煤氣化細渣殘碳燃燒中試裝置及其資源化利用可行性研究

朱晨軍，王 娟，汪 鎏，劉春波，陳偉強

(安徽科達潔能股份有限公司，安徽 馬鞍山 600499)

“富煤、貧油、少氣”的能源結構特點決定了我國仍然以煤炭作為主要能源[1]，而清潔煤氣化技術作為一種高效利用方式被廣泛應用于鋼鐵、機械、化工、建材等領域[2]。目前，氣流床煤氣化已成為國內清潔、高效的煤氣化技術之一，在煤炭能源使用中占有舉足輕重的地位[3]。

煤氣化爐內部的一部分灰分在爐底融化，成為具有熔融狀態的粗渣；另一部分灰分呈飛灰，伴隨著產物帶出，從而形成煤氣化細渣[4]。我國煤氣化細渣的殘炭和水分含量都比較高，已經超過了國家規定的標準范圍，且具有較差的可燃性，從而極大限制了其在各方面的有效利用[5]。目前，我國每年產出的煤氣化渣處理方式主要以填埋、渣場集中堆存為主，填埋需要進行挖坑、防水、運輸等環節，成本較高；而堆存風干后成為黑色粉狀，會釋放大量有害氣體并產生揚塵，還會分解產生大量的酸性和堿性有機污染物，并溶解出其中的金屬元素，造成土壤、地表水和地下水的污染，嚴重影響地方生態環境。因此，煤氣化細渣的有效利用一直是煤化工領域的痛點和難點，大量氣化細渣因得不到有效利用而造成嚴重的生態環境污染，限制了煤化工行業的可持續發展[6]。

曾有煤化工領域學者對煤氣化細渣的結構、性質、組分以及利用途徑進行了研究。吳昊東等[2]利用氮吸附法、Raman光譜等手段對煤氣化細渣燃燒活性與理化結構進行了研究，得出中粒級細渣含碳量高、氣化程度低，具有潛在利用價值的結論；楊帥等[7]對煤氣化細渣組分進行了分析，并提出了煤氣化細渣摻燒利用和分選利用的建議；饒天曦、朱玉龍等[8，9]將氣化細渣與煤混合通入氣流床中進行摻燒試驗，并分析其燃燒反應協同機理、可行性與經濟性；吳思萍等[10]闡述了氣化細渣浮選的研究現狀，并使用泡沫浮選方法進行未燃碳脫除探索實驗；葉軍建等[11]在吳思萍的基礎上對大同某干粉煤氣化細渣進行了深度研究，其反應得到的尾灰灰分達到了一級粉煤灰的標準，可用作建材等行業，經濟效益廣泛。

通過分析前人的研究內容，本研究設計了獨具特點的隔熱回轉窯+兩段式燃燒爐對氣化灰渣進行烘干、高溫伴燒、兩段燃燒以及熱量回收，實現灰渣脫碳的同時副產蒸汽的固廢處理技術，具有技術先進可靠性。一方面，可實現氣化灰渣的脫碳資源化處理，具有一定的經濟效益；另一方面，可有效保護生態環境，推動煤化工行業的可持續發展。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

本試驗的樣品來源于安徽某公司的氣化細渣，采用馬弗爐對煤氣化細渣樣品進行性質分析，結果見表1。

表1 細渣性質分析

由表1可知，該樣品的水分和灰分含量較高，收到基水分為50%，可燃物質較少，可燃性差；空干基灰分為68.6%，在燃燒和氣化過程中容易結渣；揮發分含量較低，為1%，這是由于氣化細渣經過了高溫燃燒的結果。

1.2 氣流床細渣殘碳燃燒中試裝置

氣流床細渣殘碳燃燒中試裝置的主要設備包括熱風爐、換熱器、一次給料螺旋、二次給料螺旋(包含布袋除塵器)、廢氣布袋除塵器、一次風機、二次風機、冷卻風機、廢氣風機、配電箱、燒嘴、空氣壓縮機等。裝置的反應物包括細渣、空氣和脫鹽水，生成物包括干燥出水、粉煤灰原料、外排煙氣和蒸汽。

1.3 煤氣化細渣殘碳燃燒工藝流程

首先，將含水量達50%的氣化灰渣通過刮板輸送機輸送至原料倉，由原料倉下面的計量給料機輸送至干燥窯，在干燥窯內氣化細渣與來自燃燒爐內細渣燃燒產生的高溫煙氣間接換熱，將細渣的含水率脫除到5%以下。隨后將經脫水烘干后的細渣送入給料倉，通過定量給料秤送入給料管線，管線內的物料經來自空氣預熱器的高溫空氣吹送送入燃燒爐，燃燒爐二次風為預熱后的高溫空氣，細渣與高溫空氣在爐膛內充分燃燒，燃燒產生的一部分灰渣落入渣池內冷卻，大部分以飛灰的形式被布袋除塵器收集。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

本試驗裝置的燃燒爐采用水冷壁結構，脫鹽水與高溫煙氣換熱，產生飽和蒸汽。經空氣預熱器及干燥窯降溫后的煙氣進入布袋除塵器送去后端脫硝處理。正常運行時裝置整體實現熱量自平衡，不需要外部熱源額外供熱及補充燃料。細渣燃燒產生的渣落入燃燒爐下部渣池，由冷渣水激冷進入撈渣機，撈渣機撈出的爐渣送往渣斗被收集。

1.4 氣化細渣殘碳燃燒技術特點

利用氣化細渣自身燃燒產生的高溫煙氣，通過干燥窯對其進行脫水烘干，不需要額外補充熱源，可實現氣化細渣的脫碳資源化利用，整套系統對給料、溫度、氣流等各方面進行集中控制，全程自動化控制，操作難度低。

2 結果與討論

2.1 氣化細渣(30%含碳)燃燒結果分析

按照1.3制定的工藝流程進行細渣(含碳量為30%)殘碳燃燒實驗，結果見圖2。測得爐膛溫度可以一直穩定保持在900～1 100℃范圍內，預熱風溫度一直穩定保持在380～410℃范圍內，混合后溫度一直穩定保持在270～280℃范圍內。可以看出，隔熱回轉窯+兩段式燃燒爐運行效果顯著，氣化細渣30%含碳可以實現相對自熱穩定燃燒。

圖2 氣化細渣(30%含碳)反應時間與溫度關系

利用碳硫儀研究爐膛溫度和停留時間對氣化細渣的燒失量的影響。燒失量與爐膛溫度的變化關系見圖3(a)，由圖可以看出，爐膛溫度從800℃升高至1 100℃時，燒失量從0.06降低至0.002，燒失量隨爐膛溫度的升高而降低。通過圖3(a)也可進一步發現，燒失量的變化率(燒失率)也隨爐膛溫度的升高而降低。燒失量與停留時間的變化關系見圖3(b)，由圖可以看出，停留時間從5s至20s時，燒失量從0.08降低至0.002，燒失量同樣隨停留時間的延長而降低。通過圖也可進一步發現，燒失率也隨停留時間的延長而降低。燒失量越小，未燃盡炭分越少；燒失率越小，未燃盡炭分的降低速率越來越小，最終趨近于零。

圖3 氣化細渣(30%含碳)燒失量變化

2.2 氣化細渣(70%含碳)燃燒結果對比分析

此外，為了說明裝置的穩定性和可靠性，還進行了70%含碳氣化細渣殘碳燃燒實驗，與30%含碳氣化細渣的結果進行對比分析，結果見圖4。試驗測得70%含碳氣化細渣殘碳燃燒的爐膛溫度亦可以一直穩定保持在900～1 100℃范圍內，預熱風溫度一直穩定保持在400～430℃范圍內，混合后溫度一直穩定保持在390～400℃范圍內。可以看出，不論是30%含碳氣化細渣，還是70%含碳氣化細渣，隔熱回轉窯+兩段式燃燒爐運行效果都較為顯著，都可以實現相對自熱穩定燃燒。因此，氣化細渣處理系統具有較強的穩定性和可靠性，可作為細渣資源化利用的有效手段。

圖4 氣化細渣(70%含碳)反應時間與溫度關系

2.3 副產品的利用

按照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，對氣流床細渣殘碳燃燒產生的副產品細灰進行檢驗，檢驗的指標包括密度、SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數，游離氧化鈣、安定性(雷氏夾)、需水量比等，結果見表2。檢驗結果顯示，氣化細渣殘碳燃燒副產品定位為一級粉煤灰，可用作建材、化工、肥料等行業，實現氣化灰渣的脫碳資源化處理，具有一定的經濟效益；同時可有效保護生態環境，促進煤化工行業的可持續發展。

表2 副產品檢測結果

3 結語

(1)利用氣化細渣殘碳燃燒中試裝置對30%含碳量氣化細渣與70%含碳量氣化細渣進行燃燒對比實驗，結果表明，兩種含碳量的煤氣化細渣燃燒時爐膛溫度均可以穩定保持在900～1 100℃之間，可以實現相對自持穩定燃燒，證實隔熱回轉窯+兩段式燃燒爐具有技術可靠性。

(2)利用碳硫儀研究爐膛溫度和停留時間對氣化細渣的燒失量的影響，結果表明，氣化細渣的燒失量隨著爐膛溫度和停留時間的增大均呈現下降趨勢，均可降低未燃盡炭分，且燒失率均逐漸降低，反應速率逐漸趨于零。

(3)以檢測指標作為依據，通過化驗檢測，氣化細渣殘碳燃燒產生的副產品定位為一級粉煤灰，可用作建材、化工、肥料等行業，具有廣泛的經濟效益與社會效益。