煤粉細(xì)度對(duì)提鍺旋渦爐燃燒及飛灰鍺品位的影響

王俊清，劉樹強(qiáng)，劉洪峰

（1.國(guó)家能源集團(tuán)平莊煤業(yè)蒙東能源蒙東鍺業(yè)科技有限公司鍺冶煉廠，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.國(guó)家能源集團(tuán)平莊煤業(yè)集團(tuán)公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 概述

鍺元素是一種非常重要的半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于紅外、光纖、催化劑、醫(yī)藥、視頻等領(lǐng)域，其年度消費(fèi)量是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。目前鍺的提取方法主要是通過(guò)火法從含鍺褐煤中將鍺以二氧化鍺的形式提取出來(lái)，含鍺褐煤中鍺以有機(jī)化合物，即鍺的腐植酸鹽的形式存在，含鍺褐煤燃燒后，二氧化鍺富集在飛灰中，進(jìn)而使用化學(xué)方法將飛灰中的二氧化鍺分離出來(lái)[3]，因此含鍺煤炭的燃燒則成為影響飛灰中含鍺量的關(guān)鍵因素。

目前用于燃燒含鍺煤炭從而提鍺的鍋爐主要是液態(tài)排渣旋渦爐，此爐型是在旋風(fēng)爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新?tīng)t型[3]，依靠煤粉自身的重力落入爐膛中進(jìn)行燃燒，整個(gè)鍋爐依次分為：燃燒室、捕渣管、二次室、尾部煙道等，此種燃燒方式的主要影響因素為煤粉的細(xì)度。

本文將分析煤粉細(xì)度對(duì)提鍺旋渦爐的燃燒和飛灰中鍺品位的影響，找到最利于提鍺的煤粉細(xì)度。

2 試驗(yàn)方法

以某公司1臺(tái)75t/h的液態(tài)排渣旋渦爐為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整粗粉分離器擋板的角度從而調(diào)整進(jìn)入旋渦爐的煤粉細(xì)度，之后對(duì)旋渦爐的燃燒情況和飛灰中的鍺品位進(jìn)行測(cè)試。

2.1 試驗(yàn)煤種

本次試驗(yàn)使用煤種為褐煤，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分為33.74%，按照工程煤粉細(xì)度確定公式]，其中 ：K為系數(shù)，對(duì)于Vdaf大于25%的煤質(zhì)，K=4；n未煤粉均勻性指數(shù)，取為1；燃燒此煤種的推薦煤粉細(xì)度為R90=20.87。

實(shí)驗(yàn)開始前，需要有足夠的原煤，保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程煤質(zhì)不發(fā)生變化。

2.2 粗粉分離器

本次試驗(yàn)的粗粉分離器型號(hào)為：HW-CB-III軸向串聯(lián)型，擋板調(diào)節(jié)角度范圍為0°～90°，為保證旋渦爐正常燃燒需粉量，同時(shí)不出現(xiàn)回粉量過(guò)大而導(dǎo)致的磨煤機(jī)內(nèi)部流動(dòng)阻力超標(biāo)的情況，控制粗粉分離器擋板開度從30°～90°變化。

2.3 測(cè)試內(nèi)容

2.3.1 煤粉細(xì)度

試驗(yàn)時(shí)，調(diào)整粗粉分離器擋板角度，待旋渦爐穩(wěn)定1h后，收集進(jìn)入旋渦爐的煤粉，進(jìn)行細(xì)度測(cè)試。

2.3.2 燃燒情況

旋渦爐燃燒穩(wěn)定后，對(duì)旋渦爐的燃燒情況進(jìn)行測(cè)試和觀察，主要包括：旋渦爐燃燒室的溫度、飛灰含碳量、煙氣內(nèi)CO的含量、過(guò)熱器減溫水等。

2.3.3 飛灰鍺品位

收集不同粗粉分離器擋板開度下旋渦爐燃燒產(chǎn)生的飛灰，使用二氧化鍺中鍺量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)費(fèi)灰中二氧化鍺的含量進(jìn)行測(cè)試。具體方法為：將含二氧化鍺的飛灰在高錳酸鉀作用下用鹽酸蒸餾，將鍺以四氯化鍺的形式餾出，經(jīng)次亞磷酸鈣將四價(jià)鍺還原為二價(jià)，以KIO3-KI標(biāo)液滴定。

使用的試劑主要有：高錳酸鉀、次亞磷酸鈣、鹽酸、碳酸氫鈉、淀粉溶液、氫溴酸、KIO3、KI等。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，將粗粉分離器擋板開度調(diào)整完成后維持1h，之后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試和樣品的收集，整個(gè)單工況試驗(yàn)維持2h，之后對(duì)粗粉分離器擋板進(jìn)行變化重復(fù)試驗(yàn)內(nèi)容。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程維持旋渦爐負(fù)荷為70t/h不變。

3.1 燃燒室溫度

燃燒室溫度隨煤粉細(xì)度的變化如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著粗粉分離器擋板角度的增大，燃燒室溫度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。從30°時(shí)的1550℃降低至90°時(shí)的1535℃，主要是因?yàn)殡S著粗粉分離器擋板角度的增加，煤粉細(xì)度逐漸增大，燃燒室內(nèi)煤粉的燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，部分燃燒過(guò)程進(jìn)入旋渦爐中后部進(jìn)行，從而導(dǎo)致燃燒室溫度降低。

圖1 燃燒室溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢(shì)

3.2 減溫水量

如圖2所示，隨著粗粉分離器擋板角度的增大，過(guò)熱蒸汽減溫水量逐漸上升，但是波動(dòng)范圍不是很大，主要是因?yàn)槊悍奂?xì)度的變大導(dǎo)致旋渦爐整體火焰中心后移，過(guò)熱器的對(duì)流吸熱量增大，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽減溫水量上升。

圖2 減溫水量隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢(shì)

3.3 飛灰含碳量

粗粉分離器擋板角度增加導(dǎo)致進(jìn)入旋渦爐燃燒室的煤粉細(xì)度變大，煤粉的燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，部分煤粉不能在燃燒室內(nèi)充分燃燒，而煙氣在旋渦爐燃燒室及二次室內(nèi)的停留之間在4s～6s之間，未燃燒的煤粉勢(shì)必會(huì)隨煙氣排出爐外，導(dǎo)致飛灰含碳量上升，如圖3（a）所示。煙氣中CO的含量同時(shí)存在相同的現(xiàn)象，如圖3（b）所示。

圖3 飛灰含碳量

3.4 排煙溫度

圖4為排煙溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢(shì)。從圖中可以看出排煙溫度的趨勢(shì)和過(guò)熱蒸汽減溫水的趨勢(shì)相同，主要原因在于煤粉細(xì)度的增大導(dǎo)致火焰中心后移造成的。

圖4 排煙溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢(shì)

3.5 飛灰鍺品位

隨著粗粉分離器擋板角度的增大，飛灰鍺品位出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)如圖5所示。分析原因如下：

褐煤中鍺主要存在于煤的碳質(zhì)部分，而不是在灰渣中。煤粉粒徑過(guò)粗導(dǎo)致燃燒不完全，未燃盡煤粉核心部分的鍺元素未揮發(fā)出來(lái)，導(dǎo)致收集到飛灰中能夠檢測(cè)到的鍺含量下降；煤粉過(guò)細(xì)會(huì)造成煤粉在燃燒過(guò)程中形成細(xì)微的懸浮熔滴，不容易被離心力拋到爐壁上或撞擊到捕渣管上，冷凝后進(jìn)入煙塵，從而使飛灰量上升，進(jìn)而使飛灰中的鍺品位下降，為后續(xù)著提純工序帶來(lái)困難。

圖5 飛灰鍺品味隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢(shì)

綜上所述，粗粉分離器擋板角度對(duì)旋渦爐的燃燒和飛灰鍺品位的影響是較為明顯的，擋板角度的大小直接影響到燃燒室溫度、排煙溫度、減溫水量和飛灰鍺品位的參數(shù)。由于液態(tài)排渣旋渦爐主要的產(chǎn)物為含有鍺元素的飛灰，因此需要在保證旋渦爐正常燃燒的基礎(chǔ)上盡可能提高飛灰中的鍺品位，所以應(yīng)控制煤粉細(xì)度R90在36%左右，此時(shí)粗粉分離器擋板開度為60°。

4 結(jié)論

根據(jù)本次試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

（1）煤粉細(xì)度直接影響到液態(tài)排渣旋渦爐所產(chǎn)飛灰中的鍺品位。

（2）為保證液態(tài)排渣旋渦爐正常運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)制粉系統(tǒng)阻力增大，從而出現(xiàn)危險(xiǎn)事故，應(yīng)控制粗粉分離器擋板角度不應(yīng)小于30°。

（3）為保證較高的飛灰鍺品位，粗粉分離器擋板角度應(yīng)位于60°左右。