燃煤電廠飛灰脫碳技術研究進展

鄧慶德，姬海宏，胡鑫，柏楊

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

粉煤灰為燃煤發電企業固體廢棄物。2015年我國年產粉煤灰約5.7億t[1]，粉煤灰已成為我國最大的工業固體廢棄物。目前，粉煤灰的利用價值主要在建筑材料領域，但高燒失量粉煤灰在該領域，特別是傳統水泥行業的應用很少。制約此類粉煤灰在該領域應用的一個重要原因為粉煤灰含碳量高：我國約30%的燃煤發電企業粉煤灰含碳量超過12%；40%的燃煤發電企業粉煤灰含碳量超過8%；以無煙煤為燃料的W火焰爐機組產生的粉煤灰含碳量可接近20%[2]；循環流化床粉煤灰含碳量影響因素多，含碳量高且變化幅度大。高含碳量從外觀上影響粉煤灰灰度[3]，也不滿足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。因此，研究粉煤灰脫碳技術，降低粉煤灰燒失量，是改善高含碳量粉煤灰在水泥和混凝土中利用率的重要途徑。

粉煤灰脫碳工藝分濕法和干法。濕法脫碳通過加入捕收劑和起泡劑，利用浮選機分離碳粒與灰粒。干法脫碳有流態化法、電選法、燃燒法等。

1 濕法脫碳

學者對濕法脫碳工藝的研究主要為浮選法脫碳工藝。浮選法脫碳原理基于粉煤灰和未燃碳潤濕性差異。粉煤灰顆粒接觸角一般為10°左右，灰中碳粒接觸角為60°～70°[4]，兩者接觸角差異性使得粉煤灰和灰中未燃碳潤濕性不同，因此可用浮選法分離。

粉煤灰浮選脫碳工藝來源于煤炭一段浮選工藝，而粉煤灰中未燃碳在高溫下形成，其疏水性與煤炭存在差異。由于一段浮選工藝受入料因素的干擾，故將未經改進的煤炭一段浮選工藝用于脫除粉煤灰中未燃碳存在脫碳效率低、脫碳分離指標不理想等缺點[5]。

針對傳統一段浮選工藝缺點，王立剛等[6]進行了二段開路浮選新工藝試驗研究,新工藝以充氣速率、浮選藥劑、濃度等工藝條件和工藝流程為研究對象，以性能成本比優化為目標，在一段浮選工藝基礎上增加了掃選開路流程。實驗原料采用神華大堡熱電廠高碳粉煤灰，浮選藥劑為柴油和仲辛醇，采用二段開路浮選流程。試驗結果發現此新工藝更適用于高含碳量粉煤灰脫碳。為推廣浮選脫碳工藝的工業示范應用，湖南某粉煤灰廠建設了1條5×105t/a的粉煤灰浮選脫碳生產線[7]，該粉煤灰生產線采用粗浮選、精浮選兩道工序，浮選柱加藥裝置采用全自動加藥裝置，成功浮選出符合用戶需求的粉煤灰和精碳。

粉煤灰中未燃碳與煤炭性質不同，故煤炭浮選工藝中常用的藥劑制度不完全適用于粉煤灰浮選脫碳。李國勝等[8]采用X射線衍射、X射線熒光分析等現代分析手段，從粉煤灰、未燃碳表面性質角度探討了未燃碳可浮性差的原因，采用旋流-靜態微泡浮選柱，研究了黏性起泡劑KD對浮選體系泡沫穩定性的影響，試驗獲得的粉煤灰碳脫除率為91.88%，燒失量為3.15%。邊炳鑫等[9]采用正交試驗方法，以雞西發電廠堆場粉煤灰為試驗原料，在XFD-115型單槽浮選機上進行了常溫浮選試驗。試驗考慮了粉煤灰入料濃度、藥劑比、捕收劑用量、起泡劑用量對浮選效果影響，該浮選試驗分選效率僅為56.02%，精煤產率為7.34%。

粉煤灰浮選脫碳技術研究及工程實踐均以煤炭浮選工藝為基礎。由于粉煤灰中未燃碳浮選活性低于煤炭，導致浮選效率低，回收未燃碳較為困難，研究者必須根據所浮選粉煤灰及其未燃碳物理化學性質，選擇合適的浮選藥劑，改進浮選工藝，方能獲得預期浮選效果[10]。

2 干法脫碳

2.1 流態化法脫碳

流態化法脫碳技術是基于氣力的分選工藝。粉煤灰中未燃碳顆粒與其他顆粒密度存在較大的差異，在氣流作用下，密度較小的未燃碳顆粒向床層區域的上部漂浮，密度較大的粉煤灰顆粒向床層區域底部沉積，經過篩分、分級后，得到的粉煤灰約80%能滿足用戶需求[11]。黎強,楊玉芬等[12-13]采用流態化分選法對粉煤灰脫碳進行了實驗研究。結果發現，流態化法脫碳能降低灰中未燃碳含量，但未燃碳含量降低效果受粉煤灰粒徑影響大，故仍需進一步研究，改進工藝，提高脫碳率。

2.2 燃燒法脫碳

燃燒法脫碳指燃煤企業將產生的高碳粉煤灰再次進入鍋爐內燃燒，從而降低粉煤灰中含碳量。燃燒法脫碳技術一般在流化床鍋爐中應用。美國的Progress Materials NC(進步材料有限公司)在佛羅里達州坦帕(Tampa)市采用特制的流化床，成功完成了小規模燃燒法脫碳實驗。我國福建漳平發電有限公司也在原有循環流化床鍋爐基礎上，通過工藝改進，以飛灰回燃脫碳的方式降低粉煤灰中含碳量，并降低了發電煤耗。針對飛灰回燃法脫碳效率較低的問題，梅琳等[14]設計了純燃飛灰熱態試驗臺，在試驗臺上開展了流化床粉煤灰燃燒脫碳試驗研究，飛灰的碳脫除率可達到75%。

2.3 電選法脫碳

電選法脫碳的關鍵在于顆粒充分帶電和帶電顆粒在電場中高效分離。顆粒帶電主要有，電暈帶電、摩擦帶電和感應帶電3種方式。粉煤灰與未燃碳性質不同，經過摩擦帶電裝置后分別帶有異種電荷，能在高壓電場下實現顆粒分離。國內外關于電選法脫碳研究主要集中在摩擦電選法。

國外摩擦電選研究起源于19世紀60年代意大利卡利亞里大學。學者[15-18]開展了煤、磷酸鹽等物質摩擦電選半工業性試驗研究，結果認為影響摩擦電選效果的關鍵因素為物料性質、摩擦面特性、試驗條件。典型摩擦電選裝置有帶內擋板的流化床摩擦帶電系統(FTB摩擦電選系統)、美國STI公司摩擦電選機、Thomas A. L. 摩擦電選裝置等[19]。其他電選裝置基本上由這3種典型裝置衍變而來。FTB 摩擦電選系統構成包括旋風給料系統、流化床摩擦充電器、高壓直流電源、分離室、集料槽、氮氣筒、靜電計等。該系統工作時，氮氣使待分離物料流態化，顆粒進入分離室帶異種電荷，在旋風給料系統負壓作用下進入高壓直流電源兩極板之間，在電場作用下分別向正、負極板聚集，最后在集料槽中進行收集，實現了粉煤灰與未燃碳的分離[20-22]。采用FTB摩擦電選系統的流化床，目前僅在實驗室應用，尚未進行商業推廣應用。STI摩擦電選機主要由給料系統、接料槽等組成。工作時，待分離物料由兩平行極板間縫隙進入，在皮帶輸送過程中，顆粒之間、顆粒與極板材料間通過摩擦帶異種電荷，在電場作用下，帶異種電荷顆粒分別向極板兩端聚集，從而實現分離[23]。STI摩擦電選機處理量大、物料粒度適應性好、分離效率高、可靠性好，已經實現商業應用，缺點在于皮帶損耗大，且脫碳過程中無法對粉煤灰有效分級。Thomas A. L.摩擦電選裝置主要由文氏給料系統、摩擦帶電裝置、高壓分選室、分離板及旋風回收器等組成。該裝置工作時，由文式給料器控制進入摩擦帶電裝置的入料量，氮氣使待分離顆粒流態化。流態化的顆粒通過碰撞帶異種電荷并進入高壓分選室，帶有異種電荷的顆粒在高壓電場下運行軌跡不同，被旋風分離器分離、脫碳[24-26]。此裝置中，電場結構顯著影響粉煤灰和未燃碳分離效果。在電選法脫碳工藝改進研究方面，SOONG Y.[27]采用超聲篩和摩擦電選聯合脫碳分選工藝，對取自海灣電力公司、肖維爾電廠、葛倫林電廠的3種高燒失量粉煤灰進行了分選試驗，發現先對粉煤灰進行篩分再進行摩擦電選，灰中未燃碳脫除效果較好。

國內學者在電選法脫碳理論、脫碳設備和工藝方面開展了研究工作。以曹志群等[28-29]為代表的學者對粉煤灰帶電、分選機理進行了研究，探討了影響粉煤灰電選脫碳產品質量的工藝條件。經研究，獲得了臺灣某電廠高碳粉煤灰最優操作條件。典型的電選設備有XDF型電選機、YNDF-I型粉煤灰靜電脫炭裝置以及帶式摩擦電選裝置。其中，XDF型電選機主要采用電暈帶電方式使待選顆粒帶電；其余兩種均采用摩擦帶電方式使待分離物料帶異種電荷，在電場作用下實現分離。帶式摩擦電選裝置已實現工業應用。電選法脫碳法目前開發了3種典型工藝流程：以生產粉煤灰或碳粉為目標的單一電選脫碳工藝；以生產各級別粉煤灰為目標的電選—分級工藝；電選—分級—粉磨工藝。除煤粉爐粉煤灰外，清華大學王啟民等[30-31]還研究了循環流化床的粉煤灰高壓電選脫碳。研究結果表明，電選脫碳對循環流化床粉煤灰脫碳效果較好，具有潛在推廣價值。

3 粉煤灰碳脫除工藝的對比分析

通過本文敘述，粉煤灰碳脫除工藝具有以下特點。

(1)濕排法產生的粉煤灰，建議采用浮選法脫碳；干排法產生的粉煤灰，建議采用電選法、燃燒法等干法脫碳方式脫碳。

(2)與濕法脫碳相比，干法脫碳優點在于能節約藥劑、能耗成本，且不會導致分選后粉煤灰活性降低；缺點在于脫碳效率低于濕法。

(3)電選法脫碳技術可在干燥和高溫狀態下在電廠就地處理粉煤灰，是一種很有推廣價值的技術。今后需進一步推進電選法脫碳工藝的研發，以實現大規模工業應用。