多孔質(zhì)氣化灰渣超細(xì)分級試驗(yàn)研究

劉 冬

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

我國能源結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是“富煤、貧油、少氣”，燃煤發(fā)電、煤化工轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為了我國煤炭利用的重要方式[1]。煤制氣技術(shù)作為煤化工領(lǐng)域的一個重點(diǎn)方向，是指在一定的壓力、溫度下，利用空氣、水蒸氣或氧氣作為氧化劑，與煤中有機(jī)質(zhì)部分進(jìn)行非徹底的氧化燃燒反應(yīng)產(chǎn)生煤氣或合成氣，從而進(jìn)一步合成化學(xué)制品的技術(shù)。煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用以及高效轉(zhuǎn)化的核心手段，在此過程中會產(chǎn)生大量的氣化灰水。氣化灰水經(jīng)絮凝沉降脫水后的產(chǎn)物稱為氣化灰渣(含水率40%～60%)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2019年底，我國氣流床氣化用煤量約2.5億t/a，產(chǎn)生氣化灰渣超過4 000萬t/a，且數(shù)量呈逐年增加趨勢。目前氣化灰渣的處理方式主要有填埋和鍋爐摻燒等。傳統(tǒng)填埋方式的缺點(diǎn)是浪費(fèi)大量土地資源，防護(hù)措施不完善時還容易產(chǎn)生二次污染。由于氣化灰渣經(jīng)煤氣化反應(yīng)過程后其物化特性已經(jīng)發(fā)生改變，直接送入常規(guī)鍋爐摻燒經(jīng)濟(jì)效益差。因此，對氣化灰渣的物化特性進(jìn)行分析，采用高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的分級方式對其進(jìn)行處理，減輕其對環(huán)境污染的同時實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用，是目前亟待解決的問題[2-5]。

粉煤灰是我國目前排放量最大的工業(yè)廢棄物，每年排放量可達(dá)到近億噸，近年來在越來越多的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了粉煤灰的再利用價值。例如，粉煤灰可以制造水泥；在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，粉煤灰中含有的多種無機(jī)物質(zhì)可以用作生產(chǎn)復(fù)合肥料、土壤改良和造地等用途；在工業(yè)中還發(fā)現(xiàn)了粉煤灰作為吸附劑的價值，可用于廢水處理、有害氣體吸附等方面的應(yīng)用。氣化灰渣與粉煤灰雖含碳量差異較大且結(jié)構(gòu)不同，但表面特性有較多相似之處。因此借鑒粉煤灰的應(yīng)用方式，研究氣化灰渣綜合再利用具有重要意義。近年來，國內(nèi)外針對氣化灰渣資源化利用技術(shù)的相關(guān)研究主要有：氣化灰渣堿活化制備活性材料技術(shù)、氣化灰渣鍋爐摻燒技術(shù)、氣化灰渣制備輕質(zhì)隔熱墻體材料技術(shù)等。但目前氣化灰渣的資源化利用技術(shù)或處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，或成本高經(jīng)濟(jì)性差，或仍有二次污染不能滿足日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求[6-7]。

試驗(yàn)針對氣化灰渣粒度細(xì)、孔隙發(fā)達(dá)、持水性強(qiáng)等難題，圍繞氣化灰渣中碳灰組分的高效分質(zhì)/分離關(guān)鍵科學(xué)問題，重點(diǎn)研究利用高效分級旋流器結(jié)合復(fù)式分級篩工藝將氣化灰渣有效分級，實(shí)現(xiàn)其資源化高效利用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前針對氣化灰渣的分級方法主要有浮選法、重選法以及電選法等。

1.1 浮選法

浮選作為選礦領(lǐng)域的重要手段，在細(xì)粒級礦物的洗選過程中被大量使用，浮選法主要是指根據(jù)礦物表面物理、化學(xué)性質(zhì)的差異從礦漿中浮出固體礦物的選礦過程，特別適用于處理細(xì)粒級及微粒級物料。但是，有研究指出煤氣化在經(jīng)過高溫的氧化燃燒反應(yīng)以后，其未燃燒的有機(jī)質(zhì)部分表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了不小的變化，失去了大量的脂肪鏈結(jié)構(gòu)，基本脫除其揮發(fā)分，表面氧化嚴(yán)重，這就使得氣化灰渣的可浮性比普通原煤要差，相同條件下的浮選效果存在較大的差異。研究表明，氣化灰渣中的熔融態(tài)礦物質(zhì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的親水性，這一屬性會對浮選泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且由于氣化灰渣孔隙發(fā)達(dá)，吸附能力強(qiáng)，導(dǎo)致浮選藥劑吸附到發(fā)達(dá)的孔隙中，造成大量無效藥劑，使得浮選過程藥耗量大，效果不佳[8-9]。

1.2 重選法

重選法是根據(jù)礦物比重的不同及其在介質(zhì)中具有不同的沉降速度來進(jìn)行分選的方法，在重力場作用下，礦物實(shí)現(xiàn)分質(zhì)分離的過程，是煤炭洗選的最主要方法，也是目前氣化灰渣分級應(yīng)用最為廣泛的方法。氣化灰渣重選分級的主要工藝有篩分-重選流程，該工藝先將氣化灰渣進(jìn)行篩分，篩上產(chǎn)品為含碳量較低的低碳渣，篩下產(chǎn)品再經(jīng)水力旋流器分選出含碳量較高的燃料產(chǎn)品和高碳細(xì)灰產(chǎn)品。但是利用重介質(zhì)旋流器、干擾床分選機(jī)、跳汰機(jī)等重選設(shè)備對氣化灰渣進(jìn)行分級的研究較少。另外，由于氣化灰渣的粒度較小，而重選過程細(xì)顆粒在單一重力場中所受分選力相對細(xì)粒級間的黏滯阻力較弱，單一設(shè)備分選效果較差[10-11]。

1.3 靜電法

靜電法主要利用礦物顆粒的電物理性質(zhì)和帶電差異，進(jìn)入靜電區(qū)域后，在靜電、摩擦等的作用下，來實(shí)現(xiàn)碳質(zhì)顆粒與礦物質(zhì)顆粒的分離。這種方法受到電壓等級、電場強(qiáng)度、風(fēng)力大小等因素的影響較大，而且隨著礦物顆粒粒級的減小，碳質(zhì)與礦物質(zhì)的分離難度加大，各成分之間的靜電干擾變強(qiáng)，影響分選效果。因此，靜電法雖然特定的試驗(yàn)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)，但是還遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化、大型化的標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2 氣化灰渣的物化特性

氣化灰渣是由制漿用煤在氣化爐的高溫條件下，經(jīng)過不完全氧化燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的，氣化灰渣的有機(jī)組分中，碳含量占主要，氧和氫的含量很低，其灰分高，揮發(fā)分低且全水的含量較高。這就說明，在經(jīng)過高溫氧化反應(yīng)后，煤表面的物化性質(zhì)已完全改變。氣化灰渣的物理結(jié)構(gòu)以及含碳量受到入料粒度、制漿藥劑、燃燒溫度、反應(yīng)時間、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素影響，其中粒度組成是影響氣化灰渣可選性的主要因素之一[13-15]。根據(jù)《煤炭篩分試驗(yàn)方法》規(guī)定，取氣化灰渣樣品(以下簡稱“樣品”)100 g，采用篩孔尺寸為0.5、0.25、0.125、0.074、0.045 mm的標(biāo)準(zhǔn)套篩對樣品進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)樣品小篩分試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：樣品中<0.045 mm粒級含量為36.97%，灰分為78.18%，這部分氣化灰渣灰分高且粒度細(xì)，為高灰細(xì)泥；含量僅次于<0.045 mm粒級的是0.25～0.5 mm粒級，產(chǎn)率為22.07%，灰分為17.66%，其灰分最低。其余各粒級隨著粒度的降低，樣品灰分呈升高趨勢。由于樣品中高灰細(xì)泥含量最高，這部分細(xì)粒級的產(chǎn)物容易造成洗選過程中難以分離以及精煤污染等問題。

氣化灰渣顆粒的表觀形貌如圖1所示。由圖1可知：氣化灰渣中不但有形態(tài)各異的無機(jī)顆粒，同時還有很多附著的碳顆粒，顆粒間相互夾雜、相互依附，大型的網(wǎng)狀顆粒中點(diǎn)綴著球狀的小顆粒或不規(guī)則形狀的顆粒，還有一部分的顆粒并不依附于網(wǎng)狀顆粒，而是單獨(dú)存在的。從X射線能譜分析(EDS)結(jié)果可以看出，大量的碳元素附著于圓球形顆粒表面，這種情況較難用傳統(tǒng)的選礦手段將其分離[16]。

圖1 氣化灰渣顆粒的表觀形貌

3 氣化灰渣分級試驗(yàn)研究

根據(jù)氣化灰渣的粒度組成等物化分析結(jié)果，制定氣化灰渣分級粒度為0.1 mm。研究采用目前應(yīng)用較為廣泛的高效分級旋流器+復(fù)式分級篩組合細(xì)物料分級回收工藝，該工藝最大的特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、功耗低、處理量大、故障率小。但回收過程中多種分級設(shè)備串聯(lián)后單一設(shè)備分級效率都在45%～65%，未能達(dá)到最佳應(yīng)用效果。

針對上述存在的不足，經(jīng)過對不同分級單機(jī)的設(shè)備分析發(fā)現(xiàn)，之所以傳統(tǒng)設(shè)備及其組合無法達(dá)到較為理想的效果，除了目前的單機(jī)設(shè)備在自身效率上未達(dá)到最佳，仍有持續(xù)優(yōu)化設(shè)計提升效率的空間，較為固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同特性物料的適應(yīng)性不足，同時組合工藝中，各單機(jī)設(shè)備之間的參數(shù)未達(dá)到相對較優(yōu)的組合匹配，致使在目前的應(yīng)用中，很多單機(jī)及組合工藝效果達(dá)不到理想狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，圍繞當(dāng)前的氣化灰渣分級主流工藝核心，優(yōu)化高效分級旋流器、復(fù)式分級篩結(jié)構(gòu)，形成高精度分級旋流器+復(fù)式分級篩的高效分級組合工藝，最大限度的提高氣化灰渣的分級效率。根據(jù)研究結(jié)果，設(shè)計氣化灰渣分級試驗(yàn)研究方案如下：

(1)針對氣化灰渣，研究高效分級旋流器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對分離效果的影響。

(2)結(jié)合氣化灰渣粒度分析結(jié)果以及復(fù)式分級篩處理能力，選擇合理的篩孔尺寸。

(3)設(shè)計試驗(yàn)設(shè)備流程，設(shè)備流程圖如圖2所示。

圖2 氣化灰渣分級試驗(yàn)設(shè)備流程圖

(4)搭建試驗(yàn)平臺，試驗(yàn)平臺設(shè)計如圖3所示，探究不同物料參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝參數(shù)對實(shí)際分級效果的影響。

圖3 氣化灰渣分級試驗(yàn)平臺

該試驗(yàn)系統(tǒng)由高效分級旋流器、復(fù)式分級篩、合介桶、渣漿泵、非標(biāo)管道、閥門、壓力表及非標(biāo)平臺等構(gòu)成。其工藝流程為：合介由渣漿泵打入高效分級旋流器，經(jīng)旋流器分選后溢流產(chǎn)物回到合介桶，底流產(chǎn)物進(jìn)入復(fù)式分級篩再次分選。

試驗(yàn)開始前，先進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備單機(jī)試車以及帶水試驗(yàn)。確保渣漿泵等設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各閥門可正常開啟與關(guān)閉，管道及連接處不存在漏水等現(xiàn)象，壓力儀表讀數(shù)準(zhǔn)確。一切準(zhǔn)備就緒后，分別在不同壓力、不同入料濃度以及旋流器不同底流口尺寸等條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。對旋流器溢流口、底流口、復(fù)式分級篩篩上以及復(fù)式分級篩篩上加噴水后等部位取樣化驗(yàn)，所得分級結(jié)果見表2。

由表2可以看出：當(dāng)壓力及入料濃度一定時，60 mm直徑底流口相較于70 mm直徑底流口分級效果更好；當(dāng)?shù)琢骺诔叽缂叭肓蠞舛纫欢〞r，低壓下的分級效果更明顯；當(dāng)壓力及底流口尺寸一定時，分級效果隨著濃度的升高而有所降低，但降低程度與濃度增加程度不成正比。

表2 氣化灰渣分級試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)分級方法相比，高效分級旋流器+復(fù)合分級篩的組合工藝針對氣化灰渣的分級效果更佳明顯，>0.1 mm產(chǎn)率最高可以達(dá)到98%以上，完全滿足氣化灰渣分級提質(zhì)要求。

(2)壓力降低時，旋流器內(nèi)物料流速變慢，物料分選時間延長，分級效果更加明顯，從而可以看出，適當(dāng)延長氣化灰渣的分級過程可以提高其分級效率。

(3)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣化灰渣的分級效果起到一定影響，若要達(dá)到最佳分級效果，需要合理設(shè)計旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸，從而簡化分級工藝，實(shí)現(xiàn)高效分級。

綜上所述，本次多孔質(zhì)氣化灰渣超細(xì)分級試驗(yàn)研究所采用的高效分級旋流器+復(fù)合分級篩工藝分級能力強(qiáng)、分級效率高，同時，該工藝還具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、操作方便、設(shè)備維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在氣化灰渣的分級應(yīng)用中完全可以取代目前應(yīng)用比較廣泛的浮選法和傳統(tǒng)重選法等方法。不但解決了目前氣化灰渣分級技術(shù)發(fā)展瓶頸，也為氣化灰渣分級技術(shù)裝備的工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)，為其實(shí)現(xiàn)資源化高效利用提供技術(shù)支撐。