燃煤電廠飛灰脫碳技術(shù)研究進(jìn)展

鄧慶德，姬海宏，胡鑫，柏楊

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

粉煤灰為燃煤發(fā)電企業(yè)固體廢棄物。2015年我國(guó)年產(chǎn)粉煤灰約5.7億t[1]，粉煤灰已成為我國(guó)最大的工業(yè)固體廢棄物。目前，粉煤灰的利用價(jià)值主要在建筑材料領(lǐng)域，但高燒失量粉煤灰在該領(lǐng)域，特別是傳統(tǒng)水泥行業(yè)的應(yīng)用很少。制約此類(lèi)粉煤灰在該領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要原因?yàn)榉勖夯液剂扛撸何覈?guó)約30%的燃煤發(fā)電企業(yè)粉煤灰含碳量超過(guò)12%；40%的燃煤發(fā)電企業(yè)粉煤灰含碳量超過(guò)8%；以無(wú)煙煤為燃料的W火焰爐機(jī)組產(chǎn)生的粉煤灰含碳量可接近20%[2]；循環(huán)流化床粉煤灰含碳量影響因素多，含碳量高且變化幅度大。高含碳量從外觀上影響粉煤灰灰度[3]，也不滿足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。因此，研究粉煤灰脫碳技術(shù)，降低粉煤灰燒失量，是改善高含碳量粉煤灰在水泥和混凝土中利用率的重要途徑。

粉煤灰脫碳工藝分濕法和干法。濕法脫碳通過(guò)加入捕收劑和起泡劑，利用浮選機(jī)分離碳粒與灰粒。干法脫碳有流態(tài)化法、電選法、燃燒法等。

1 濕法脫碳

學(xué)者對(duì)濕法脫碳工藝的研究主要為浮選法脫碳工藝。浮選法脫碳原理基于粉煤灰和未燃碳潤(rùn)濕性差異。粉煤灰顆粒接觸角一般為10°左右，灰中碳粒接觸角為60°～70°[4]，兩者接觸角差異性使得粉煤灰和灰中未燃碳潤(rùn)濕性不同，因此可用浮選法分離。

粉煤灰浮選脫碳工藝來(lái)源于煤炭一段浮選工藝，而粉煤灰中未燃碳在高溫下形成，其疏水性與煤炭存在差異。由于一段浮選工藝受入料因素的干擾，故將未經(jīng)改進(jìn)的煤炭一段浮選工藝用于脫除粉煤灰中未燃碳存在脫碳效率低、脫碳分離指標(biāo)不理想等缺點(diǎn)[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)一段浮選工藝缺點(diǎn)，王立剛等[6]進(jìn)行了二段開(kāi)路浮選新工藝試驗(yàn)研究,新工藝以充氣速率、浮選藥劑、濃度等工藝條件和工藝流程為研究對(duì)象，以性能成本比優(yōu)化為目標(biāo)，在一段浮選工藝基礎(chǔ)上增加了掃選開(kāi)路流程。實(shí)驗(yàn)原料采用神華大堡熱電廠高碳粉煤灰，浮選藥劑為柴油和仲辛醇，采用二段開(kāi)路浮選流程。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)此新工藝更適用于高含碳量粉煤灰脫碳。為推廣浮選脫碳工藝的工業(yè)示范應(yīng)用，湖南某粉煤灰廠建設(shè)了1條5×105t/a的粉煤灰浮選脫碳生產(chǎn)線[7]，該粉煤灰生產(chǎn)線采用粗浮選、精浮選兩道工序，浮選柱加藥裝置采用全自動(dòng)加藥裝置，成功浮選出符合用戶需求的粉煤灰和精碳。

粉煤灰中未燃碳與煤炭性質(zhì)不同，故煤炭浮選工藝中常用的藥劑制度不完全適用于粉煤灰浮選脫碳。李國(guó)勝等[8]采用X射線衍射、X射線熒光分析等現(xiàn)代分析手段，從粉煤灰、未燃碳表面性質(zhì)角度探討了未燃碳可浮性差的原因，采用旋流-靜態(tài)微泡浮選柱，研究了黏性起泡劑KD對(duì)浮選體系泡沫穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)獲得的粉煤灰碳脫除率為91.88%，燒失量為3.15%。邊炳鑫等[9]采用正交試驗(yàn)方法，以雞西發(fā)電廠堆場(chǎng)粉煤灰為試驗(yàn)原料，在XFD-115型單槽浮選機(jī)上進(jìn)行了常溫浮選試驗(yàn)。試驗(yàn)考慮了粉煤灰入料濃度、藥劑比、捕收劑用量、起泡劑用量對(duì)浮選效果影響，該浮選試驗(yàn)分選效率僅為56.02%，精煤產(chǎn)率為7.34%。

粉煤灰浮選脫碳技術(shù)研究及工程實(shí)踐均以煤炭浮選工藝為基礎(chǔ)。由于粉煤灰中未燃碳浮選活性低于煤炭，導(dǎo)致浮選效率低，回收未燃碳較為困難，研究者必須根據(jù)所浮選粉煤灰及其未燃碳物理化學(xué)性質(zhì)，選擇合適的浮選藥劑，改進(jìn)浮選工藝，方能獲得預(yù)期浮選效果[10]。

2 干法脫碳

2.1 流態(tài)化法脫碳

流態(tài)化法脫碳技術(shù)是基于氣力的分選工藝。粉煤灰中未燃碳顆粒與其他顆粒密度存在較大的差異，在氣流作用下，密度較小的未燃碳顆粒向床層區(qū)域的上部漂浮，密度較大的粉煤灰顆粒向床層區(qū)域底部沉積，經(jīng)過(guò)篩分、分級(jí)后，得到的粉煤灰約80%能滿足用戶需求[11]。黎強(qiáng),楊玉芬等[12-13]采用流態(tài)化分選法對(duì)粉煤灰脫碳進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流態(tài)化法脫碳能降低灰中未燃碳含量，但未燃碳含量降低效果受粉煤灰粒徑影響大，故仍需進(jìn)一步研究，改進(jìn)工藝，提高脫碳率。

2.2 燃燒法脫碳

燃燒法脫碳指燃煤企業(yè)將產(chǎn)生的高碳粉煤灰再次進(jìn)入鍋爐內(nèi)燃燒，從而降低粉煤灰中含碳量。燃燒法脫碳技術(shù)一般在流化床鍋爐中應(yīng)用。美國(guó)的Progress Materials NC(進(jìn)步材料有限公司)在佛羅里達(dá)州坦帕(Tampa)市采用特制的流化床，成功完成了小規(guī)模燃燒法脫碳實(shí)驗(yàn)。我國(guó)福建漳平發(fā)電有限公司也在原有循環(huán)流化床鍋爐基礎(chǔ)上，通過(guò)工藝改進(jìn)，以飛灰回燃脫碳的方式降低粉煤灰中含碳量，并降低了發(fā)電煤耗。針對(duì)飛灰回燃法脫碳效率較低的問(wèn)題，梅琳等[14]設(shè)計(jì)了純?nèi)硷w灰熱態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了流化床粉煤灰燃燒脫碳試驗(yàn)研究，飛灰的碳脫除率可達(dá)到75%。

2.3 電選法脫碳

電選法脫碳的關(guān)鍵在于顆粒充分帶電和帶電顆粒在電場(chǎng)中高效分離。顆粒帶電主要有，電暈帶電、摩擦帶電和感應(yīng)帶電3種方式。粉煤灰與未燃碳性質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)摩擦帶電裝置后分別帶有異種電荷，能在高壓電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)顆粒分離。國(guó)內(nèi)外關(guān)于電選法脫碳研究主要集中在摩擦電選法。

國(guó)外摩擦電選研究起源于19世紀(jì)60年代意大利卡利亞里大學(xué)。學(xué)者[15-18]開(kāi)展了煤、磷酸鹽等物質(zhì)摩擦電選半工業(yè)性試驗(yàn)研究，結(jié)果認(rèn)為影響摩擦電選效果的關(guān)鍵因素為物料性質(zhì)、摩擦面特性、試驗(yàn)條件。典型摩擦電選裝置有帶內(nèi)擋板的流化床摩擦帶電系統(tǒng)(FTB摩擦電選系統(tǒng))、美國(guó)STI公司摩擦電選機(jī)、Thomas A. L. 摩擦電選裝置等[19]。其他電選裝置基本上由這3種典型裝置衍變而來(lái)。FTB 摩擦電選系統(tǒng)構(gòu)成包括旋風(fēng)給料系統(tǒng)、流化床摩擦充電器、高壓直流電源、分離室、集料槽、氮?dú)馔病㈧o電計(jì)等。該系統(tǒng)工作時(shí)，氮?dú)馐勾蛛x物料流態(tài)化，顆粒進(jìn)入分離室?guī)М惙N電荷，在旋風(fēng)給料系統(tǒng)負(fù)壓作用下進(jìn)入高壓直流電源兩極板之間，在電場(chǎng)作用下分別向正、負(fù)極板聚集，最后在集料槽中進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)了粉煤灰與未燃碳的分離[20-22]。采用FTB摩擦電選系統(tǒng)的流化床，目前僅在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，尚未進(jìn)行商業(yè)推廣應(yīng)用。STI摩擦電選機(jī)主要由給料系統(tǒng)、接料槽等組成。工作時(shí)，待分離物料由兩平行極板間縫隙進(jìn)入，在皮帶輸送過(guò)程中，顆粒之間、顆粒與極板材料間通過(guò)摩擦帶異種電荷，在電場(chǎng)作用下，帶異種電荷顆粒分別向極板兩端聚集，從而實(shí)現(xiàn)分離[23]。STI摩擦電選機(jī)處理量大、物料粒度適應(yīng)性好、分離效率高、可靠性好，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，缺點(diǎn)在于皮帶損耗大，且脫碳過(guò)程中無(wú)法對(duì)粉煤灰有效分級(jí)。Thomas A. L.摩擦電選裝置主要由文氏給料系統(tǒng)、摩擦帶電裝置、高壓分選室、分離板及旋風(fēng)回收器等組成。該裝置工作時(shí)，由文式給料器控制進(jìn)入摩擦帶電裝置的入料量，氮?dú)馐勾蛛x顆粒流態(tài)化。流態(tài)化的顆粒通過(guò)碰撞帶異種電荷并進(jìn)入高壓分選室，帶有異種電荷的顆粒在高壓電場(chǎng)下運(yùn)行軌跡不同，被旋風(fēng)分離器分離、脫碳[24-26]。此裝置中，電場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯著影響粉煤灰和未燃碳分離效果。在電選法脫碳工藝改進(jìn)研究方面，SOONG Y.[27]采用超聲篩和摩擦電選聯(lián)合脫碳分選工藝，對(duì)取自海灣電力公司、肖維爾電廠、葛倫林電廠的3種高燒失量粉煤灰進(jìn)行了分選試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分再進(jìn)行摩擦電選，灰中未燃碳脫除效果較好。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在電選法脫碳理論、脫碳設(shè)備和工藝方面開(kāi)展了研究工作。以曹志群等[28-29]為代表的學(xué)者對(duì)粉煤灰?guī)щ姟⒎诌x機(jī)理進(jìn)行了研究，探討了影響粉煤灰電選脫碳產(chǎn)品質(zhì)量的工藝條件。經(jīng)研究，獲得了臺(tái)灣某電廠高碳粉煤灰最優(yōu)操作條件。典型的電選設(shè)備有XDF型電選機(jī)、YNDF-I型粉煤灰靜電脫炭裝置以及帶式摩擦電選裝置。其中，XDF型電選機(jī)主要采用電暈帶電方式使待選顆粒帶電；其余兩種均采用摩擦帶電方式使待分離物料帶異種電荷，在電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)分離。帶式摩擦電選裝置已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。電選法脫碳法目前開(kāi)發(fā)了3種典型工藝流程：以生產(chǎn)粉煤灰或碳粉為目標(biāo)的單一電選脫碳工藝；以生產(chǎn)各級(jí)別粉煤灰為目標(biāo)的電選—分級(jí)工藝；電選—分級(jí)—粉磨工藝。除煤粉爐粉煤灰外，清華大學(xué)王啟民等[30-31]還研究了循環(huán)流化床的粉煤灰高壓電選脫碳。研究結(jié)果表明，電選脫碳對(duì)循環(huán)流化床粉煤灰脫碳效果較好，具有潛在推廣價(jià)值。

3 粉煤灰碳脫除工藝的對(duì)比分析

通過(guò)本文敘述，粉煤灰碳脫除工藝具有以下特點(diǎn)。

(1)濕排法產(chǎn)生的粉煤灰，建議采用浮選法脫碳；干排法產(chǎn)生的粉煤灰，建議采用電選法、燃燒法等干法脫碳方式脫碳。

(2)與濕法脫碳相比，干法脫碳優(yōu)點(diǎn)在于能節(jié)約藥劑、能耗成本，且不會(huì)導(dǎo)致分選后粉煤灰活性降低；缺點(diǎn)在于脫碳效率低于濕法。

(3)電選法脫碳技術(shù)可在干燥和高溫狀態(tài)下在電廠就地處理粉煤灰，是一種很有推廣價(jià)值的技術(shù)。今后需進(jìn)一步推進(jìn)電選法脫碳工藝的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。