水煤漿氣化細灰碳灰分布特性及其分離試驗研究

杜 婧

（巨野縣科學技術局，山東 菏澤 274900）

結合當前城市的發展，通過煤化工行業可以有效緩解我國天然氣和石油對外的依賴度，可以促進社會經濟的發展。不過在對煤炭進行轉化利用中，會出現大量的氣化細灰，有著持水性強、具有一定熱值和殘余碳含量高的問題，在直接利用和處理上的工作難度較高。當前對氣化細灰的處理方式主要為露天堆放，存在著資源的浪費問題，結合科學技術的不斷進步，社會中越來越多的學者便開始針對氣化細灰的特性進行了碳灰分離的實驗研究，受到氣化細灰顆粒分布、生產工藝和原煤特性的差異性，碳灰分離的效果不穩定。因此有必要對細灰浮選試驗的機理進行分析。

1 常規浮選缺陷

通過常規浮選方式的應用，氣化細灰的碳灰分離效果較差，具體原因有以下幾點：第一，當原煤經過氣化后，大部分有機物質會轉變為氣體，在此過程會有一些不具備可燃能力的礦物質在細灰中富集、熔融和轉化，結合捕收劑容易和礦物表面接觸的特點，在相互作用中僅能產生物理吸附的作用，在捕收劑和礦物顆粒的貼合下，會增大礦物質表面的親水性，降低捕收效果；第二，細灰普遍孔隙結構較為發達，因此在孔容積大和比表面積大下，會大量吸入浮選藥劑跟水分，因此顆粒表面有著親水性無法有效上浮，而且還會增加藥劑的損耗。為了提高針對氣化細灰的碳灰分離效果，下面將粒度分級的方法進行研究[1]。

2 試驗樣品準備

以某能源化工企業的氣化細灰為試驗樣品，該樣品是在煤制備烯烴產品中，采用水煤漿GE 氣化工藝產出的，具體氣化細灰產量為145 m3/h。具體性質有以下幾點：第一，通過對工業分析、元素分析和發熱量的分析，得知該樣品中的灰分、固定碳含量較高且有著揮發分產率低的特點，同時全水含量較高，有著一定的熱值；第二，結合煤炭篩分試驗的方法，對樣品的顆粒度進行分析，具體結果可以參考表1。在表1 中，隨著顆粒度的降低，樣品中的灰分比例不斷提高，其組成的主要部分為高灰細泥。需要注意的是，浮選過程中可能會因為低顆粒級的夾帶造成一定的產品污染問題；第三，在該樣品的細灰碳含量測定中，需要結合相關碳、氫測定方法，通過一定量氣化細灰的充分燃燒，將產出的CO2用吸收劑吸收，結合吸收劑的質量變化計算煤中碳質分數[2]。

表1 氣化細灰樣品的粒度組成

3 試驗組成分析

3.1 掃描電鏡與能譜分析

掃描電鏡與能譜（SEM－EDS）分析法，在將樣品進行干燥處理后貼于導電膠帶上，然后通過SEM 進行檢測，需要對SEM 進行工作參數設定，具體為0.1 nA 的電子束電流和15 kV 的加速電壓。結合EDS而言，用于元素的半定量分析，通過ES Vision 軟件得到EDS 光譜，同時借助薄箔法將元素的X 射線計數轉換為質量分數，在EDS 的工作參數中，具體為10 mm的工作距離、15 kV 的電壓和2 nA 的束電流[3]。

3.2 礦物組成分析

針對原煤和灰渣的礦物質組成，需要通過X 射線衍射儀進行分析，在設備運行參數設置中，具體有以下幾點：Cu 靶輻射、電流40 mA、電壓40 kV、掃描范圍5°～90°、發射狹縫1 mm、步距0.1°、接收狹縫0.2 mm。

3.3 氮吸附等溫曲線與孔結構分析

為了解氣化細灰樣品中的顆粒孔隙及分布，需要借助全自動比表面和孔隙度分析儀（BET）進行應用，在檢測中需要確保樣品的干燥，具體方法為測定樣品在120 ℃下對N2的吸附和脫附情況，從而獲知孔隙信息。

3.4 無機化學成分測定

在測定樣品中的無機化學成分時，需要將煤樣進行研磨，具體粒度要求為＜0.074 mm，在將煤粉壓片后借助熒光光譜（XRF）對氣化細灰的無機化學組成進行有效測定。在設備運行中，需要控制X 射線管壓為60 kV、X 射線電流為150 mA。

4 試驗結果討論

4.1 表觀形貌與微區組成

在樣品氣化細灰中，即存在不同形貌的無機顆粒，也存在較多的獨立炭顆粒，具體可以分為不規則絮狀無機顆粒和不定型多孔網狀炭顆粒。需要注意的是，各顆粒之間相互夾雜，會出現大網狀顆粒鑲嵌不規則絮狀顆粒和圓球狀小顆粒，且兩種顆粒都有獨立存在的部分。結合EDS 結果，在玻璃態圓球顆粒表面附著有大量碳元素下，不容易通過浮選進行碳灰分離。

4.2 化學成分分析與礦物組成

首先在樣品氣化細灰的化學成分分析中，通過XRD 譜圖可以顯示樣品中主要晶相為石英相和少量的氧化鈣，結合譜圖中的鼓包峰特征可以判斷，樣品中還含有大量的非晶相（玻璃相），主要由熔融態玻璃相殘渣未實現高溫氣化而直接進入水室導致。結合樣品氣化細灰的表現外貌，可以獲知球狀顆粒為硅酸鹽顆粒（玻璃態）和石英顆粒（玻璃態）、大的多孔網狀顆粒為氣化細灰未充分燃燒的碳顆粒和焦炭顆粒；其次，在樣品的礦物組成中，具體可以參考圖1。

圖1 氣化細灰樣品中的無機組分

4.3 氮吸附等溫曲線與孔結構

在繪制氮氣吸－脫附等溫曲線后，可以發現等溫吸附曲線和脫附曲線存在差異，有著明顯的遲滯曲線存在，結合IUPAC 進行分類，可以細分為Ⅳ型等溫線，進而可以結合等溫線、遲滯回線的形狀對樣品的孔隙形態進行判斷。經過研究，樣品細灰由層狀結構的孔跟片狀粒子堆積的狹縫孔組成。此外，在N2等溫吸附法的應用下，也對氣化細灰比表面積和空隙結構進行了表征，經研究樣品氣化細灰孔徑較小且中微孔數量較多，有著大孔坍塌和合并的現象，不利于細灰的浮選，在顆粒表面親水且不易上浮下，會加大藥劑消耗量。

4.4 氣化細灰碳分布規律

結合氣化細灰的生成，是制漿用煤在氣化爐≥1 300 ℃的高溫條件下，在歷經燃燒分解和與反應后生成，一般殘碳量較高，大約在21%～50%之間，殘碳量的高低和結構形式容易受到很多因素的影響。結合對細灰樣品中的碳分布規律進行測定，結合可以參考圖2 所示。結合圖2，隨著粒度從1～0.045 mm 的逐漸降低，顆粒產率有著先增長后降低的趨勢，且隨著細灰粒度的持續減低，細灰顆粒中的碳含量有著先緩慢降低后迅速降低的趨勢，分界線為粒徑0.25～0.15 mm。結合碳灰分布規律，可以選擇物理分級的方法進行初步碳富集，在分級粒度為0.1 mm 時，可得到79.23%碳含量（質量分數）和54.3%產率的高碳細灰產品，有著較好的應用效果。

圖2 氣化細灰樣品中的碳分布規律

5 結語

在對氣化細灰樣品的碳灰分離進行研究中，需要先進行工業分析、元素分析和粒度分析，了解該樣品的基本性質，然后采用具體的手段對氣化細灰中的表觀形貌、微區組成、化學成份、礦物組成以及樣品顆粒表面孔隙結構進行了解，最終得出樣品細灰的分布規律。參考細灰的分布規律，隨著粒度從1～0.045 mm 的逐漸降低過程中，顆粒產率有著先增長后降低的趨勢，且隨著細灰粒度的持續減低，細灰顆粒中的碳含量有著先緩慢降低后迅速降低的趨勢，因此可以結合氣化細灰的碳灰分布規律，選擇物理分級的方法對樣品氣化細灰進行初步碳分離，且有著較高的應用效果。