工业废水制备水煤浆的性能研究

王昌济

(安徽省皖北煤电集团有限责任公司，安徽宿州 234000)

腈纶废水是指工业生产腈纶时副产的有机废水，含有腈类、芳烃及酚类等多种有毒有害物质[1]。该废水中生物难降解物质质量分数高达40%以上，化学需氧量(COD)较高。采用传统的物理法[2-9]、化学法[10-18]处理均效果不佳，生物法[19-27]处理亦存在一定的局限性。若利用此类废水制备水煤浆并应用于煤气化，不仅经济效益明显，更能带来较大的环保及社会效益。

某30万t/a煤制甲醇项目造气工段采用的煤气化工艺为多原料浆加压气化工艺，多原料浆由原料煤、原水及添加剂混合研磨制得，其中原料煤为神华煤(SF)，原水为当地园区直供工业用水。腈纶生产企业外排污水目前的处理方式为生化+膜过滤法，但因该类污水硬度大、富含有机物，实际生产水质波动较大，极易造成生化系统崩溃以及膜系统污堵，处理费用较高且操作困难。鉴于上述问题，笔者使用某腈纶生产企业实际外排污水替代原水，分析了腈纶废水用于制备水煤浆的可行性，旨在达到腈纶废水无害化综合利用的目的，并将该研究应用于工业化，大幅降低了腈纶生产企业污水处理成本，减轻了污水处理压力，延长了系统运行周期，同时还降低了水煤浆制造企业用水成本。

1 试验部分

1.1 煤质和水质分析

选用SF煤作为试样，对其进行工业分析、元素分析、发热量和可磨性等指数测定，并对实际腈纶废水进行了水质分析，结果见表1和表2。

表1 煤样分析结果

表2 腈纶废水水质分析结果

由表1及表2可见：该煤种为低硫、低灰分、中高热值煤、高固定碳、中全水分、易磨制煤种，各项指标均符合水煤浆气化工艺要求。腈纶废水硬度及有机物含量均较高，且含有大量悬浮物。

1.2 废水煤浆的性能研究

1.2.1 腈纶废水制浆性能分析

采用干法制浆工艺，将煤、废水、添加剂按一定比例混合，在转速1 500 r/min条件下搅拌7 min使之混合均匀成水煤浆。添加不同量添加剂制成的水煤浆性能分析见表3。其中流动性指标A代表浆体线性流动，即流动性好；B代表浆体间断性流动，即流动性较好；C代表浆体呈团状，即浆体流动性差；D代表浆体呈凝固状，即浆体流动性极差。水煤浆(w)是指干基煤占水煤浆的质量分数，固含量是指干基煤与微量添加剂中固体质量分数之和。析水率定义为指浆体达到初凝时析出水分占浆体的体积分数。

表3 腈纶废水制浆性能

由表3可见：不加任何添加剂时，腈纶废水能与神华煤样直接混合搅拌制成水煤浆，但是制得水煤浆浓度偏低，最高成浆质量分数仅为57%且浆体稳定差，72 h内浆体出现明显分层，析水率达到8.37%，浆体下部出现搅拌难以恢复的硬沉淀。添加一定比例的水煤浆添加剂萘磺酸盐系后，水煤浆质量分数迅速升高，添加量(w)为0.1%时，水煤浆质量分数升至59%，添加量(w)为0.2%时，水煤浆质量分数达到60%。该试验结果表明利用废水制备水煤浆时，水煤浆质量分数随着添加剂添加量的增加呈增大趋势，且稳定性趋好。水煤浆是固液两相的非牛顿流体，其流变性对水煤浆稳定性、输送和雾化燃烧起决定性作用。通过上述浆体流变特性的分析可知，水煤浆流动性与添加剂添加量呈正比例关系，即制备相同浓度的水煤浆，添加剂量越大，浆体流动性越好。

1.2.2 添加剂加入量对浆体流变特性的影响

添加剂加入量对浆体黏度流变特性的影响见图1。

图1 添加剂加入量对浆体黏度流变特性的影响

由图1可见：随着萘磺酸盐添加剂加入量的增加，制得相同质量分数的水煤浆表观黏度呈明显下降趋势。煤浆质量分数为57%时，不加任何添加剂时，浆体的表观黏度为922.0 mPa·s；当加入质量分数0.1%的萘磺酸盐后，煤浆表观黏度降至358.3 mPa·s，特性为“剪切变稀”。剪切速率一定时，废水水煤浆剪切应力随添加剂加入量的升高而增大，当添加剂加入量较小时，制得浆体的流体表现为“屈服假塑性流体”，随着添加剂加入量的增加，制得浆体流体模型逐步变为“假塑性流体”。

1.2.3 水煤浆质量分数对浆体流变特性的影响

水煤浆质量分数对浆体流变特性的影响见图2。

图2 水煤浆质量分数对浆体流变特性的影响

由图2可见：腈纶废水水煤浆浆体表观黏度随着水煤浆质量分数的增大而增大，且增大幅度越来越大，该结果与常规水煤浆变化规律一致，主要由于在同一空间内，浆体质量分数增大，水分减少，煤炭颗粒增多，浆体中碰撞摩擦的可能性呈几何倍数增加，浆体中颗粒大小不同的粒子间相互的摩擦力变大，直接导致水煤浆浆体表观黏度迅速增大。同时随着腈纶废水水煤浆质量分数的增大，浆体的流变模型是由“假塑性流体”向“屈服假塑性流体”过渡。

1.2.4 浆体黏度及析水率与添加剂加入量的关系

浆体黏度及析水率与添加剂加入量的关系见图3。

图3 浆体黏度及析水率与添加剂加入量的关系

由图3可见：一定质量分数的废水水煤浆表观黏度随添加剂加入量的升高而快速下降，但析水率上升趋势明显，表明加入一定量的添加剂会有效降低浆体表观黏度，但随着加入量的加大，浆体稳定性反而有所下降。综合考虑经济性等因素，添加剂的加入量(w)优选0.2%。

1.3 废水有机组分丙烯腈对成浆性能的影响

1.3.1 丙烯腈制浆流变特性

因废水中主要有机物是丙烯腈，在萘系添加剂加入量(w)为0.2%条件下，考察丙烯腈对水煤浆成浆性能的影响，结果见表4。

表4 丙烯腈质量浓度对废水成浆结果的影响

由表4可见：采用自来水制备水煤浆时，神华煤成浆质量分数最大为60%，浆体表观黏度为475 mPa·s，流动性较好，析水率8.26%。在相同的制浆条件下，随着废水添加量的增加，析水率变化不大，浆体浓度无变化，但表观黏度有所上升。

在添加萘系添加剂(w)0.2%，制浆浓度为60%的条件下，考察加入不同浓度丙烯腈废水对制备水煤浆黏度变化的影响，结果见图4。

图4 丙烯晴废水水煤浆流变特性

由图4可见：随着丙烯腈质量浓度的升高，浆体黏度变化并不明显，且由丙烯腈废水制备的水煤浆浆体的流变模型没有变化，表明丙烯腈质量浓度对水煤浆的黏度及浆体流变模型影响不大。

1.3.2 丙烯腈对浆体Zeta电位的影响

在添加萘系添加剂(w)0.2%，制浆浓度为60%的条件下，考察加入不同浓度丙烯腈废水对制备水煤浆Zeta电位的影响，见图5。

图5 丙烯腈质量浓度对浆体Zeta电位的影响

由图5可见：随着废水中丙烯腈质量浓度的升高，制得浆体的表面电荷密度变化不大，表明丙烯腈质量浓度对浆体的Zeta电位影响较小，即废水中丙烯腈基本不影响成浆的稳定性。

1.3.3 原水与废水制浆浆体表观形貌

图6为分别由原水及丙烯腈模拟废水制得的水煤浆浆体外观形貌的SEM照片。

图6 原水及丙烯腈模拟废水制得的水煤浆浆体的SEM照片

由图6可见：原水制得的浆体中煤炭颗粒较为分散，废水制得的浆体中煤炭颗粒聚集，且呈现较均匀的网络结构。这是由于废水中的丙烯腈改善了煤炭颗粒活性，增强了大煤炭颗粒对小煤炭颗粒的吸附作用，促进了浆体煤炭颗粒的聚集，进而提升了煤浆浆体的稳定性。

2 经济效益分析

以某腈纶制造公司为例，有机废水产量约70 t/h(60万t/a)，工业上腈纶聚合废水处理费用约为15元/t，新鲜工业用水以3.2元/t计算，利用水煤浆技术将有机废水用于制备水煤浆则每年可获得直接经济效益900万元，节约新鲜水产生的间接经济效益192万元，进而可实现创收超1 000万元/a。

3 结论

分析了腈纶废水以及模拟丙烯腈废水制备水煤浆的性能，考察了水煤浆的浆体质量浓度、稳定性及流变特性等性能。试验结果表明：利用有机废水制备的水煤浆质量分数最高可达60%，表观黏度小于1 000 mPa·s，析水率低于10%，浆体稳定性好，相同条件下与原水制备的水煤浆浓度一致，表明腈纶废水可以完全替代并优于原水制浆。该研究验证了腈纶废水替代原水制备水煤浆的可行性，为同类型废水资源化利用提供了依据，具有良好的工业化应用前景。