循環流化床粉煤氣化技術煤灰潤濕性中試研究

王鵬偉，方玉虎，張 棟，李文選，蘭偉偉

（陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

中國的1次能源中煤炭占80%以上，大量的燃煤電廠、煤化工廠均產生復雜飛灰，當碳含量較高時，飛灰表面較復雜，可能出現親水、親油的復雜交錯表面，此種表面以通常的潤濕工藝，如噴霧、注水等均難以有效潤濕，且由于顆粒表面存在親油區域，水也難以存留且很快蒸發滲出［1~4］。

循環流化床粉煤氣化技術煤灰為國內獨有的特種煤化工副產物，表面含有裸露的無機灰以及覆蓋的有機物，親水親油表面交錯，區域為微納米級，一般的潤濕劑無法實現有限潤濕，因此針對該副產物，通過分子設計和結構優化，設計和合成了1 類與其表面結構匹配的潤濕劑，各鏈節和尺寸與區域尺寸匹配，能夠滿足現場高效潤濕的要求。

該潤濕劑是具有高效潤濕性的表面活性劑溶液，能夠利用毛細管作用快速滲透進入表面親水、親油錯綜的飛灰中，在噴射過程中，在粉堆表面捕獲飛濺的顆粒，形成穩定的皮克林乳液阻隔層，阻隔層干燥后，形成板結狀硬殼，同時實現對表面親水、親油錯綜粉體的高速滲透和有效阻隔［5~7］。

1 中試試驗

1.1 中試裝置簡介

干法進料干法排灰氣化裝置產生的粗、細灰及廢棄粉煤均被輸送至灰倉，在灰倉出口依次設有手動插板閥、手動調節閥、星型給料器和雙螺旋給料器。其中星型給料器用于控制下灰速率，雙螺旋給料器內部設有潤濕劑水霧噴灑裝置，灰渣在雙螺旋給料器中被潤濕劑水霧潤濕擠壓，形成不揚塵的灰塊，經較大口徑的排灰管道在重力作用下落入灰車，運送至渣場，使整個排灰過程中灰量可控，煤灰濕潤后不再有揚塵，確保環保達標。

由于潤濕劑需要做預處理，特設置1個潤濕劑配置槽，其內部安裝氣動攪拌器。為方便調節潤濕劑濃度，摸索潤濕劑潤濕最佳濃度，在噴霧咀前設置新鮮水線，并與潤濕劑在管道混合器內混合，稀釋混合好的潤濕劑進入噴嘴對煤灰進行噴淋，中試裝置的流程見圖1。

圖1 中試裝置流程

為了保證水霧噴灑嘴的霧化效果，要求其壓力為0.3~0.4 MPa。

1.2 原料分析

試驗過程中主要的原料有煤灰、潤濕劑、新鮮水，其中新鮮水為0.2~0.3 MPa的循環水，潤濕劑主要為表面活性劑，煤灰具有含碳量高、粒徑小、密度輕、水溶性差等特性。

（1）煤灰灰質分析見表1。

表1 煤灰的工業分析和元素分析/%

（2）采用GB/T 19077-2016 的檢驗方法，對煤灰的粒徑進行分析，結果見表2。

表2 煤灰粒徑分析

（3）潤濕劑的組成。

潤濕劑主要有3種組分A、B、C制成的復配物，A 占總質量的 60%~80%，B 占15%~30%，C 占5%~10%，使用時將組分A、B 和C 按照比例混合后，配制成質量濃度為0.5%~2.0%的水溶液。

《世說新語》中《德行》第十一條記載：“管寧、華歆共園中鋤菜，見地有片金，管揮鋤與瓦石不異，華捉而擲去之。又嘗同席讀書，有乘軒冕過門者，寧讀如故，歆廢書出看，寧割席分坐，曰：「子非吾友也！」”這里有兩個故事，記載了他們的兩個生活細節：一、管寧和華歆一起鋤菜園子，掘出了一塊金，管寧如同沒見到一樣，照常干活；華歆將金拿到手里看了看，然后扔掉了。二、管寧和華歆一起同席讀書，門外邊有官員的儀仗喧嘩而過，管寧聽而不聞照樣念書，華歆則放下書跑出去看熱鬧去了。等華歆回來，管寧已經將坐席割開，表示志向不同，要和華歆分座。

復配物中A 為浸潤組分，主要為聚乙二醇、聚氧乙烯山梨醇酐單月桂酸酯、六偏磷酸鈉中的1種或多種；B 為與飛灰形成穩定的泡沫組分，主要為十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、蛋白水泥發泡劑中的1種或2種；C為穩定阻隔表面的組分，主要為堿木素、氨基磺酸鈉鹽、萘磺酸甲醛共聚物鈉鹽、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素鈉、凹凸棒石粘土中的1種或2種［4］。

此潤濕劑能同時實現對親水、親油錯綜的高碳含量飛灰表面的快速浸潤和揚塵抑制的作用。

1.3 試驗方法

在潤濕劑配置槽中配置濃度為10%煤灰潤濕劑溶液，首先向潤濕劑配置槽中注入一定量的新鮮水，其次加入一定量的堿液，使用pH 試紙測得溶液pH 值在7~8之間，然后啟動氣動攪拌器，最后加入一定量的煤灰潤濕劑，配置完的潤濕劑pH 值在7~8之間，若最后測的pH 值偏酸性，可適量再加入一定量的堿液。

灰車到位后，首先啟動雙螺旋給料器，其次啟動星型給料器，然后打開手動調節閥，最后打開潤濕劑手閥，觀察排出煤灰的潤濕情況，根據煤灰潤濕情況隨時調整潤濕劑用量和濃度，所排煤灰無揚塵、潮濕狀，則固定潤濕劑管線上的閥門開度。

2 煤灰潤濕性影響的因素

2.1 潤濕劑濃度

依據煤灰潤濕情況，通過調節管道混合器前新鮮水的量來控制煤灰潤濕劑的濃度，在常溫下分別配制成濃度為10%、8%、6%、4%、2%、1%、0.5%的溶液通過雙螺旋給料器進行煤灰潤濕性試驗。試驗過程中，不同濃度的潤濕劑與煤灰滲透的快慢不同，滲透時間整體在10~30 s 之間，并且潤濕劑濃度越大，滲透速度越快，潤濕效果越好。

2.2 潤濕劑溫度

向潤濕劑配置槽中通入0.5 MPa、140 ℃的蒸汽對潤濕劑進行加熱，分別在60 ℃、50 ℃、40 ℃、30 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃、5 ℃下對不同濃度的潤濕劑與煤灰進行潤濕性試驗，試驗結果顯示同一濃度的潤濕劑隨著溫度的不斷升高煤灰潤濕效果逐漸提高。當潤濕劑溫度小于20 ℃時，潤濕劑與煤灰潤濕效果一般，所排煤灰略干，不時出現少量飛灰；20~40 ℃時，煤灰潤濕效果良好；40~60 ℃時，潤濕劑與煤灰的潤濕效果較好。

2.3 煤灰的停留時間

設計雙螺旋給料器出力能力為30 t/h，灰在雙螺旋給料器內停留的時間約5~15 s，試驗初期現場排灰較差，煤灰幾乎沒有被潤濕劑所潤濕，所排煤灰的50%以上為干灰，現場揚塵較大。原因分析為煤灰在雙螺旋給料器內停留時間較短，煤灰來不及被潤濕就被雙螺旋給料器排出。后期對雙螺旋給料器進行了改造，拆除了其部分葉輪，從而增加了煤灰在雙螺旋給料器內的停留時間，停留時間大約由5~15 s 增加到20~50 s，停留時間增加后現場排灰效果很明顯，煤灰與潤濕劑的潤濕效果較好，現場幾乎沒有揚塵，所排煤灰干濕性較好。

2.4 雙螺旋給料器轉速

經過多次試驗探索可得出雙螺旋給料器轉速過快，煤灰在其內部的停留時間較短，灰被潤濕劑滲透和混合的時間也較短，煤灰的潤濕效果較差，現場揚塵較大；反之則灰在雙螺旋給料器內的停留時間較長，與潤濕劑的滲透混合時間也較長，煤灰在其內被攪拌的更為充分，煤灰潤濕效果較好。

3 試驗過程中出現的問題

（1）雙螺旋給料器噴嘴霧化效果不理想。噴嘴的霧化效果在煤灰潤濕過程中起著重要的作用，在試驗期間，雙螺旋給料器潤濕劑噴嘴霧化效果不理想，噴嘴噴出來的不是理想狀態下的水霧，實際噴灑出來的水量較多，容易擊打煤灰產生2次揚塵，同時不利于煤灰干濕度的控制，也不利于煤灰的混合攪拌。

（2）雙螺旋給料器轉速較快。由于煤灰密度小、比重輕、水溶性差，在雙螺旋給料器轉速較快時，煤灰來不及和潤濕劑混合攪拌就從出料口被排出，沒有被潤濕的煤灰排出后很容易產生揚塵，污染周圍環境。

（3）星型給料器轉速較快。星型給料器轉速較快時進入雙螺旋給料器的灰量增多，灰量增多后由于雙螺旋給料器轉速較快和噴嘴霧化效果不佳等因素，煤灰無法充分在雙螺旋給料器內與潤濕劑混合攪拌，現場排灰效果欠佳；針對星型給料器下料快的問題，對其進行了一些改造，將星型給料器葉槽填補和增加變頻器來減小控制下灰量，改造后有一定的效果，但是容易損壞變頻器，實際操作仍然不理想，偶爾也會出現少量揚塵。

（4）雙螺旋給料器下料口堵塞。由于現有雙螺旋給料器轉速較快，煤灰潤濕性不是很好，為增加煤灰在雙螺旋給料器內的停留時間，故將其部分葉片進行了拆除，并將下料口進行了縮堵，使得雙螺旋給料器內積攢一定量的煤灰，使干灰在其內部可以充分混合攪拌，但同時由于縮小了下料口和拆除了下料口附近的推動葉片，導致下料口偶爾也會出現堵塞和下料不暢等現象。

（5）潤濕劑管線出現凍結。潤濕劑配置系統沒有增加伴熱保溫，在冬季管線容易出現凍結，且處理難度較大，同時增加了現場勞動量。

4 對工業化裝置的建議

（1）優化雙螺旋給料器噴嘴。重新設計優化潤濕劑噴嘴數量和霧化效果，使得噴嘴噴出的潤濕劑為霧化狀液體而不是噴灑狀水流，同時增加噴嘴數量，使得在雙螺旋給料器內進行無死角霧化噴灑；

（2）降低雙螺旋給料器轉速。雙螺旋給料器轉速過快使得煤灰在其內的停留時間較短，不利于煤灰的滲透和潤濕，排灰過程中容易產生揚塵，在工業化放大裝置中雙螺旋給料器設計為變頻操作，可根據煤灰潤濕效果適時調節其轉動速率；

（3）星型給料器轉速可調節。星型給料器設計為可變頻設備，可根據現場排灰效果隨時調整給料器的下灰量，從而避免雙螺旋給料器內出現料過多或過少現象，保證排灰的高效性和環保性；

（4）增加雙螺旋給料器長度。中試裝置由于現場位置狹小，雙螺旋給料器長度設計上有所折扣，使得灰在其內的停留時間和攪拌混合時間較短，在煤灰的潤濕效果上不上很理想，在工業化裝置中和適當增加雙螺給料器長度，延長煤灰在其內的停留時間和潤濕攪拌時間，提高煤灰的潤濕效果；

（5）降低雙螺旋給料器與地面的高度。雙螺旋給料器下料口距離地面位置較高時，略干的煤灰在從下料口排到灰車的時候，容易產生2 次揚塵，不利于現場安全環保的要求；

（6）潤濕劑系統增加蒸汽伴熱和保溫。冬季室外溫度較低，在不排灰時潤濕劑管線容易出現凍結，管線凍結后處理難度大，也容易凍壞設備和儀表，同時在冬季管線熱損較大，潤濕劑在溫度較低時潤濕效果不佳，因此建議給潤濕劑配置槽蒸汽盤管，其相關管道增加蒸汽伴熱及保溫，有利于煤灰的潤濕效果，同時也減少了冬季不必要的勞動強度；

（7）節約成本。中試裝置由于設計、設備和其它原因，氣化產生的煤灰具有含碳量高、粒徑小、比重輕、水溶性差等一系列問題，使得煤灰潤濕劑配置濃度比較高，排灰成本較大。工業化裝置可根據煤灰的特點和排灰潤濕效果，在保證不出現揚塵和環保問題上適當降低潤濕劑用量，節省排灰成本。

5 結論

通過對循環流化床粉煤氣化技術煤灰潤濕中試試驗研究，現已基本達到綠色環保排放的要求，中試裝置煤氣化產生的含碳量高、粒徑小、比重輕、水溶性差的干煤灰得到了有效排放，干灰經雙螺旋給料器潤濕和攪拌后，形成含15%~30%水分的濕灰，排灰時灰量可控，下料均勻，排灰過程中有效解決了干灰排放的揚塵和污染問題，為工業化放大應用提供了可靠的基礎試驗數據和積累了豐富的操作運行經驗。