高玫香，白 倩，王建友，蘇 華

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300；3.榆林市榆神工業(yè)園區(qū)能源科技發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719302；4.江蘇衡譜分析檢測技術(shù)有限公司 ，江蘇 南京 210046))

煤氣化廢渣通常是指在高溫的條件下，在燃燒爐通入O、水蒸氣 或H等氣化劑，經(jīng)過多種化學(xué)反應(yīng)使煤或煤焦生成合成氣，同時(shí)產(chǎn)生廢渣的過程。在整個(gè)氣化的過程中，煤經(jīng)過燃燒、氣化等熱轉(zhuǎn)化，使得煤炭中的礦物質(zhì)和其他成分先后產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，如破裂、團(tuán)聚和熔融等，最終與部分未參與反應(yīng)的煤或煤焦形成灰渣。目前，我國煤氣化渣工藝處理在不斷完善和改進(jìn)，但還是存在處理效率不高的問題。因此，從整個(gè)角度看，加強(qiáng)對煤氣化渣工藝的處理，是當(dāng)前技術(shù)改造的一個(gè)熱點(diǎn)，但也是一個(gè)難點(diǎn)。針對煤氣化渣工藝中，有學(xué)者提出將煤氣化渣結(jié)合酸處理與 CO活化制成活性炭吸附劑，并對對二甲苯進(jìn)行吸附，結(jié)果表明，該吸附過程存在離子和電子交換，同時(shí)可提高煤氣化渣的轉(zhuǎn)化率；陜西融泰能源控股有限公司利用提純技術(shù)對煤氣化爐渣進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了精煤的提純，大大降低了煤渣的產(chǎn)生。德士古煤氣廢渣采用高壓氣化工藝，使煤完全分解，其廢渣中幾乎不含焦油和酚、氰化物，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。同時(shí)燃燒后的廢渣用作建筑摻和料，是優(yōu)質(zhì)的水泥或混凝土填加料，也是泡沬玻璃等建筑材料的優(yōu)質(zhì)原料。因此，本研究對德士古煤氣化渣工藝進(jìn)行探討，以此期望更好地促進(jìn)公司煤氣化渣工藝的進(jìn)步。

1 煤氣廢渣形成原理及德古士煤氣廢渣的特點(diǎn)

煤氣廢渣形成的原理可用圖1示意。在圖1中，通過氧化、還原、氣化等一系列反應(yīng)，最終得到灰渣。

圖1 煤氣廢渣形成原理Fig.1 Formation principle of coal gasification slag

研究認(rèn)為，煤氣廢渣的化學(xué)組成與廢渣形成中用到的助熔劑類型和引入量等有很大關(guān)系。同時(shí)廢渣的主要成分包含SiO、AlO、CaO、FeO和殘?zhí)嫉取?/p>

取樣陜西榆林凱越煤化工有限責(zé)任公司的氣化渣，并對其進(jìn)行分析測定，得到該企業(yè)氣化渣的粗渣、細(xì)渣、浮選炭、細(xì)渣灰的相關(guān)物理特性，具體見表1所示。

表1 比表面積、孔徑分布Tab.1 Specific surface area and aperture distribution

通過表1看出，細(xì)渣密度為0.5 g/mL，同時(shí)1 000 g 細(xì)渣可浮選 60 g碳。由此說明，得到的細(xì)渣孔徑豐富、吸附性能優(yōu)越，可做吸附材料。

為對比不同企業(yè)細(xì)渣的差異，分析榆林能化、榆林煤化、榆林凱越和兗礦榆林甲醇廠4家企業(yè)的細(xì)渣在碳含量、孔徑和比表面積上的差異，結(jié)果如表2所示。

表2 不同企業(yè)細(xì)渣的比表面積、孔徑分布等物理特性的對比Tab.2 Comparison of specific surface area,aperture distribution and other physical characteristics of fine slag in different enterprises

由表2可以看出，不同企業(yè)的氣化細(xì)渣物理特性差異各不相同，其中在碳含量方面，相差都不大；在比表面積和孔結(jié)構(gòu)方面，差異相對較大。由此可以說明細(xì)渣受原料煤、氣化條件的影響較大。同時(shí)比表面積受細(xì)渣研磨和混合不均勻的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)也存在一定差異。

2 德士古煤氣化渣工藝主要組成部分

目前，德士古煤氣化渣工藝常用的技術(shù)包括制漿系統(tǒng)回收利用技術(shù)、合成氣系統(tǒng)回收利用技術(shù)、燒嘴冷卻系統(tǒng)回收利用技術(shù)、鎖斗系統(tǒng)回收利用技術(shù)與閃蒸及水處理系統(tǒng)等。

2.1 制漿系統(tǒng)

制漿系統(tǒng)用于制備煤水漿料。在該階段中，將煤、水和添加劑加入到氣化爐中，具體如圖2示意。

圖2 Texaco制漿系統(tǒng)示意圖Fig.2 Recovery diagram of Texaco pulping system

在圖2的過程中，水煤漿伴隨著高溫和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最后通過CO、H等方式排出。煤渣則以液態(tài)煤渣等方式排出。

2.2 合成氣系統(tǒng)

煤水漿通過高壓煤漿泵加壓，然后經(jīng) Texaco 燃燒器與高壓氧混合，最終以霧狀向燃?xì)饣b置的燃燒室噴霧。在這個(gè)過程中產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的煤氣(又稱為合成氣體)通過冷卻裝置冷卻，進(jìn)入碳塔進(jìn)行洗滌，最后凝固和排出，以上過程可用圖3示意如下。

圖3 合成氣系統(tǒng)示意圖Fig.3 Recovery diagram of syngas system

2.3 燒嘴冷卻系統(tǒng)

燒嘴冷卻系統(tǒng)是一個(gè)混合式的設(shè)備，用于氣化過程中產(chǎn)生混合氣體。燒嘴一般運(yùn)行在1 350 ℃ 的高溫中，為了避免燒嘴損壞，一般會(huì)在燒嘴安裝冷卻水盤管和噴頭。燒嘴冷卻水當(dāng)中的水經(jīng)過泵加壓之后，經(jīng)過冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行換熱后，進(jìn)入到水盤管中再進(jìn)行冷卻降溫，最后經(jīng)過換熱升溫進(jìn)入燒嘴冷卻水的分離罐，進(jìn)而分理處混合氣體。最后依靠重力再次流入燒嘴的冷卻水槽內(nèi)進(jìn)行循環(huán)分離。

2.4 鎖斗系統(tǒng)

在收渣階段，通過鎖斗安全閥及收渣閥進(jìn)入鎖斗內(nèi)部。鎖斗系統(tǒng)由渣罐、渣鎖閥、排渣閥、降落傘罐組成，其中排渣閥一般由一個(gè)排渣閥和兩個(gè)鎖渣閥?；厥赵鼤r(shí)，需要加壓渣箱。當(dāng)渣箱的壓力接近氣化裝置時(shí)，打開渣鎖閥門；回渣后，關(guān)閉爐渣鎖閥，釋放爐渣箱的壓力。待達(dá)到常壓后，打開渣排出閥。

2.5 閃蒸及水處理系統(tǒng)

水回收處理主要有閃存蒸發(fā)和水處理系統(tǒng)。來自合成氣碳洗塔和鎖斗的黑水通過閃蒸被壓縮和降溫，從而部分轉(zhuǎn)換為氣體，部分轉(zhuǎn)換為蒸汽。在這個(gè)過程中，一級高架冷卻器中與高壓灰水換熱冷卻，分離出的酸性氣體送至蒸汽過熱器，冷凝液流入灰水槽中循環(huán)使用。

2.6 德士古煤氣化渣工藝的優(yōu)化

基于以上的處理工藝方案，目前主要從氧碳比、有效氣體含量、爐溫以及排渣運(yùn)行氣化爐的措施等進(jìn)行綜合優(yōu)化。其中，在德士古水煤漿氣化運(yùn)行中，研究認(rèn)為氧∶碳=3∶1最為理想，可使得碳轉(zhuǎn)化率達(dá)100%。但氧碳比越高，工藝的氣體中 CH,含量變低，一氧化碳的含量就越低。因此，應(yīng)綜合氣化爐考慮工業(yè)的生產(chǎn)中的氧碳比。

同時(shí)，研究認(rèn)為不能單純考慮氧碳比，應(yīng)同時(shí)考慮有效氣體含量、爐溫以及排渣運(yùn)行措施。如燃?xì)饣b置的重要參數(shù)是爐內(nèi)溫度，其主要通過熱電偶溫度測量法進(jìn)行測量。在測定過程中，插入爐內(nèi)的熱電偶的尺寸也要不斷變化，這是由于氧氣和煤炭之間的比例是不固定的，熱電偶的測量終點(diǎn)受到防塵罩的影響，從而影響溫度的測定精度。

除以上因素優(yōu)化外，部分企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行還通過技術(shù)改造的方式進(jìn)行，如神華寧煤為解決P-503泵流動(dòng)波動(dòng)和突然故障的問題，增加一個(gè)激冷水槽，具體如圖4所示。

圖4 激冷水槽Fig.4 Quench tank

圖4中的LS部分為增加的激冷水槽，通過控制閥的控制，從而實(shí)現(xiàn)激冷水槽中水位的控制，并及時(shí)補(bǔ)償P-503的水流量波動(dòng)，得到減少故障的目的。

3 德士古煤氣化渣工藝的特點(diǎn)及效果

3.1 特點(diǎn)——操作簡易

該加壓氣化裝置的負(fù)荷彈性大，工藝程序簡單。由于在實(shí)際中可能因?yàn)樨?fù)荷的急劇增減，所以其可以在短時(shí)間內(nèi)對負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。

3.2 效果——碳轉(zhuǎn)化率高

在氣化反應(yīng)方面，其碳轉(zhuǎn)化率通?？蛇_(dá)95%以上。由于復(fù)雜的工藝導(dǎo)致難以確定工業(yè)生產(chǎn)的最佳值，但該操作工藝可根據(jù)煤炭質(zhì)量、爐渣的水分濃度、爐渣的排放、氣化裝置、耐火磚等因素進(jìn)行綜合考慮和分析，以此給出最佳的氣化反應(yīng)參數(shù)。

4 結(jié)語

總之，在工業(yè)化大生產(chǎn)中，煤氣化工藝發(fā)揮著重要的作用。通過分析，在德士古水煤氣化中，得到了煤氣廢渣的主要組成成分為SiO、AlO、CaO、FeO等，同時(shí)得出由于工藝的不同，其得到的粒徑分布、比表面積等也有所不同。但要提高煤氣廢渣的回收利用效率，提高碳轉(zhuǎn)化率，還需要從氧碳比、有效氣體含量、爐溫以及排渣運(yùn)行氣化爐等不同的角度進(jìn)行優(yōu)化。