王菲菲，胡偉濤，杜漢雙，王紹武，張美榮，王興璞，譚洪金，楊長(zhǎng)磊

(山東榮信集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)寧 273500)

蘭炭(又稱半焦)因其燃燒時(shí)有較短的藍(lán)色火焰而得名，按形狀規(guī)格分為大料、中料、小料及焦面等[1]。蘭炭是利用神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊在中低溫條件下干餾熱解而得到的較低揮發(fā)分的固體炭質(zhì)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)為塊狀，粒度一般在3 mm以上，外觀呈淺黑色，具有高固定炭、高比電阻、高化學(xué)活性、低灰份、低鋁、低硫、低磷等特性[2]。蘭炭作為一種新型的炭素材料，已逐步取代冶金焦無(wú)煙煤和木炭廣泛運(yùn)用于電石、金屬硅、鐵合金、硅鐵、鉻鐵、硅錳、碳化硅和化肥等產(chǎn)品的生產(chǎn)中[3]。此外，在高爐噴吹、生產(chǎn)炭化材料、活性炭等領(lǐng)域也可替代一部分無(wú)煙煤和焦炭。

近年來(lái)，隨著我國(guó)節(jié)能減排、低碳發(fā)展各項(xiàng)政策的實(shí)施，鋼鐵、電石等高耗能工業(yè)受到限制，由此引起蘭炭產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期處于產(chǎn)量過(guò)剩狀態(tài)。蘭炭末長(zhǎng)期得不到回收利用，造成了極大的浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)蘭炭末進(jìn)行提質(zhì)加工，將其轉(zhuǎn)化為可作為燃料的蘭炭水煤漿，為蘭炭末的清潔利用提供一種可行的思路。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

蘭炭末，粒徑d≤30 mm，市場(chǎng)采購(gòu)的陜西榆林產(chǎn)地；萘磺酸鹽，化學(xué)純，荏平縣金順化工有限公司；復(fù)混添加劑819、1802、1704、3001，實(shí)驗(yàn)室自制。

GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司；ZQM型磨煤機(jī)，鶴壁市冶金機(jī)械設(shè)備有限公司；BSA22025型紅外快速水份測(cè)定儀，蘇州賽恩斯儀器有限公司；Bettersize2600型激光粒度分布儀，丹東百特儀器有限公司；NXS-4CP型水煤漿黏度計(jì)，成都領(lǐng)度儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

蘭炭漿的制備過(guò)程如下：

1)將蘭炭末破碎至粒度20 mm左右，置于鼓風(fēng)干燥箱中，110 ℃下干燥至少4 h。

2)稱取一定量烘干后的蘭炭末于料缽中，以磨煤機(jī)研磨一定時(shí)間，研磨成具有一定粒度級(jí)配的蘭炭粉，以激光粒度儀分析該磨煤條件下的粒度級(jí)配，通過(guò)調(diào)整磨煤質(zhì)量與磨煤時(shí)間來(lái)調(diào)整蘭炭粉粒度。

3)稱取一定量的蘭炭粉進(jìn)行制漿，測(cè)定蘭炭漿試樣的黏度、流動(dòng)性、析水率以及穩(wěn)定性，分析蘭炭的成漿性情況。

4)通過(guò)調(diào)整添加劑配比、添加劑添加量、水量等條件，調(diào)整蘭炭漿的成漿濃度、黏度、流動(dòng)性、析水率以及穩(wěn)定性[4]。

1.3 蘭炭漿的分析檢測(cè)方法

蘭炭漿濃度的測(cè)定，參照GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗(yàn)方法 第2部分：濃度測(cè)定》中紅外干燥法進(jìn)行測(cè)定；蘭炭漿黏度的測(cè)定，參照照GB/T 18856.4—2008《水煤漿試驗(yàn)方法 第4部分：表觀黏度測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；蘭炭漿流動(dòng)性的測(cè)定采用計(jì)時(shí)法與目測(cè)法相結(jié)合的方法。①目測(cè)法：在水煤漿制漿過(guò)程中，水煤漿攪拌均勻后，用玻璃棒挑起水煤漿觀察水煤漿向下流動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。煤漿流動(dòng)狀態(tài)分為A、B、C、D 4個(gè)等級(jí)。其中A級(jí)表示水煤漿為稀流體，流動(dòng)連續(xù)，平滑不間斷；B級(jí)表示水煤漿為稠流體，流動(dòng)較連續(xù)，流體表面不光滑；C級(jí)表示水煤漿需借助外力才能較好地流動(dòng)；D級(jí)表示水煤漿為泥狀不成漿，不能流動(dòng)。以“+”、“-”號(hào)表示等級(jí)間更細(xì)微的區(qū)別。②計(jì)時(shí)法：將攪拌均勻的水煤漿流過(guò)內(nèi)徑為11 mm的玻璃管，記錄100 mL水煤漿流過(guò)所用的時(shí)間，30 s內(nèi)說(shuō)明流動(dòng)性較優(yōu)；30~60 s時(shí)說(shuō)明流動(dòng)性稍差，一定程度內(nèi)也可滿足生產(chǎn)需要；大于60 s時(shí)說(shuō)明流動(dòng)性較差。

蘭炭漿穩(wěn)定性的測(cè)定過(guò)程如下。將玻璃棒插入分別靜置24，48，72 h后的水煤漿中，觀察玻璃棒自由下落的狀態(tài)，以及手動(dòng)插入的觸感，按以下4種分類方法進(jìn)行標(biāo)記：A級(jí)表示穩(wěn)定性最好，無(wú)析水；B級(jí)表示穩(wěn)定性較好，可有極少析水和輕微的漿體密度分布不均現(xiàn)象發(fā)生；C級(jí)表示穩(wěn)定性較差，有析水；D級(jí)表示穩(wěn)定性最差，漿體密度分布明顯不均。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物化分析

蘭炭樣的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果見表1，礦物質(zhì)成分分析結(jié)果見表2。

表1 蘭炭樣元素及工業(yè)分析結(jié)果 w:%

表2 蘭炭樣礦物質(zhì)成分分析結(jié)果 w:%

由表1和表2可見：蘭炭試樣的內(nèi)水含量比一般煤炭大，內(nèi)水含量較大會(huì)影響分散劑的添加量及成漿性能，說(shuō)明蘭炭不易成漿；蘭炭的灰分含量也比煤炭大；此外，蘭炭中含CaO，在燃燒過(guò)程中可起到固硫作用，蘭炭燃燒后的煙氣中SO2濃度比煤炭要低。

2.2 蘭炭粒度級(jí)配條件

根據(jù)水煤漿成漿經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[5-6]，水煤漿最佳成漿特性的粒度級(jí)配為：大小粒徑均有，較大、較小粒徑分布要少，粒徑不大于45 μm的占比略小于35%，粒徑不大于80 μm的占比略小于70%，按此要求進(jìn)行磨煤。稱取一定量烘干后的蘭炭塊放入磨煤機(jī)中，調(diào)整磨煤時(shí)間以及加入蘭炭塊的質(zhì)量，得到不同粒度分布的蘭炭粉。將磨出的蘭炭粉制漿，通過(guò)激光粒度分布儀測(cè)定粒度分布?？疾煸谔m炭試樣質(zhì)量為200 g，不同研磨時(shí)間下蘭炭粉的粒度分布，結(jié)果見表3。

表3 蘭炭粒度級(jí)配條件探索

由表3可見：在根據(jù)磨煤機(jī)的額定磨煤樣即蘭炭試樣質(zhì)量200 g，煤樣研磨時(shí)間為42 s時(shí)，所得到的蘭炭粉的粒度分布為最優(yōu)粒度級(jí)配。

2.3 添加劑類型對(duì)成漿性能的影響

在200 g煤樣磨煤時(shí)間為42 s的磨煤條件下，磨制一定量蘭炭粉并混合均勻備用。蘭炭漿的制備按GB/T 18855—2014《燃料水煤漿》中的方法進(jìn)行，將含有一定量添加劑的水倒入稱取好蘭炭粉的燒杯中，攪拌均勻后得到蘭炭漿，添加劑添加量為蘭炭樣干基質(zhì)量的1.5%。考察不同種類添加劑下蘭炭漿的成漿情況，結(jié)果見表4。

表4 添加劑種類與最佳成漿濃度及熱量值關(guān)系

由表4可見：使用常規(guī)萘磺酸鹽作為添加劑，蘭炭漿的最佳成漿濃度約為53%，按蘭炭的熱值為28 463.78 kJ/t，此時(shí)的熱值僅為15 128.50 kJ/t，不能滿足常規(guī)水煤漿作為燃料用漿、氣化用漿要求。而選用復(fù)混的添加劑819、1802、1704、3001時(shí)，成漿濃度可達(dá)到65%左右，完全滿足正常水煤漿需求。但從水煤漿的熱值及黏度系數(shù)來(lái)看，復(fù)混819添加劑相對(duì)較好，為優(yōu)選添加劑。

2.4 添加劑濃度對(duì)成漿性能的影響

以復(fù)混819添加劑為基準(zhǔn)，在成漿濃度為64%時(shí)，考察添加劑的添加量對(duì)蘭炭漿黏度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 添加劑加入量與漿體黏度的關(guān)系

由圖1可見：隨著添加劑比例的升高，黏度逐漸降低，為保證漿體在工業(yè)輸送及霧化等的工業(yè)應(yīng)用效果，需保證黏度在900 mPa·s以下，同時(shí)考慮制漿成本，優(yōu)選添加劑比例為1.5% 。

2.5 成漿濃度的探索

添加劑選擇復(fù)混819，添加量為蘭炭樣干基量1.5%，考察蘭炭漿的濃度與蘭炭漿的黏度的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

由圖2可見：當(dāng)添加劑復(fù)混819用量1.5%時(shí)，隨著蘭炭漿濃度的升高，黏度也隨之升高。為保證工業(yè)使用中漿體黏度控制在900 mPa·s以下，制備的漿體最高濃度可達(dá)到67%，但從黏度來(lái)看，采用添加劑為復(fù)混819時(shí)，最佳成漿濃度約為65%。

圖2 成漿濃度與漿體黏度的關(guān)系

2.6 最優(yōu)的蘭炭水煤漿制備條件

分別以萘磺酸鹽和復(fù)混819作為添加劑，在添加劑用量1.5%的條件下，測(cè)得不同試驗(yàn)條件下，蘭炭漿的成漿濃度、熱值、黏度、流動(dòng)性、析水率以及穩(wěn)定性，結(jié)果見表5。

由表5可見：復(fù)混819添加劑要優(yōu)于普通水煤漿添加劑萘磺酸鹽，添加量為1.5%時(shí)，最優(yōu)成漿濃度為約65%，此時(shí)黏度為550~630 mPa·s，具有良好的流動(dòng)性，靜置24 h后，幾乎沒(méi)有析水，并且沒(méi)有沉淀產(chǎn)生，穩(wěn)定性較好。

表5 蘭炭漿的成漿性能

3 結(jié)論和建議

通過(guò)蘭炭末成漿性能研究，得到如下結(jié)論：蘭炭末可在一定條件下制成蘭炭漿，所制蘭炭漿熱值、黏度等達(dá)到達(dá)到燃料及氣化用水煤漿要求。最優(yōu)的蘭炭漿制備方案為：200 g蘭炭試樣磨煤時(shí)間42 s為最優(yōu)粒度級(jí)配，復(fù)混819添加劑要優(yōu)于常規(guī)萘磺酸鹽添加劑，復(fù)混819添加劑的最佳添加量為蘭炭樣干基量1.5%，最佳蘭炭漿濃度為65%，此時(shí)熱值可達(dá)18 500 kJ/t，黏度約為600 mPa·s。

為更好的推進(jìn)蘭炭漿的工業(yè)應(yīng)用，還可進(jìn)一步探討蘭炭漿工業(yè)燃燒特性。