劉 冬

(1.中煤科工集團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，與煤中有機質(zhì)部分進行非徹底的氧化燃燒反應(yīng)產(chǎn)生煤氣或合成氣，從而進一步合成化學(xué)制品的技術(shù)。煤氣化是實現(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)填埋方式的缺點是浪費大量土地資源，防護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)濟效益差。因此，對氣化灰渣的物化特性進行分析，采用高效、經(jīng)濟、環(huán)保的分級方式對其進行處理，減輕其對環(huán)境污染的同時實現(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)或處于實驗室研究階段，或成本高經(jīng)濟性差，或仍有二次污染不能滿足日趨嚴格的環(huán)保要求[6-7]。

試驗針對氣化灰渣粒度細、孔隙發(fā)達、持水性強等難題，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)出很強的親水性，這一屬性會對浮選泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響，而且由于氣化灰渣孔隙發(fā)達，吸附能力強，導(dǎo)致浮選藥劑吸附到發(fā)達的孔隙中，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行分選的方法，在重力場作用下，礦物實現(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)品和高碳細灰產(chǎn)品。但是利用重介質(zhì)旋流器、干擾床分選機、跳汰機等重選設(shè)備對氣化灰渣進行分級的研究較少。另外，由于氣化灰渣的粒度較小，而重選過程細顆粒在單一重力場中所受分選力相對細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，進入靜電區(qū)域后，在靜電、摩擦等的作用下，來實現(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，影響分選效果。因此，靜電法雖然特定的試驗條件下能夠?qū)崿F(xiàn)，但是還遠不能達到工業(yè)化、大型化的標準[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的標準套篩對樣品進行粒度分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗樣品小篩分試驗結(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，為高灰細泥；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。由于樣品中高灰細泥含量最高，這部分細粒級的產(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)狀顆粒中點綴著球狀的小顆?；虿灰?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)式分級篩組合細物料分級回收工藝，該工藝最大的特點是適應(yīng)性強、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)備及其組合無法達到較為理想的效果，除了目前的單機設(shè)備在自身效率上未達到最佳，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，各單機設(shè)備之間的參數(shù)未達到相對較優(yōu)的組合匹配，致使在目前的應(yīng)用中，很多單機及組合工藝效果達不到理想狀態(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 氣化灰渣分級試驗設(shè)備流程圖

(4)搭建試驗平臺，試驗平臺設(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)對實際分級效果的影響。

圖3 氣化灰渣分級試驗平臺

該試驗系統(tǒng)由高效分級旋流器、復(fù)式分級篩、合介桶、渣漿泵、非標管道、閥門、壓力表及非標平臺等構(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)物進入復(fù)式分級篩再次分選。

試驗開始前，先進行系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備單機試車以及帶水試驗。確保渣漿泵等設(shè)備可以正常運轉(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)準確。一切準備就緒后，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行試驗研究。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，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，實現(xiàn)高效分級。

綜上所述，本次多孔質(zhì)氣化灰渣超細分級試驗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、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)備維護成本低等特點，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)，為其實現(xiàn)資源化高效利用提供技術(shù)支撐。