活化污泥基黏结剂制备型煤型焦试验研究
摘 要：为实现粉煤的综合利用，以城市污泥为黏结剂的基础组分，采用化学方法活化，利用粉煤成型技术制备型煤，对工艺条件进行研究，考查了成型压力、污泥含量、干燥时间对型煤冷压强度和湿压强度的影响，确定了最佳工艺条件。结果表明，污泥含量为12%、成型压力12 MPa、干燥时间8 h时，制得型煤的冷压强度为1 522.5 N，落下强度为97.7%，型煤600 ℃干馏2 h制得型焦的强度、灰分、挥发分、发热量等主要指标均达到《陕西省地方洁净型煤技术标准》。利用活化污泥可制备出适用于工业生产的洁净型煤。
关键词：污泥；黏结剂；粉煤成型；型煤
0 引 言
近年来，由于资源的匮乏以及人类环保节能意识的逐步提高，回收利用粉煤得到广泛重视，相关研究部门也增加了对粉煤综合利用研究的投入[1-3]，开发出多种成型工艺，其中，黏结剂冷压成型工艺因具有工艺简单、可操作性强等优点，是目前广泛采用的工艺技术。许伟等[4]综述了国内外型煤技术研究现状，提出了粉煤成型利用的必要性。乔星星等[5]分析了粉煤成型过程，说明成型过程是范德华力、氢键、共价键、“桥键”和机械啮合力共同作用的结果。苗文华等[6]分析了目前型煤技术应用过程中存在的问题，预测了型煤技术的发展前景。刘皓等[7]选用有机黏结剂复配技术研究了不同黏结剂对型煤、兰炭的落下强度和抗碎强度的影响。陈升等[8]研究了配煤比例、温度、粒度、堆密度等对粉煤冷压成型结焦工艺中焦炭强度的影响。黏结剂是冷压成型技术的核心部分，对型煤质量、生产成本起着至关重要的作用，因此，价格低廉、冷热强度高、耐水性能好的高效黏结剂的研发也成为热点[9-10]。污泥作为一种废弃固体颗粒，不仅富含有机质，还含有有机黏结性物质，这为其作为黏结剂制备型煤提供了条件[11-12]。笔者将化学活化后的污泥与一定粒度粉煤、水混合，经冷压成型制备型煤，考察了不同工艺条件对型煤性能的影响，并对黏结成型机理进行分析，结果表明活化污泥可作为新型的粉煤黏结剂，该研究不仅为污泥的化害为利、变废为宝找到一条途径，也为粉煤的综合利用提供了新的思路。
1 试 验
1.1 试验原料
试验所用污泥取自榆林高新区榆横污水处理公司，经测定含水率为89.51%，干燥后有机质(干基)含量为56.35%，灰分为19.45%，pH值为6.6。粉煤取自榆林杭来湾煤矿，粉煤性质分析见表1。
表1 粉煤性质分析
Table 1 Properties of pulverized coal
1.2 型煤型焦的制备
将活化剂5 mol/L磷酸溶液与污泥混合，搅拌充分后制备成湿基活化污泥浆体，在105 ℃下干燥并研磨至1 mm以下，即制得干基活化污泥。所得活化污泥再与粉煤、水按一定比例混合均匀后，在不同压力下压片(每块质量约20 g、直径30 mm、高18 mm)，测试湿压强度，干燥一定时间，测试冷压强度。测量最优条件下型煤的性能，型煤600 ℃下干馏2 h，测试型焦的性能。
1.3 测试分析
使用济南中创工业测试系统公司ZCDS-5000A全自动型煤压力试验机测定冷压强度和湿压强度。
将压好的型煤从1.5 m高度处自由落下到规定厚度的钢板上，然后将落下的型煤中破碎的和未破碎的粒度均大于13 mm的煤块再次落下同样的高度，总共落下3次，将破碎后的煤块筛分，粒度大于13 mm的煤块占原型煤样品的质量分数，表示该型煤的落下强度。
使用XDLR-8微型全自动量热仪根据GB/T 213—2008《煤的发热量测定方法》测定发热量，在氧弹内，过剩氧含量的情况下，燃烧单位质量试样产生的热量作为弹筒发热量，以该热量表示煤样发热量。利用鹤壁GYFX-612型工业分析仪测试样品的水分、灰分、挥发分；利用荷兰Philips-FEI公司Quanta 200环境扫描电镜测试污泥活化前后形貌。鉴于现有生产过程中最小的低温干馏试验方炉为1万t/a，无法在实验室进行试验，因此利用马弗炉将型煤埋覆在沙中隔绝空气模拟中低温干馏方炉试验条件进行中低温干馏试验。
2 结果与讨论
2.1 污泥活化前后扫描电镜分析
污泥活化前后扫描电镜分析如图1所示。由图1可知，污泥在活化前后发生了明显变化，未活化的污泥颗粒并没有很均匀地黏结在一起，而活化后污泥颗粒内部结构被破坏，这是因为磷酸与污泥中金属氧化物反应生成磷酸盐，而且磷酸盐金属化合物在高温下通过固化反应形成了以共价键和离子键共同作用的骨架结构，这种结构可显著增加粒子间的内聚力。当活化污泥、粉煤、水充分混合后，有利于粉煤和污泥颗粒的黏结成型。
图1 污泥活化前后扫描电镜分析
Fig.1 SEM figures of sludge before and after activation
2.2 活化污泥制备型煤的单因素试验
2.2.1 成型压力对型煤强度的影响
在活化污泥含量10%、干燥时间24 h的条件下，改变成型压力(6、8、10、12、14 MPa)对粉煤成型，研究成型压力对型煤强度的影响，结果如图2所示。
图2 成型压力对型煤强度的影响
Fig.2 Effect of forming pressure on briquette strength
由图2可知，随着成型压力的升高，型煤的抗压强度先增加后减小，这是由于成型压力较低时，粉煤粒子之间的嵌合力较小，型煤的抗压强度也较小；随着成型压力增大，超过某一值时，粉煤在较大承受力情况下将发生二次破碎，产生新的表面，原有的黏结剂不能将其充分浸润，此外型块脱模反弹，导致其强度下降[13]。因此确定适宜的成型压力为12 MPa。
2.2.2 污泥含量对型煤强度的影响
在成型压力12 MPa、干燥时间24 h的条件下，改变污泥含量(6%、8%、10%、12%、14%)对粉煤成型，研究污泥含量对型煤强度的影响，结果如图3所示。
图3 污泥含量对型煤强度的影响
Fig.3 Effect of sludge content on briquette strength
由图3可知，污泥含量为6%～12%时，型煤强度随着污泥含量的增加逐渐升高，污泥含量为12%时，强度达到最大，之后反而降低。这主要是由于煤和活化污泥均含有有机物，两者具有强的亲和力，且黏结剂可以很好地浸润煤料，甚至会存在于煤内部组织中。随着活化污泥含量的增大，浸润能力的增加起到更好的黏结性能，使型煤强度增大，继续增加活化污泥含量，污泥对煤粉的黏结性能处于饱满状态，且型煤中的水分增大，强度逐渐降低[14]。因此确定适宜的污泥含量为12%。
2.2.3 干燥时间对型煤强度的影响
在污泥含量12%、成型压力12 MPa的条件下，改变干燥时间(6、8、10、12、14 h)对粉煤进行成型，研究干燥时间对型煤冷压强度的影响，结果如图4所示。
图4 干燥时间对型煤强度的影响
Fig.4 Effect of drying time on briquette strength
由图4可知，干燥时间为12 h时，型煤冷压强度达到最大，此后趋于稳定。这表明干燥过程中不仅脱除煤中内在水分，还会脱除部分化合水。成型水分是影响型煤质量指标的要素，在成型过程中，物料含有适当水分，可起到润滑湿润的作用，使黏结剂性能更好发挥，有利于煤粒的严密堆积和黏结剂的充分扩散。刚开始干燥时，煤粉颗粒间自由水较多，活化污泥中水分也较多，黏结剂对煤料的亲和力处于饱满状态，且黏结剂未达到最好黏结性能，呈缓慢上升趋势；随着水分的蒸发，两者能够充分黏结，型煤强度急剧上升；到达一定时间后，煤样和污泥中水分流失太多，型煤水分蒸发，污泥中水分也部分流失，黏结剂和煤料开始结块甚至破裂，型煤冷压强度逐渐平缓甚至降低。因此确定适宜的干燥时间为12 h。
2.3 活化污泥制备型煤的正交试验
考察成型压力、污泥含量、干燥时间3个因素，设计三因素三水平的正交试验表L9(33)，试验以型煤冷压强度为试验指标。正交试验因素水平见表2，正交试验方案及试验结果见表3。
表2 正交试验的因素水平
Table 2 Factor level table of orthogonal experiment
由表3可知，极差大小关系为：R3gt;R1gt;R2，因此各因素水平的改变对试验结果影响的主次顺序为：污泥含量gt;成型压力gt;干燥时间。最优方案为A2B1C3，即成型压力为12 MPa，干燥时间为8 h，污泥含量为12%，此时制备型煤的冷压强度为1 522.5 N，落下强度为97.7%。
表3 正交试验方案及试验结果分析
Table 3 Plan and test results analysis of orthogonal experiment
注:K1～K3分别为各因素各水平下指标的平均值，R为极差。
2.4 最佳制备条件下型焦的质量指标
污泥含量12%、成型压力12 MPa、干燥时间8 h的条件下制备型煤，利用马弗炉600 ℃干馏2 h后测试型焦的性能，具体见表4。由表4可知，型焦强度、灰分、挥发分、发热量等指标均达到《陕西省地方洁净型煤技术标准》。
表4 型焦质量指标
Table 4 Quality indicators of formed coke
3 结 论
1)以磷酸为活化剂，在一定条件下制得的活化污泥具有较高的黏结性，可促使粉煤粒子之间较好地黏结。
2)单因素试验法得到型煤的适宜制备条件为成型压力12 MPa、干燥时间12 h、污泥含量12%。
3)正交试验确定最佳制备条件为成型压力12 MPa、干燥时间8 h、污泥含量12%，此时测得型煤的冷压强度为1 522.5 N，落下强度为97.7%；对最佳工艺条件下制得的型煤在600 ℃下干馏2 h，型焦的性能指标经检测达到《陕西省地方洁净型煤技术标准》。
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Experimental study of briquette and formed coke preparation usingactivating sludge as binder
Abstract:In order to achieve comprehensive utilization of pulverized coal,municipal sludge was chosen as a base component of binder, and chemical activation was used.The influence of forming pressure,sludge content and drying time on cold press strength and wet compressing strength was studied.The optimum process conditions were determined.The results showed that the cold press strength，dropping strength of briquette was 1 522.5 N，97.7% respectively,when the sludge content was 12%,forming pressure was 12 MPa,drying time was 8 h.Under the optimal condition,briquette was calcinated in 600 ℃,then properties of formed coke was tested which met the requirements ofThe Standard of Shaanxi Local Clean Briquette Technology,such as ash,strength content,volatile,calorific value.The clean briquette bonded by modified activated sludge was suitable for industrial production.
Key words:sludge;binder;fine-coal briquetting;briquette
中图分类号：TQ43
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)01-0024-04
收稿日期：2016-08-28；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.01.005
基金项目：陕西省科技厅科研资助项目(2016KTZDGY08-04-01，2016SF-451)；陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(16JS123)；陕西省低变质煤洁净利用重点实验室开放基金资助项目(2014SKL-DBM018)
引用格式：李 健，闫 龙，亢玉红,等.活化污泥基黏结剂制备型煤型焦试验研究[J].洁净煤技术，2017，23(1)：24-27,41.
LI Jian,YAN Long,KANG Yuhong,et al.Experimental study of briquette and formed coke preparation using activating sludge as binder[J].Clean Coal Technology，2017，23(1)：24-27,41.
