用碱性造纸黑液制备水煤浆的研究

1　碱性造纸黑液的成分分析 　　造纸所用的植物原料主要由纤维素、木质素、聚糖类物质组成，减法造纸黑液中包括蒸煮过程中加入的碱、原料中的无机杂质以及溶解化合的木素、半纤维素（戊糖类）及残留的少量小纤维杂细胞等。碱性造纸黑液的PH范围约115～125，其主要组成如下：各种黑液固形物中有机物约占65%～70%，无机物占30%～35%，有机物与无机物之比为22±03；各种黑液固形物中的木素含量均在20%～30%； 　　各种黑液固形物中的有机酸含量为6%～10%； 　　各种黑液固形物中的总钠含量为20%～26%。 　　黑液中碱木素、羟基低分子量有机酸、抽提物中的树脂酸和脂肪酸的钠盐等均具有表面活性功能。药剂厂家利用从造纸黑液中提取的碱木素经过磺化处理制备水煤浆添加剂，并已应用于水煤浆生产。因此直接利用碱性麦草浆造纸黑液代替清水和分散剂制备水煤浆是可行的。 　　2　黑液煤浆的成浆性 　　为了使碱性造纸黑液制备煤浆可行，我们在实验室进行了大量的成浆性试验，选择2种造纸黑液和2种煤样进行了试验，同时对2种煤样制备普通水煤浆进行了对比试验。研究了黑液煤浆的成浆性规律及黑液煤浆不同于普通煤浆的特性。部分试验结果如表1所示。 　　试验表明：2种煤样对所选的造纸黑液均可制备性能良好的煤浆；2种黑液针对同1种煤的成浆性差异不大；不同煤种对同一种黑液的成浆性与普通水煤浆的成浆性一致；随着黑液浓度的提高，黑液煤浆在相同浓度情况下粘度升高，流变性变差；黑液浓度为10%时所制备的水煤浆均具有良好的流动性，黑液1煤浆在浓度66%时，其表观粘度仍小于1200MPa·s；黑液2煤浆在浓度65%时，其表观粘度小于1800MPa·S；当在黑液浓度35%时,所制备的黑液水煤浆浓度超过62%，流变性变差。 　　图1　黑液1（20％）与煤样1黑液浆流变图（略） 　　表1　黑液煤浆的成浆性部分试验结果（略） 　　图1为黑液1（20％）与煤样1制浆浓度为63％时，所得黑液煤浆的流变图，100S－1剪切率下的表观粘度为945MPa·s，图2 为黑液2（20％）与煤样1制浆浓度为63％时制得的煤浆，100S－1剪切率下的表观粘度为956MPa·s，制得的两种煤浆均为理想的屈服假塑性流体，具有良好的流变性和稳定性。 　　图2　黑液2（20％）与煤样1黑液浆流变图（略） 　　3　黑液煤浆的特性 　　黑液煤浆是由造纸黑液代替添加剂和水制备而成，黑液煤浆中含有大量的普通水煤浆中没有的离子，因而有许多普通水煤浆不具备的特性。 　　（1）利用相同煤种制备黑液煤浆的稳定性优于普通水煤浆，煤样1和黑液1制备的黑液煤浆静置4个月以上没有发生硬沉淀，而煤样1普通水煤浆的稳定期在3个月。 　　（2）黑液煤浆在温度升高时其表观粘度下降幅度要比普通水煤浆大得多，而且煤浆浓度愈高粘度随温度升高下降越快；黑液煤浆中黑液浓度越高，其粘度变化越大，表观粘度随着温度的升高而粘度下降越快。 　　（3）黑液煤浆随着放置时间延长，其粘度显著降低。 　　（4）黑液煤浆的冰点低于普通水煤浆，而且黑液煤浆中黑液的含量影响黑液煤浆冰点，黑液煤浆中黑液含量越高冰点越低，这对黑液煤浆在北方地区特别是冬季的制备与应用具有十分重要的意义。 　　4　黑液煤浆的工业制备及其燃特性烧 　　根据黑液煤浆成浆性规律及黑液煤浆的特性，我们在良达水煤浆厂进行了黑液煤浆的工业性制备试验，通过在该厂利用黑液1（浓度3285%～3636％）与煤样1进行的黑液制浆工业试验，获得了浓度在5540%～6860％的黑液煤浆，表明采用良达水煤浆厂的一磨机高浓度磨矿制浆工艺经改造后可以适用于黑液制浆的需要。 　　黑液煤浆制浆工艺的主要生产环节为：原料煤准备、黑液准备、磨矿制浆处理和产品储存、输送、废浆废水处理回收等环节。该工艺有以下特点：黑液煤浆制备不需要添加剂，因而省去了普通水煤浆制备工艺中的药剂添加系统；黑液煤浆制备工艺中的搅拌和剪切环节比普通水煤浆的制备更为重要；由于黑液的中黑液固形物占一定的比例，因此黑液煤浆制备工艺中球磨机的处理量要大于普通水煤浆制备系统中的球磨机。 　　黑液煤浆不同与普通水煤浆，其成分复杂且碱含量高，给燃用带来一定困难。针对黑液煤浆的特点，在浙江大学热能工程研究所025MW试验台架上进行了2种水煤浆的对比燃烧试验，试验表明：黑液煤浆和普通水煤浆一样具有良好的燃烧特性。黑液煤浆具有较高的钠含量，灰熔点明显降低，其中软化温度，普通水煤浆ST＝1353℃，黑液煤浆ST＝1121℃；低灰熔点极易引起燃烧设备的沾污结渣；黑液煤浆具有很强的烧结特性，在800℃时烧结率达77％，因而极易在受热面上结成坚硬的渣块。 　　5　黑液煤浆的工业应用试验及其燃烧脱硫 　　根据对黑液煤浆燃烧特性的研究结果，对黑液煤浆进行了工业燃用试验。黑液煤浆的工业试验在新汶矿业集团中心医院的燃用水煤浆的锅炉上进行，试验表明黑液煤浆在中小锅炉上连续燃烧是可行的，试验燃烧黑液煤浆的锅炉燃烧效率达9731％，超过了一般燃煤方式的燃烧效率。如果对锅炉采取适当的措施，黑液煤浆锅炉效率可达到较高的水平，能满足工业需要。黑液煤浆燃烧其污染物和排放水平比常规水煤浆更低，说明黑液煤浆是一种节能环保的新型燃料。 　　碱法草浆造纸黑液中所含有较多的碱性物质，如碳酸钠Na2CO3、氢氧化钠NaOH、硫酸钠Na2SO4等。与普通水煤浆相比，显著提高了灰成分中的Na2O与K2O含量，因而可提高脱硫效率。对燃烧黑液煤浆和普通水煤浆的工业锅炉的环境监测表明：燃烧黑液煤浆所排放的烟气中SO2浓度为67mg/Nm3，脱硫效率高达926％。燃烧黑液煤浆无需增设其它脱硫措施即可满足环保要求，是治理燃煤SO2污染的一种经济、高效途径。 　　6　碱性灰渣的综合利用 　　受黑液成分的影响，黑液煤浆燃烧后形成的灰渣也同样具有高碱性的特点。灰渣若得不到合理的处理和利用，必将导致二次污染。笔者针对黑液煤浆燃烧产生的高碱灰渣的无公害化处理和综合利用进行了试验研究，研究结果如下。 　　（1）高碱灰渣中的芒硝（Na2SO4）具有腐蚀沥青、混凝土结构的能力，因此，高碱灰渣不能用来生产水泥，也不能运用高碱灰渣铺垫道路和生产石棉瓦。 　　（2）采用与煤矸石一起焙烧制砖处理高碱灰渣具有较好的可行性和可操作性。高碱灰渣的最佳试验加入比例为12%。 　　（3）采用与粘土一起焙烧制砖处理高碱灰渣也具有较好的可行性和可操作性。高碱灰渣的最佳试验加入比例为15%。 　　（4）按最佳比率焙烧的高碱灰渣-煤矸石砖和高碱灰渣-粘土砖，其矿物相性质稳定、耐风化，砖中碱不易溶出，说明煤矸石砖和粘土砖焙烧技术对灰渣中碱的固化效果优良。 　　7　 结论 　　（1）碱性造纸黑液中碱木素、羟基低分子量有机酸、抽提物中的树脂酸和脂肪酸的钠盐具有表面活性功能，利用碱性造纸黑液代替清水和添加剂制备水煤浆是可行的。 　　（2）黑液浓度在10％～35％之间均可制得性能良好的煤浆。 　　（3）黑液煤浆有更好的稳定性；在温度升高时其表观粘度下降幅度要比普通水煤浆大；黑液煤浆的粘度随着存放时间的延长而明显降低；在不同剪切速率下，其粘度随着搅拌时间的延长而呈现略有增加的趋势；黑液煤浆的冰点比普通水煤浆要低。 　　（4）黑液煤浆的制备可采用高浓度磨矿制浆工艺。 　　（5）黑液煤浆燃烧时易造成燃烧设备的沾污结渣，但采用合理的措施应用黑液煤浆是完全可行的；黑液煤浆燃烧具有显著的脱硫作用。 　　（6）采用与煤矸石或粘土一起焙烧制砖来处理黑液煤浆燃后高碱灰渣具有较好的可行性和可操作性。 　　参考文献 　　1　林乔元 我国造纸工业碱法制浆水污染的防治［J］ 中国造纸，2003（9） 　　2　贾金平，叶建昌造纸黑液处理技术的进展［J］上海环境科学，2000(12) 　　3　武书彬 造纸工业水污染控制与治理技术［M］ 化学轻工业出版社，2001 　　4　张荣曾水煤浆制备技术［M］科学出版社，1996 　　5　李寒旭，徐江华，纪明俊等 造纸黑液水煤浆添加剂新技术及制浆性能的研究［J］煤炭技术，2001（2） 　　6　王凤寅，曹新玉，周志军等 黑液水煤浆在025MW试验炉内燃烧和结渣特性研究［J］ 中国矿业大学学报, 2004(6) 信息来源于：中国煤炭