德士古煤氣化渣工藝生產研究

高玫香，白 倩，王建友，蘇 華

(1.榆林職業(yè)技術學院，陜西 榆林 719000；2.神木職業(yè)技術學院，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，經過多種化學反應使煤或煤焦生成合成氣，同時產生廢渣的過程。在整個氣化的過程中，煤經過燃燒、氣化等熱轉化，使得煤炭中的礦物質和其他成分先后產生物理和化學反應，如破裂、團聚和熔融等，最終與部分未參與反應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，但還是存在處理效率不高的問題。因此，從整個角度看，加強對煤氣化渣工藝的處理，是當前技術改造的一個熱點，但也是一個難點。針對煤氣化渣工藝中，有學者提出將煤氣化渣結合酸處理與 CO活化制成活性炭吸附劑，并對對二甲苯進行吸附，結果表明，該吸附過程存在離子和電子交換，同時可提高煤氣化渣的轉化率；陜西融泰能源控股有限公司利用提純技術對煤氣化爐渣進行處理，實現了精煤的提純，大大降低了煤渣的產生。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。同時燃燒后的廢渣用作建筑摻和料，是優(yōu)質的水泥或混凝土填加料，也是泡沬玻璃等建筑材料的優(yōu)質原料。因此，本研究對德士古煤氣化渣工藝進行探討，以此期望更好地促進公司煤氣化渣工藝的進步。

1 煤氣廢渣形成原理及德古士煤氣廢渣的特點

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，最終得到灰渣。

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

研究認為，煤氣廢渣的化學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系。同時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任公司的氣化渣，并對其進行分析測定，得到該企業(yè)氣化渣的粗渣、細渣、浮選炭、細渣灰的相關物理特性，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，細渣密度為0.5 g/mL，同時1 000 g 細渣可浮選 60 g碳。由此說明，得到的細渣孔徑豐富、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)的細渣在碳含量、孔徑和比表面積上的差異，結果如表2所示。

表2 不同企業(yè)細渣的比表面積、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；在比表面積和孔結構方面，差異相對較大。由此可以說明細渣受原料煤、氣化條件的影響較大。同時比表面積受細渣研磨和混合不均勻的影響，導致數據也存在一定差異。

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包括制漿系統回收利用技術、合成氣系統回收利用技術、燒嘴冷卻系統回收利用技術、鎖斗系統回收利用技術與閃蒸及水處理系統等。

2.1 制漿系統

制漿系統用于制備煤水漿料。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雜的化學反應，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

煤水漿通過高壓煤漿泵加壓，然后經 Texaco 燃燒器與高壓氧混合，最終以霧狀向燃氣化裝置的燃燒室噴霧。在這個過程中產生復雜的化學反應，其產生的煤氣(又稱為合成氣體)通過冷卻裝置冷卻，進入碳塔進行洗滌，最后凝固和排出，以上過程可用圖3示意如下。

圖3 合成氣系統示意圖Fig.3 Recovery diagram of syngas system

2.3 燒嘴冷卻系統

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

2.4 鎖斗系統

在收渣階段，通過鎖斗安全閥及收渣閥進入鎖斗內部。鎖斗系統由渣罐、渣鎖閥、排渣閥、降落傘罐組成，其中排渣閥一般由一個排渣閥和兩個鎖渣閥。回收渣時，需要加壓渣箱。當渣箱的壓力接近氣化裝置時，打開渣鎖閥門；回渣后，關閉爐渣鎖閥，釋放爐渣箱的壓力。待達到常壓后，打開渣排出閥。

2.5 閃蒸及水處理系統

水回收處理主要有閃存蒸發(fā)和水處理系統。來自合成氣碳洗塔和鎖斗的黑水通過閃蒸被壓縮和降溫，從而部分轉換為氣體，部分轉換為蒸汽。在這個過程中，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、爐溫以及排渣運行氣化爐的措施等進行綜合優(yōu)化。其中，在德士古水煤漿氣化運行中，研究認為氧∶碳=3∶1最為理想，可使得碳轉化率達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，應綜合氣化爐考慮工業(yè)的生產中的氧碳比。

同時，研究認為不能單純考慮氧碳比，應同時考慮有效氣體含量、爐溫以及排渣運行措施。如燃氣化裝置的重要參數是爐內溫度，其主要通過熱電偶溫度測量法進行測量。在測定過程中，插入爐內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)在實際運行中進行還通過技術改造的方式進行，如神華寧煤為解決P-503泵流動波動和突然故障的問題，增加一個激冷水槽，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，從而實現激冷水槽中水位的控制，并及時補償P-503的水流量波動，得到減少故障的目的。

3 德士古煤氣化渣工藝的特點及效果

3.1 特點——操作簡易

該加壓氣化裝置的負荷彈性大，工藝程序簡單。由于在實際中可能因為負荷的急劇增減，所以其可以在短時間內對負荷進行調整。

3.2 效果——碳轉化率高

在氣化反應方面，其碳轉化率通常可達95%以上。由于復雜的工藝導致難以確定工業(yè)生產的最佳值，但該操作工藝可根據煤炭質量、爐渣的水分濃度、爐渣的排放、氣化裝置、耐火磚等因素進行綜合考慮和分析，以此給出最佳的氣化反應參數。

4 結語

總之，在工業(yè)化大生產中，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，提高碳轉化率，還需要從氧碳比、有效氣體含量、爐溫以及排渣運行氣化爐等不同的角度進行優(yōu)化。