氣流床煤氣化細(xì)灰理化特性分析

雷尚敏，楊小平，楊 浩

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

引言

為有效提升氣化細(xì)灰資源處理水平，需要行業(yè)開(kāi)發(fā)出新型高效燃燒脫碳技術(shù)，而這需要建立在有效氣化細(xì)灰理化特性分析基礎(chǔ)上，確保能夠?yàn)楦咝紵撎技夹g(shù)提供有效依據(jù)。本文共選擇來(lái)自不同區(qū)域的三種氣化細(xì)灰樣品，具體對(duì)其理化特性進(jìn)行探究，有效推進(jìn)高效脫碳技術(shù)的發(fā)展。

1 研究背景

煤炭是我國(guó)主要使用能源。相關(guān)調(diào)查顯示，我國(guó)能源消費(fèi)總量仍以煤消費(fèi)量居高，占比可達(dá)到58%[1]。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為煤化工行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的契機(jī)。以煤化工行業(yè)作為研究重點(diǎn)，煤氣化技術(shù)十分關(guān)鍵，與多項(xiàng)工業(yè)基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)，氣流床屬于其中一種技術(shù)流派，其中，氣流床氣化爐在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較為常見(jiàn)，市場(chǎng)占有率可超過(guò)80%。氣化灰渣主要分為兩種，即粗渣、細(xì)灰，其中，氣化細(xì)灰屬于固體廢棄物，主要經(jīng)黑水沉淀得來(lái)，具有高碳、高含水特點(diǎn)，其中，高碳將會(huì)嚴(yán)重影響氣化細(xì)灰資源化利用。因此，強(qiáng)調(diào)行業(yè)應(yīng)提高對(duì)氣化細(xì)灰的關(guān)注度，并加大高效脫碳技術(shù)的研究力度，有效保障氣化細(xì)灰資源應(yīng)用[2]。

2 樣品分析

2.1 樣品來(lái)源

本文研究共選取來(lái)自各地煤化工基地氣化細(xì)灰3 種，均使用國(guó)內(nèi)主流爐型，取樣方法為四分法，詳見(jiàn)表1。

表1 樣品來(lái)源

2.2 樣品分析方法

氣化細(xì)灰粒度分析、元素組成分析需要使用激光粒度儀以及元素分析儀，表面微觀形貌特征使用掃描電鏡以及能譜儀，元素含量分析使用能譜儀，元素含量半定量分析使用熒光光譜儀，孔隙結(jié)構(gòu)、燃燒特性分析分別使用孔隙度分析儀、熱重分析儀。

3 結(jié)果分析

3.1 成分分析

經(jīng)工藝分析，在氣化細(xì)灰中，水分為40.12%～54.89%，這主要與氣化細(xì)灰形成有關(guān)。并且經(jīng)本文研究發(fā)現(xiàn)，固定碳熱值較低，主要集中在2.15 MJ/kg～8.19 MJ/kg。氣化細(xì)灰屬于高溫氣化產(chǎn)物，揮發(fā)分低于2%，處于較低的范疇?？傮w而言，氣化細(xì)灰的特點(diǎn)也說(shuō)明其具有較高的脫碳難度。在完成處理后，觀察干燥基固定碳情況，具體數(shù)值為16.23%～48.45%，熱值為3.41 MJ/kg～15.42 MJ/kg。對(duì)比固定碳，樣品C＞B＞A，說(shuō)明3 種爐型中，A 樣品碳轉(zhuǎn)化率最高。本文實(shí)驗(yàn)涉及到元素分析儀的使用，強(qiáng)調(diào)應(yīng)保持樣品均勻固體微粒狀態(tài)，不允許出現(xiàn)吸附水。在對(duì)3 種干燥基元素分析處理后，可發(fā)現(xiàn)氣化細(xì)灰H 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以下，這主要與煤揮發(fā)分析出有關(guān)。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)氣化細(xì)灰進(jìn)行分析，還發(fā)現(xiàn)，N、S 含量也相對(duì)較低，這主要與NH3、H2S 氣體析出有關(guān)。借助熒光光譜儀可具體對(duì)氣化細(xì)灰成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示，成分主要元素包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，相較原煤而言，并無(wú)明顯差別，對(duì)比上述元素含量，w（SiO2）=43.63%～53.22%＞w（Al2O3）=15.52%～21.30%＞w（CaO）=9.90～15.00%＞w（Fe2O3）=7.40%～10.80%。整體而言，在氣化細(xì)灰中，CaO 含量相對(duì)較高，這主要與其助溶劑作用相關(guān)[2]。

3.2 粒徑分析

粒徑分析結(jié)果顯示，A 樣品為0.33 μm～282.52 μm，B 樣品為0.33 μm～252.69 μm，C 樣品為0.35 μm～700.05 μm。原煤向氣化細(xì)灰變化需要經(jīng)歷煤焦、灰渣等，前者包括膨脹、破碎，后者包括熔融、破碎。本文3 種樣品不同的影響因素主要包括礦物質(zhì)組成、氣化爐條件、操作水平差異等。對(duì)比3 種樣品粒徑，A 樣品最低。

3.3 表面積與孔體積

本文研究顯示，在3 種氣化細(xì)灰樣品中，均發(fā)現(xiàn)反S 型等溫線特征的存在，并且以氮吸附結(jié)果展開(kāi)分析，可具體對(duì)氣化細(xì)灰吸附階段進(jìn)行分類，包括單層、多層吸附階段，并且存在較為明顯的拐點(diǎn)。升壓狀態(tài)下主要為吸附曲線，而降壓狀態(tài)下主要為脫附曲線，兩者并未出現(xiàn)重合情況，并且在相對(duì)壓力達(dá)到0.41～0.52 范圍內(nèi)，將會(huì)呈現(xiàn)吸附遲緩現(xiàn)象。這說(shuō)明在氣化細(xì)灰顆粒中，有縫隙型孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并伴隨凝聚現(xiàn)象。具體對(duì)氣化細(xì)灰表面積、孔體積進(jìn)行分析，3 種樣品峰值孔徑均低于2 nm，處于微孔結(jié)構(gòu)，需要在打開(kāi)微孔的情況下，才能夠有效增加殘?zhí)?、O2之間的接觸，提高反應(yīng)活性。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)

經(jīng)掃描電鏡，觀察3 種氣化細(xì)灰微觀結(jié)構(gòu)?？傮w而言，氣化細(xì)灰孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較差，有熔渣存在。結(jié)合行業(yè)實(shí)際，當(dāng)前氣化爐溫度基本超過(guò)1 300 ℃，由于氣化細(xì)灰孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)較差，將會(huì)對(duì)脫碳反應(yīng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此，在后續(xù)研究中，工作人員應(yīng)合理應(yīng)用各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，使熔渣外殼被打開(kāi)，提升脫碳高效性，優(yōu)化反應(yīng)活性。

3.5 煤灰熔融性

以國(guó)家相關(guān)文件作為依據(jù)，在保持弱還原性氣氛的情況下，對(duì)3 種氣化細(xì)灰灰熔溫度展開(kāi)分析，結(jié)果顯示，A 樣品、B 樣品最高，灰熔溫度可超過(guò)1 300 ℃，C 樣品為1 110 ℃，這主要與煤種原料不同有關(guān)。

3.6 熱重分析

經(jīng)干燥處理后，當(dāng)氣化細(xì)灰含水量降低到3%以下時(shí)，具體分析燃燒特性。在這一過(guò)程中，需要做好實(shí)驗(yàn)條件控制，具體包括升溫速率、溫度、氣氛等，要求應(yīng)分別控制為10 K/min、0 ℃～1 200 ℃、[φ（O2）=21%、φ（N2）=30%、φ（O2）=50%]。因?yàn)楸疚难芯? 種樣品均無(wú)揮發(fā)分，因此，經(jīng)400 ℃常規(guī)煤揮發(fā)分析處理后，并未出現(xiàn)揮發(fā)分情況。經(jīng)觀察，3 種樣品失重階段主要集中在485 ℃～700 ℃，其中，A、B、C 樣品失重率分別為14%、30%、16%，殘?zhí)挤謩e為15%、36%、49%。殘?zhí)枷穆史謩e為82%、76%、32%。提示，當(dāng)溫度低于1 200 ℃時(shí)，氣化細(xì)灰脫碳效率較低，無(wú)法滿足實(shí)際需求，這主要與氣化細(xì)灰被熔渣包裹、覆蓋有關(guān)。說(shuō)明只有在溫度高于熔融溫度的情況下，熔渣包裹層才能夠被打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃碳內(nèi)的完全燃燒，因此，燃燒溫度需要超過(guò)1 300 ℃。

經(jīng)燃燒特性分析顯示，當(dāng)V（O）2∶V（N）2=21∶80時(shí)，A、B、C 樣品著火溫度分別為485、545、589 ℃，這說(shuō)明當(dāng)A 樣品燃點(diǎn)達(dá)到485 ℃時(shí)，即為著火溫度，而C 樣品燃點(diǎn)最高，需要589 ℃。對(duì)比3 種樣品綜合燃燒特性，B＞A＞C。

本文研究顯示，如果氧氣體積分?jǐn)?shù)富氧濃度提升到30%，觀察氣化細(xì)灰，可發(fā)現(xiàn)其燃盡特性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，對(duì)比增幅程度，B（220%）＞A（25%）＞C（16%）。當(dāng)富氧濃度提升到50%時(shí)，將會(huì)使燃盡特性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，對(duì)比下降幅度，A（5.6%）＜B（12.5%）＜C（39.5%）。

建立在有效理化特性分析基礎(chǔ)上，可判定當(dāng)前使用燃燒脫碳技術(shù)并不符合氣流床煤氣化細(xì)灰脫碳標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法保障脫碳高效性，因此，強(qiáng)調(diào)應(yīng)積極開(kāi)發(fā)新技術(shù)，為氣化細(xì)灰有效利用提供保障。

4 結(jié)論

氣化細(xì)灰具有較高的含水量，并且熱值相對(duì)較低，無(wú)揮發(fā)分，本文研究樣品中中位粒徑均在100 μm以下。氣化細(xì)灰不具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)殘?zhí)挤磻?yīng)造成一定的影響，并且表面多閥蓋熔融渣層，由于燃盡特性相對(duì)較差，將會(huì)進(jìn)一步使脫碳難度增加，同時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加將會(huì)使氣化細(xì)灰反應(yīng)活性隨之增加。但是在增加數(shù)值過(guò)高的情況下，將會(huì)降低燃盡特性。