煤氣化渣鋁硅組分活化分離應(yīng)用研究

陳林

摘? ?要：煤氣化會產(chǎn)生大量的煤氣化渣，內(nèi)含的鋁、硅和碳資源有極大的資源化利用價值，本文在明確煤氣化渣的礦相結(jié)構(gòu)、元素分布及灰渣反應(yīng)活性的前提下，提出循環(huán)酸活化-稀堿脫硅制備高模數(shù)硅酸鈉溶液聯(lián)產(chǎn)聚合氯化鋁的技術(shù)，進(jìn)行酸浸渣稀堿脫硅過程工藝的優(yōu)化，明晰煤氣化渣活化及脫硅的機理，實現(xiàn)煤氣化渣的大規(guī)模資源化利用。

關(guān)鍵詞：煤氣化渣? 鋁硅組分? 活化? 分離

隨著煤炭清潔利用的發(fā)展，氣化渣的產(chǎn)生量日趨增多，以氣流床IGCC氣化工藝為例，煤氣化渣的生成過程是在氣化爐中輸入的煤或煤焦原料，通入氧氣或含氧空氣，煤炭不完全燃燒后沉入驟冷室底部排渣口排出粗渣，粒度較細(xì)的顆粒與黑水一同排出，壓濾后形成黑水濾餅產(chǎn)生細(xì)渣，分析煤氣化渣鋁硅組分活化分離的綜合利用，實現(xiàn)煤氣化渣的資源化利用。

1? 煤氣化工藝及氣化渣的生成概述

煤氣化工藝較多，最為典型的主要包括有氣流床加壓氣化工藝、流化床煤粉加壓氣化工藝、固定床碎煤工藝，在煤與氧氣或富氧空氣發(fā)生不完全燃燒的過程中，會生成煤氣化粗渣和煤氣化細(xì)渣，粗渣顆粒粒徑為3.75～9.00mm，細(xì)渣顆粒粒徑為500μm以下，含碳量高、粒徑較低，主要表現(xiàn)為非晶態(tài)鋁硅酸鹽礦相，其化學(xué)成分主要為鋁、硅和碳，雜質(zhì)成分則包括鈣、鎂、鐵、鈉、鈦等元素，粗渣中顆粒主要為鋁硅酸鹽礦物顆?；蛱寂c無機顆粒結(jié)合體，細(xì)渣中顆粒主要為鋁硅酸鹽礦物。

2? 煤氣化渣的物性分析

2.1 煤氣化渣成分分析方法

在灰渣堆不同部位的氣化渣取質(zhì)量相近的樣品，將其置于干燥箱中進(jìn)行干燥，對干燥后的部分煤氣化渣樣品置于馬弗爐中脫碳，采用XRF與溶樣測定液相離子濃度的方法，分析煤氣化渣樣品中無機組分含量，另一部分煤氣化渣置于碳-硫分析儀，反復(fù)3次測定碳含量，再根據(jù)碳含量、樣品XRF分析結(jié)果、樣品溶樣后液相離子濃度，折算出樣品各成分含量，采用X熒光光譜儀分析焙燒脫碳后樣品的主量元素構(gòu)成，通過加熱消解、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析煤氣化渣主要元素的含量。

2.2 煤氣化渣礦相定量分析方法

采用X射線衍射儀分析不同樣品的礦相構(gòu)成，礦相定量分析方法為內(nèi)標(biāo)法，在待測粉末樣品中添加含量恒定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，均勻混合成復(fù)合試樣，測量復(fù)合待試樣及內(nèi)標(biāo)物的某一衍射峰強度，獲悉待測相的含量。

2.3 煤氣化渣顆粒特性分析

采用CS-3000碳硫分析儀測定煤氣化渣樣品中的碳含量，并選用Mastersizer 2000的激光粒度儀進(jìn)行樣品的粒徑分析，反復(fù)3次測試并獲取平均值。選用JSM-7610F冷場發(fā)射掃面電子顯微鏡觀察煤氣化渣樣品的形貌，并進(jìn)行化學(xué)成分分析。選取熔融儀測定灰熔點，獲取4個熔融溫度：變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度。另外，選用等溫?zé)嶂胤y定二氧化碳反應(yīng)活性。

3? 煤氣化渣循環(huán)酸活化-稀堿脫硅工藝的應(yīng)用

煤氣化渣含有較高的碳，雜質(zhì)含量較高，鋁硅活性較低，直接酸浸活化煤氣化渣的酸耗較高，難以進(jìn)行煤氣化渣中硅資源的回收利用。為此可以引入煤氣化渣循環(huán)酸活化-稀堿脫硅的工藝，采用先酸后堿的方式，高效提取煤氣化渣鋁硅資源。在考察酸浸過程及循環(huán)過程對煤氣化渣提鋁除雜的影響特性前提下，制備聚合氯化鋁產(chǎn)品，并以酸活化渣為原料，分析不同堿濃度、反應(yīng)溫度、液固比對煤氣化渣脫硅效率的影響特性，合理確定最佳工藝方案。

3.1 實驗準(zhǔn)備

實驗選取氣流床氣化爐，采用濕排渣的氣化排渣方式，試驗設(shè)備包括有干燥箱、電子天平、水浴、真空泵等。

3.2 實驗分析方法

3.2.1 循環(huán)酸浸法

在溫和條件下采用循環(huán)酸浸法活化煤氣化渣，高效去除煤氣化渣中的雜質(zhì)，進(jìn)行煤氣化渣中鋁的回收和再利用，并將循環(huán)后的酸液用于制備聚合氯化鋁。具體流程為：均勻取樣、烘干煤氣化渣，由行星式球磨機進(jìn)行破碎，與酸液產(chǎn)生反應(yīng)，獲悉不同鹽酸濃度、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、液固比對氧化鋁和氧化鐵浸出率的影響，再進(jìn)行真空抽濾，添加適量鹽酸，使濾液達(dá)到酸浸初始條件下的酸濃度，為后續(xù)循環(huán)酸浸反應(yīng)做準(zhǔn)備。在酸液循環(huán)4次之后，添加定量鋁酸鈣進(jìn)行聚合，分析聚合溫度、聚合時間、鋁酸鈣添加量對聚合氯化鋁產(chǎn)品的影響。

3.2.2 稀堿脫硅

在明確酸浸渣性質(zhì)改變機理的條件下，以酸浸活化后煤氣化渣為原料，采用稀堿脫除煤氣化渣中的硅，并分析堿濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、液固比對脫硅率和脫硅液模數(shù)的影響。

3.2.3 分析方法

（1）固體核磁。采用Si固體核磁進(jìn)行原渣、酸浸渣和脫硅渣的分析，在6mm探針的旋轉(zhuǎn)器中置入煤氣化渣檢測樣品，相關(guān)參數(shù)為：分析頻率119.13MHz、單脈沖旋轉(zhuǎn)頻率8kHz、自由感應(yīng)衰減信號0.01s、脈沖6μm、循環(huán)時間5s，由此可以獲悉煤氣化渣中硅的化學(xué)配位結(jié)構(gòu)，了解煤氣化渣在酸浸過程中的變化。（2）顆?？椎澜Y(jié)構(gòu)?？梢赃x用Quantachrome吸附儀進(jìn)行樣品的N2吸附，吸附溫度為77K，孔容相對壓力為0.99，并采用t-plot法測試微孔及介孔的表征。

3.3 結(jié)果與討論

（1）煤氣化渣循環(huán)酸浸制備聚合氯化鋁。聚合氯化鋁是水溶性無機高分子聚合物，由三氯化鋁和氫氧化鋁水解而成，可以通過對煤氣化渣的酸浸處理方式，實現(xiàn)鋁離子、鐵離子的高效浸出，確定最佳浸出條件，在循環(huán)酸浸條件下進(jìn)行鋁離子的高度富集，有效調(diào)控鐵離子浸出率，得出浸出過程中酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、液固比對氧化鋁和氧化鐵浸出特性的影響。

經(jīng)考察分析可知，酸浸工藝的優(yōu)化條件為：反應(yīng)溫度90℃、酸濃度200g/L、反應(yīng)時間120min、液固比5mL/g，該優(yōu)化工藝條件下的氧化鋁浸出率為45%，氧化鐵浸出率65%。同時，確定最佳循環(huán)酸浸次數(shù)為4次，最佳液固比為4mL/g，最佳聚合溫度為80℃，最佳聚合時間為2h。在最優(yōu)反應(yīng)條件下，氧化鋁含量可達(dá)10%，鹽基度可達(dá)44%。

（2）酸活化過程機理?？梢圆捎盟峄罨姆绞礁纳泼簹饣男再|(zhì)，實現(xiàn)煤氣化渣活化后的資源化利用。由于煤氣化渣顆粒中的無機元素大多包裹于非晶態(tài)鋁硅鹽中，極大地影響了煤氣化渣鋁硅的反應(yīng)活性，不利雜質(zhì)元素的有效脫除。而在酸浸反應(yīng)過程中，非晶態(tài)包裹結(jié)構(gòu)不再完整，大量反應(yīng)活性位點從顆粒孔道結(jié)構(gòu)中脫離出來，提高了煤氣化渣的反應(yīng)活性。

（3）稀堿脫硅工藝優(yōu)化。酸浸后煤氣化渣的主要成分為硅、碳元素，在鋁硅配位結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的條件下，能夠高效脫除活性較高的鋁、鐵、鈣等雜質(zhì)，實現(xiàn)對硅元素的有效回收。對于稀堿脫硅工藝的優(yōu)化工藝條件進(jìn)行考察分析可知，考慮到堿耗的存在，因而選擇最佳堿濃度為50g/L。在相同堿濃度的條件下，最佳反應(yīng)溫度為150℃，最佳液固比為5mL/g，反應(yīng)時間設(shè)定為8h最佳。

4? 結(jié)語

綜上所述，煤氣化渣鋁硅組分活化分離可以采用循環(huán)酸活化-稀堿脫硅工藝，進(jìn)行循環(huán)酸活化及聚合調(diào)控制備聚合氯化鋁工藝的優(yōu)化，實現(xiàn)鋁元素的高效富集和硅元素的高效利用。后續(xù)還要開展物理法高效分離煤氣化渣無機質(zhì)與碳的研究，提升聚合氯化鋁產(chǎn)品的制備性能，系統(tǒng)研究高模數(shù)硅酸鈉溶液的應(yīng)用拓展，實現(xiàn)對煤氣化渣的資源化高效利用。

參考文獻(xiàn)

[1] 商曉甫，馬建立，張劍，等.煤氣化爐渣研究現(xiàn)狀及利用技術(shù)展望[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2017（6）：712-717.

[2] 劉開平，趙紅艷，李祖仲，等.煤氣化渣對水泥混凝土性能的影響[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2017（5）：190-195.

[3] 李劉強.淺析新形勢下煤炭地下氣化技術(shù)[J].能源技術(shù)與管理，2017（4）.