煤粉細度對提鍺旋渦爐燃燒及飛灰鍺品位的影響

王俊清，劉樹強，劉洪峰

（1.國家能源集團平莊煤業蒙東能源蒙東鍺業科技有限公司鍺冶煉廠，內蒙古 錫林浩特 026000；2.國家能源集團平莊煤業集團公司，內蒙古 赤峰 024000）

1 概述

鍺元素是一種非常重要的半導體材料，被廣泛應用于紅外、光纖、催化劑、醫藥、視頻等領域，其年度消費量是衡量一個國家科技水平的重要標準[1，2]。目前鍺的提取方法主要是通過火法從含鍺褐煤中將鍺以二氧化鍺的形式提取出來，含鍺褐煤中鍺以有機化合物，即鍺的腐植酸鹽的形式存在，含鍺褐煤燃燒后，二氧化鍺富集在飛灰中，進而使用化學方法將飛灰中的二氧化鍺分離出來[3]，因此含鍺煤炭的燃燒則成為影響飛灰中含鍺量的關鍵因素。

目前用于燃燒含鍺煤炭從而提鍺的鍋爐主要是液態排渣旋渦爐，此爐型是在旋風爐基礎上發展起來的新爐型[3]，依靠煤粉自身的重力落入爐膛中進行燃燒，整個鍋爐依次分為：燃燒室、捕渣管、二次室、尾部煙道等，此種燃燒方式的主要影響因素為煤粉的細度。

本文將分析煤粉細度對提鍺旋渦爐的燃燒和飛灰中鍺品位的影響，找到最利于提鍺的煤粉細度。

2 試驗方法

以某公司1臺75t/h的液態排渣旋渦爐為研究對象，通過調整粗粉分離器擋板的角度從而調整進入旋渦爐的煤粉細度，之后對旋渦爐的燃燒情況和飛灰中的鍺品位進行測試。

2.1 試驗煤種

本次試驗使用煤種為褐煤，干燥無灰基揮發分為33.74%，按照工程煤粉細度確定公式]，其中 ：K為系數，對于Vdaf大于25%的煤質，K=4；n未煤粉均勻性指數，取為1；燃燒此煤種的推薦煤粉細度為R90=20.87。

實驗開始前，需要有足夠的原煤，保持整個實驗過程煤質不發生變化。

2.2 粗粉分離器

本次試驗的粗粉分離器型號為：HW-CB-III軸向串聯型，擋板調節角度范圍為0°～90°，為保證旋渦爐正常燃燒需粉量，同時不出現回粉量過大而導致的磨煤機內部流動阻力超標的情況，控制粗粉分離器擋板開度從30°～90°變化。

2.3 測試內容

2.3.1 煤粉細度

試驗時，調整粗粉分離器擋板角度，待旋渦爐穩定1h后，收集進入旋渦爐的煤粉，進行細度測試。

2.3.2 燃燒情況

旋渦爐燃燒穩定后，對旋渦爐的燃燒情況進行測試和觀察，主要包括：旋渦爐燃燒室的溫度、飛灰含碳量、煙氣內CO的含量、過熱器減溫水等。

2.3.3 飛灰鍺品位

收集不同粗粉分離器擋板開度下旋渦爐燃燒產生的飛灰，使用二氧化鍺中鍺量的標準測試方法對費灰中二氧化鍺的含量進行測試。具體方法為：將含二氧化鍺的飛灰在高錳酸鉀作用下用鹽酸蒸餾，將鍺以四氯化鍺的形式餾出，經次亞磷酸鈣將四價鍺還原為二價，以KIO3-KI標液滴定。

使用的試劑主要有：高錳酸鉀、次亞磷酸鈣、鹽酸、碳酸氫鈉、淀粉溶液、氫溴酸、KIO3、KI等。

3 試驗結果

試驗過程中，將粗粉分離器擋板開度調整完成后維持1h，之后進行試驗數據的測試和樣品的收集，整個單工況試驗維持2h，之后對粗粉分離器擋板進行變化重復試驗內容。整個實驗過程維持旋渦爐負荷為70t/h不變。

3.1 燃燒室溫度

燃燒室溫度隨煤粉細度的變化如圖1所示。根據試驗結果發現：隨著粗粉分離器擋板角度的增大，燃燒室溫度呈現逐漸下降的趨勢。從30°時的1550℃降低至90°時的1535℃，主要是因為隨著粗粉分離器擋板角度的增加，煤粉細度逐漸增大，燃燒室內煤粉的燃燒過程延長，部分燃燒過程進入旋渦爐中后部進行，從而導致燃燒室溫度降低。

圖1 燃燒室溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢

3.2 減溫水量

如圖2所示，隨著粗粉分離器擋板角度的增大，過熱蒸汽減溫水量逐漸上升，但是波動范圍不是很大，主要是因為煤粉細度的變大導致旋渦爐整體火焰中心后移，過熱器的對流吸熱量增大，進而導致過熱蒸汽減溫水量上升。

圖2 減溫水量隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢

3.3 飛灰含碳量

粗粉分離器擋板角度增加導致進入旋渦爐燃燒室的煤粉細度變大，煤粉的燃燒過程延長，部分煤粉不能在燃燒室內充分燃燒，而煙氣在旋渦爐燃燒室及二次室內的停留之間在4s～6s之間，未燃燒的煤粉勢必會隨煙氣排出爐外，導致飛灰含碳量上升，如圖3（a）所示。煙氣中CO的含量同時存在相同的現象，如圖3（b）所示。

圖3 飛灰含碳量

3.4 排煙溫度

圖4為排煙溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢。從圖中可以看出排煙溫度的趨勢和過熱蒸汽減溫水的趨勢相同，主要原因在于煤粉細度的增大導致火焰中心后移造成的。

圖4 排煙溫度隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢

3.5 飛灰鍺品位

隨著粗粉分離器擋板角度的增大，飛灰鍺品位出現先增大后減小的趨勢如圖5所示。分析原因如下：

褐煤中鍺主要存在于煤的碳質部分，而不是在灰渣中。煤粉粒徑過粗導致燃燒不完全，未燃盡煤粉核心部分的鍺元素未揮發出來，導致收集到飛灰中能夠檢測到的鍺含量下降；煤粉過細會造成煤粉在燃燒過程中形成細微的懸浮熔滴，不容易被離心力拋到爐壁上或撞擊到捕渣管上，冷凝后進入煙塵，從而使飛灰量上升，進而使飛灰中的鍺品位下降，為后續著提純工序帶來困難。

圖5 飛灰鍺品味隨粗粉分離器擋板角度變化趨勢

綜上所述，粗粉分離器擋板角度對旋渦爐的燃燒和飛灰鍺品位的影響是較為明顯的，擋板角度的大小直接影響到燃燒室溫度、排煙溫度、減溫水量和飛灰鍺品位的參數。由于液態排渣旋渦爐主要的產物為含有鍺元素的飛灰，因此需要在保證旋渦爐正常燃燒的基礎上盡可能提高飛灰中的鍺品位，所以應控制煤粉細度R90在36%左右，此時粗粉分離器擋板開度為60°。

4 結論

根據本次試驗研究得出如下結論：

（1）煤粉細度直接影響到液態排渣旋渦爐所產飛灰中的鍺品位。

（2）為保證液態排渣旋渦爐正常運行，不會出現制粉系統阻力增大，從而出現危險事故，應控制粗粉分離器擋板角度不應小于30°。

（3）為保證較高的飛灰鍺品位，粗粉分離器擋板角度應位于60°左右。