添加量的增加,污泥水煤漿的成漿濃度呈明顯下降趨勢。3000干污泥添加比例:10%對比添加干污泥的污泥水煤漿成漿特性,可知添加濕污泥的污60.35泥水煤漿的成漿濃度下降更為顯著(zhù),其原因主要是濕污泥中含有結合水,在干污泥和濕污泥相同的添加比例條件下,濕污泥的成漿濃度會(huì )更低。一般未經(jīng)處理過(guò)的城市污泥中含有大量水分,因此可以對污泥進(jìn)行干燥預處理后制漿,提高污泥水煤漿的成漿濃度。表4濕污泥添加量對水煤漿的成漿性能影響Table 4 Influence of the wet sludge blending ratioto the property of CWs干污泥添加比例:15%污泥添煤漿表觀(guān)粘度加量/%濃度/%(mPa·s)流動(dòng)性穩定性最大成漿濃度/%70.691303.4間斷流動(dòng)大量析水,硬沉淀69.751086.2連續流動(dòng)大量析水,硬沉淀68.6267.96949.8連續流動(dòng)大量析水,硬沉淀1000l199.4間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀554.841137.6間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀54.1150610203040506070809010053.58898.8間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀剪切速率s48.481274.3間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀干污泥添加比例:20%56.69%1047.731174.1間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀47.3547.19926.8間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀43.411075.6間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀42.431012.9間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀42.442.10890.2間斷流動(dòng)少量析水,軟沉淀1235.3間斷流動(dòng)無(wú)析水,軟沉淀中國煤化工析水,軟沉淀39.30CNMHG剪切速率表4為濕污泥添加量對水煤漿的成漿性能影響。由表4可圖3不同干污泥添加量下污泥水煤漿的流變曲線(xiàn)得,濕污泥的加人,可以調節漿體的穩定性和流動(dòng)性。水煤漿Fig, 3 Relationship between apparent viscosity and shear在裝樣時(shí)可連續流動(dòng),但是其在試管中放置一定時(shí)間后,會(huì )析rate for sludge CWS in different dried sludge blending ratio出大量水分,并產(chǎn)生硬沉淀。煤漿加入濕污泥后,污泥水煤漿的流動(dòng)性變差,穩定性增加第43卷第17期金大鉞,等:利用城市污泥制備水煤漿的實(shí)驗研究109污泥水煤漿流變特性曲線(xiàn)如圖5所示低2.3濕污泥加堿改性后對水煤漿成漿性能的影響5500濕污泥添加比例:5%3在制備漿體之前對污泥進(jìn)行改性處理是改善污泥水煤漿流動(dòng)性和提高污泥水煤漿濃度的主要手段51。由于濕污泥粘度3500高、流動(dòng)性差,直接進(jìn)行污泥水煤漿的制備往往得不到高質(zhì)量的漿體。為了降低其粘度、改善其流動(dòng)性,需要對污泥進(jìn)行加堿改性。本研究以NaOH、Ca(OH)2、KOH、K2CO3為改性劑:改性時(shí)間分別為0.5h、1.0h、1.5h、2.0h,改性劑用量分別為污泥干基的5%、10%、15%、20%,探索了污泥加堿改性剪切速率/s的最佳工藝條件,考察了不同改性污泥水煤漿的成漿特性。選擇一組(煤:55.6644g,濕污泥:25.4883g,NSF:濕污泥添加比例:10%0.6000g)來(lái)設計正交試驗L(43),此污泥改性實(shí)驗共需進(jìn)行65016次實(shí)驗,每次實(shí)驗測定加水量,并且用來(lái)制漿,考察污泥水煤漿成漿性能,計算最大成漿濃度(最大成漿濃度定義剪切速率為100s、表觀(guān)粘度達到1000mPa·s時(shí)污泥水煤漿所含固體的質(zhì)量分數3),選出最佳改性條件。表5濕污泥改性因素水平表501020304506070809010Table 5 Modification factors of the wet sludge剪切速率/s水平(B)添加(C)添加劑種類(lèi)改性劑時(shí)間/h改性劑用量/%濕污泥添加比例:15%(OH)2KOHK, CO0.5表6試驗方案及試驗結果分析Table 6 Test scheme and analysis of the results剪切速率/s試驗號最大成漿B空白濃度/%濕污泥添加比例:20%→3988%2449.37剪切速率s圖5不同濕污泥添加量下污泥水煤漿的流變曲線(xiàn)3Fig. 5 Relationship between apparent viscosity and shear1011圖5分別為濕污泥添加比例為5%、10%、15%、20%的污泥水煤漿流變特性曲線(xiàn)圖。由圖5可知,隨著(zhù)剪切速率的不49.52斷增大,水煤漿的粘度增大,漿體呈現屈服漲塑性,加入濕污泥后,所制得的污泥水煤漿為賓漢塑性流體,隨著(zhù)剪切速率的49,24增大,污泥水煤漿表觀(guān)粘度減小,并且隨著(zhù)污泥添加量的增大,漿體賓漢塑性增強。中國煤化工3K對比不同添加比例下的漿體成漿濃度,可知在添加濕污泥CNMH46202.34后,污泥水煤漿的濃度降低較為明顯,而且其粘度增大,流動(dòng)性變差。由于污泥中含有大量的有機質(zhì),具有一定的表面張力和粘滯力,且污泥的絮體網(wǎng)狀結構可以固定部分水分,添加濕污泥后,漿體的流動(dòng)性變差,粘度明顯增加。因此,為了保證50.707550.065050.312550.615050.5850污泥-煤漿具有良好的流動(dòng)性,污泥水煤漿的成漿濃度有所降k249.77550.267550.18050.190049.7850廣州化工2015年9月續表6(3)加堿改性處理后的濕污泥制備的污泥水煤漿濃度得到k350.840050.405049.945050.510050.3275提高。當濕污泥在KOH用量為15%,處理時(shí)間為1h的條件k449.380049.967550.262549.390050下,制備所得污泥水煤漿的成漿濃度最大。極差R1.46000.43750.36751.22500參考文獻因素主次[]房井新,汪文生,張仁鵬,等.淺談城市污水廠(chǎng)污泥的處置[J].中國優(yōu)方案A,,B3 A, C3B2 A2 C2B 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