不同粒徑氣化細渣殘炭結構及燃燒特性研究

張忠翼 趙代勝

國家能源投資集團有限責任公司 北京 100011

李寒旭 汪 倫

安徽理工大學化學工程學院 淮南 232001

煤氣化技術作為提高煤炭作為化工原料的綜合利用效率的主要手段之一，已在現代煤化工領域廣泛應用[1-3]，氣化灰渣作為煤氣化的副產品，其產生量和堆積量不斷增加，據統計，目前國內年產量超過3300萬噸[4]，不僅造成嚴重的環境污染和土地資源浪費，同時也造成煤炭資源浪費。為實現氣化技術 “零排放”，必須解決氣化灰渣的環境安全利用。目前，灰渣的利用主要包括硅酸鹽肥料[5]、催化劑載體[6]、碳-硅復合材料[7]及吸附劑[8-10]等。然而，由于煤的不完全氣化導致細渣含有較高的殘余碳含量(20%～40%)，每年數百萬噸煤在氣流床氣化爐中氣化[11]，將產生大量未燃燒的碳。從企業運行成本出發，氣化細渣中高的殘炭含量意味著熱值的損失、氣化效率下降，同時，高的殘炭含量也影響其在建筑、材料等領域的應用。相比較而言，氣化細渣混煤燃燒是目前氣化渣利用較為經濟環保的方法[12]。

為開發細渣增值利用技術，全面了解其理化性質具有重要意義。通常，細渣由富含礦物質的顆粒和約20%～40%的殘余碳組成，這一比例取決于氣化爐類型和操作參數等[13]。研究表明，灰渣中殘炭含量、孔隙結構、礦物含量及不同元素含量等與顆粒粒徑大小密切相關[14-15]，粒徑較大的細渣顆粒具有較高的殘炭含量、較小的平均孔徑和較高的晶體礦物含量；不同于小顆粒細渣的無機組分傾向于規則的球形，殘炭傾向于呈絮狀，大顆粒細礦渣的無機組分和碳組分則傾向于不規則的塊狀，而比表面積和孔體積隨著粒徑的增大而減小。對于細渣中的殘炭，Wu等[2]研究了氣化爐渣中“未燃燒碳”的可能來源，包括原煤熱解時揮發物、部分氣化碳(氣化爐中停留時間短)及熔融礦物質包裹而未反應的熱解碳。Zhao等[16]研究表明，爐渣中的細無機物傾向于呈球形存在，而殘炭則傾向于以疏松的絮凝物的形式存在，呂登攀[17]通過對氣化細渣酸浸處理來脫除無機灰分并研究其殘炭的物化性質，發現殘炭中具有較大的比表面積、較多的無定形炭結構及較高的活性位點，燃燒特性更好。但仍缺乏對不同粒徑氣化細渣結構特征研究，因此，開展不同粒徑細渣顆粒殘炭的特征及其燃燒特性的研究非常必要。

本研究將氣化細渣進行粒徑篩選、酸洗得到不同粒徑分級的細渣殘炭，表征不同粒徑細渣殘炭的形貌及結構特征，并研究其燃燒特性，為進一步認識細渣殘炭、實現細渣殘炭回收資源化利用和燃燒利用技術提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

氣化細渣(AQ)在空氣條件下自然晾干，其工業分析、元素分析和發熱量見表1。

表1 工業分析、元素分析和發熱量

1.2 渣樣的篩分及酸洗

利用BT-9300ST型激光粒度儀測試細渣AQ的粒度，粒度分布見圖1。粒度呈現多峰分布，主要分布在2.5μm、25.0μm和70.0μm。

圖1 氣化細渣的粒度分布圖

根據細渣粒度分布的特點選擇相對應的粒徑范圍，將氣化細渣分為6個粒徑范圍的樣品(AQ1～AQ6)，結果見表2。

表2 氣化細渣的粒徑劃分

具體篩選步驟如下：為防止因潮濕粘結堵塞篩網，先將細渣于恒溫箱干燥24h。稱取約50g干燥細渣樣，采用GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》小分子篩分法進行水篩法試驗；將細渣樣置于800目篩網上，添加去離子水攪拌，下方盛裝過篩網顆粒漿體，當過篩液體為清澈液體時，將篩下液體靜置沉淀、過濾后于105℃烘干12h即可得最小粒徑樣品(AQ1)，篩上樣置于105℃烘干12h后進入下一步干法篩選。將四類尺寸篩網100目、150目、200目及325目由上到下依次擺放成篩網塔。篩網塔置于ZBSX-92A型振篩機(紹興，拓展儀器設備有限公司)固定，篩分時間6min，重復10次。待振篩結束后收集不同粒徑范圍的細渣樣(AQ2～AQ6)。

參照GB/T 34231—2017燒失量法測定細渣燒失量，利用HCl和HF對渣樣品進行酸洗[18]。稱取不同粒徑細渣樣品(AQ1～AQ6)各10g，分別加入200mL濃度為5mol/L的HCl溶液，室溫下持續攪拌6h，利用去離子水反復洗滌固體渣樣并過濾；將過濾后的固體樣品與200mL質量分數為40%的HF溶液混合，室溫下連續攪拌6h，去離子水反復沖洗過濾固體殘余物，直至濾液pH=7；將過濾后樣品于105℃下干燥24h，即得到酸洗細渣樣品，記為AQ1-RC～AQ6-RC。

1.3 渣樣殘炭表征

細渣及細渣殘炭的微觀形貌及微區化學組成分析采用TESCAN VEGA3 SBH掃描電鏡(德國，BRUKER公司)，配套BRUKER XF lashl30能譜儀，放大倍數為200～1000倍；殘炭的碳結構表征采用inVia Qontor激光顯微共焦拉曼光譜儀(英國，雷尼紹公司)；應用Origin 2016對拉曼數據進行擬合分析。

1.4 渣樣殘炭的燃燒實驗

利用STA-449同步熱分析儀(德國，NETZSCH公司)對樣品進行燃燒特性分析，實驗條件：樣品質量20.00+0.01mg，實驗氣氛為氧氣和氮氣的混合模擬空氣，氧氣和氮氣的體積流量比為21：79，氣體流量為50mL/min，升溫速率β=10℃/min，實驗溫度區間為25～1000℃。

2 結果與討論

2.1 細渣的基礎特征

煤經過高溫熱解氣化、水洗壓濾形成的細渣仍含有47.72%固定碳和11.60%水分，但揮發分很低。由表3可知，細渣AQ的中位徑D50為22.18μm，D75為55.27μm，由于AQ粒度分布具有多峰集聚性，因此D100達到243.2μm。各粒徑質量分布表明，各粒徑范圍的細渣質量占比差異不大[圖2(a)]。圖2(b)結果顯示，隨著AQ粒徑增大，燒失量LOI呈增大趨勢，Huo等[19]研究表明，氣化劑在碳表面以及孔隙內部發生反應時，受孔擴散阻力和擴散速率影響，較大的顆粒通常具有較低的氣化反應程度和較高的碳含量。此外，AQ5、AQ6燒失量幾乎相同，說明100μm以上的AQ細渣具有更高的殘炭量。

圖2 AQ各粒徑的質量分布與燒失量LOI

表3 AQ渣樣粒徑參數

2.2 不同粒徑渣顆粒及殘炭表觀形貌

為了更清晰地認識細渣的形貌，對不同粒徑氣化細渣顆粒進行分類，結果見圖3。

圖3 AQ1～AQ6微觀形貌

AQ1～AQ6的形貌共有五種形態結構，分別為光滑/粗糙球形顆粒(A)、絮狀顆粒(B)、光滑致密塊狀顆粒(C)、多孔塊狀顆粒(D)及粗糙粘接狀顆粒(E)。AQ1～AQ6中皆發現有球形顆粒存在，隨著渣粒徑的增大，球形顆粒粒徑隨之增大，存在的比例隨之減小，但其表面的粗糙程度也越明顯。絮狀顆粒、光滑致密塊狀顆粒則主要存在于AQ1～AQ3中。AQ1、AQ2中出現少量片狀多孔塊狀顆粒，AQ6大粒徑顆粒中可以看到明顯的孔狀架構的整塊多孔狀顆粒。在AQ5、AQ6中，由于孔隙的增大而吸附內嵌了部分小型球形顆粒，同時存在粗糙塊狀顆粒，而粗糙粘接狀顆粒多存在于AQ3～AQ6中。

結合EDS結果(表4)，球形顆粒中元素C含量低，元素O、Al和Si含量高，主要是硅鋁酸鹽熔體。礦物熔融后，由于表面張力形成球狀熔體并包裹少量碳形成球形小顆粒[20]。隨著顆粒的增大，因氣化不徹底而殘留更多的碳被捕獲在熔渣表面，形成表面粗糙的球形顆粒。無定形絮狀顆粒主要組成為元素C，可能是由原煤中無機礦物熔融碎裂分離出的細小碳顆粒(煙灰)經過水洗形成。而光滑致密塊狀顆粒所含的元素C含量極高，平均達到85%以上，由煤焦破碎后低熔礦物熔融而暴露內部的高碳形成。在更大粒徑渣顆粒中存在的多孔塊狀顆粒、粗糙粘接狀顆粒是由大顆粒內部揮發物析出形成的空隙和因氣化不徹底留下的碳骨架孔而形成的多孔塊狀碳顆粒；同時，高溫氣化及水洗壓濾過程中嵌混了部分小型球形顆粒、塊狀物，從而形成粗糙粘接狀顆粒。

表4 AQ1～AQ6各微區EDS分析結果 單位：%

進一步研究酸洗后AQ1-RC～AQ6-RC表觀形貌，見圖4。

圖4 AQ1-RC～AQ6-RC表觀形貌

酸洗細渣主要由絮狀炭、光滑致密炭和多孔不規則塊狀炭組成。酸洗后，已基本脫除由無機組分形成的球形顆粒。AQ1大部分為絮狀顆粒炭，隨著粒徑增大，絮狀顆粒逐漸減少，同時開始存在光滑致密顆粒、多孔不規則塊狀顆粒并且其組成明顯增多。由于酸洗前內嵌小粒徑細渣的絮狀顆粒及小球形顆粒，經酸洗后，AQ5-RC、AQ6-RC塊狀顆粒表面仍附著部分絮狀物。

2.3 不同粒徑渣顆粒碳結構

對酸洗后的AQ1-RC～AQ6-RC樣品進行拉曼表征，碳質材料拉曼光譜中的一階區域(800～2000cm-1)呈現明顯的兩個重疊帶，分別稱為D和G帶。對于無序碳，一階區域的五個帶通常出現在1580cm-1、1350cm-1、1620cm-1、1500cm-1和1200cm-1附近，分別稱為G、D1、D2、D3和D4五個特征峰[21-23]，其詳細對應信息見表5。

表5 拉曼峰/頻帶分配

將拉曼光譜反卷積為4個洛倫茲峰(D1、D2、D4、G)以及1個D3高斯峰是最佳擬合，擬合結果見表6。

表6 AQ1-RC～AQ6-RC渣樣殘炭的拉曼光譜擬合參數

對比殘炭擬合參數，隨著渣顆粒粒徑增大，代表有序化G峰面積占比呈先增大后減少的趨勢，而對應的代表無定形的D3峰面積占比呈先變小后增大趨勢，表明AQ的中間粒徑渣顆粒AQ3、AQ4的殘炭總體有序度更高，無定形炭結構更少。G峰面積占比、D3峰面積占比、ID1/IG在AQ5時開始出現反趨勢極值，結合各粒徑渣顆粒殘炭微觀形貌、微晶結構，AQ5不僅包含大塊未反應孔狀碳顆粒，多孔塊狀顆粒，在其形成過程中還嵌入了部分小型球狀顆粒、小粒徑規則狀顆粒以及絮狀物，經歷更高溫歷程的小碎片在經過酸洗后形成的無定形、有序化程度低的炭遺留在AQ5的整體殘炭中，使得AQ5的殘炭也具備了小粒徑渣顆粒殘炭的特征。事實上，在小粒徑渣樣中殘炭不僅包含有有序度更高形態的殘炭，還含有更多無序化結構的絮狀殘炭，因此小粒徑渣樣的殘炭在有序度上表現出略低于大粒徑的渣樣顆粒趨勢。

2.4 不同粒徑渣顆粒殘炭燃燒特性

通過TGA分別考察了各粒徑氣化細渣殘炭的燃燒特性，結果見圖5。

圖5 AQ1-RC～AQ6-RC燃燒階段TG-DTG曲線

AQ1-RC～AQ6-RC的TG-DTG曲線表現出明顯差異性。AQ1-RC的TG-DTG曲線顯示燃燒分兩個階段，分別是450～660℃和660～1000℃，表明AQ1中至少存在兩種類型殘炭，一種為無定形絮狀炭，表面積大、空隙發達，較易燃燒，另一種為經過高溫氣化過程形成的有序度較高的石墨化炭，氧化燃燒較為緩慢，當溫度達到1000℃后，仍有部分未燃盡。AQ2與AQ1同樣存在兩種性質炭，從TG-DTG曲線看，AQ2中無定形炭含量較少，更多的是塊狀炭。無定形炭前期燃燒釋放熱量，同時，AQ2的塊狀炭碳晶結構的有序度稍低于AQ3～AQ6，使塊狀炭燃燒過程提前，但其燃燒過程并不劇烈。AQ3-RC～AQ6-RC顯然也存在極少數無定形炭和大量塊狀炭，且兩者燃燒區間明顯重疊，使得對應的DTG峰呈現并不對稱的高斯峰狀。

為更好地比較殘炭燃燒特性，選用特征參數定義[23]得到AQ1-RC～AQ6-RC的燃燒特征參數，結合表6得到渣顆粒殘炭活性位點。此外，在拉曼光譜峰擬合中，D3與D4兩個峰均被認為是由炭結構缺陷引起的反應位點，也被稱為反應活性位[24]，因此，ID3+D4/IAll可用來表示殘炭的活性位點。結合表6的數據，也可得到渣顆粒殘炭活性位點，見圖6。

圖6 各粒徑氣化細渣殘炭的燃燒特征參數

可見，AQ1-RC的燃盡溫度Th高達1000℃以上，由酸浸后暴露了灰分中高石墨化的殘炭未燃盡所導致。隨著粒徑增大，著火溫度Ti、燃盡溫度Th無較大波動，峰值溫度與綜合燃燒指數S呈先增大后略下降趨勢，原因是由于中間粒徑渣顆粒中殘炭有序度最高，但其殘炭呈多孔狀，更易于與氧氣接觸。而大粒徑渣顆殘炭AQ5-RC和AQ6-RC受顆粒大的影響，會阻礙其整體燃燒過程，但存在部分無定形炭使其有序度有所下降，殘炭活性位點升高，故S整體并未出現較大下降趨勢。

3 結語

(1)AQ渣樣的粒度分布具有多峰集聚性，各粒徑的質量占比較為均勻，100μm以上的AQ細渣具有更高的殘炭量。

(2)細渣顆粒形態各異，可分為球形顆粒、絮狀顆粒、光滑致密塊狀顆粒、多孔塊狀顆粒和粗糙粘接狀顆粒；不同類型顆粒形成歸因于其在氣化爐內的經歷的不同氣化歷程，粒徑小的渣顆粒殘炭暴露于氣化環境更長、溫度更高，大顆粒內部揮發物析出形成的空隙和因氣化不徹底留下的碳骨架孔形成的多孔塊狀碳顆粒，同時嵌混了部分小型球形顆粒和塊狀物。

(3)中間粒徑渣顆粒殘炭AQ3-RC、AQ4-RC的殘炭總體上有序度更高，小粒徑渣樣殘炭在有序度上表現出略低于大粒徑渣樣顆粒趨勢；隨著粒徑增大，渣顆粒殘炭的著火溫度Ti、燃盡溫度Th基本再無較大波動，峰值溫度與綜合燃燒指數S呈先增大后稍微下降趨勢。