水煤漿氣化裝置固廢處理方法淺析

馮圣君，孟 雪，王江濤

(河南心連心化學工業集團股份有限公司， 河南新鄉 453700)

水煤漿氣化裝置是目前煤化工主流的氣化方式，代表性的爐型有GE爐、晉華爐、多原料漿爐、四噴嘴氣化爐等，由于可以摻燒廢水，水煤漿氣化裝置的氣化壓力在6.5～8.7 MPa，在合成氨和甲醇等煤化工生產裝置中占全國煤化工比例約為65%。大規模氣化裝置的投運，每天會產生大量的氣化灰渣等固體廢物(簡稱固廢)，將這些固廢進行資源化利用是煤化工行業不得不面對的問題。

1 工藝分析

濕法排渣是水煤漿氣化工藝技術的一個顯著的特點。水煤漿氣化系統以低灰分的水煤漿為原料，在氣化劑的夾帶作用下，通過噴嘴高速噴入氣化爐內進行短時燃燒;水煤漿在爐內經預熱脫水后氧化燃燒，由于高壓氣流的推動作用僅能燃燒數秒便離開高溫輻射區域被水激冷，導致部分有機質未來得及反應；如果水煤漿吸熱導致的降溫產生的勢能高于燃煤釋放的總熱量，熔融態的灰渣會包裹煤粉，阻隔有機質與氣化劑的持續接觸。激冷水洗后的粗渣通過鎖斗間斷排出系統，在撈渣機和出口機械過濾裝置下，含水率(質量分數,下同)一般穩定在25%～40%；灰水系統中攜帶的煤灰通過澄清過濾系統壓榨后，以含水率為40%～50%的濾餅產出氣化細渣。

1臺投煤質量流量為2 000 t/d的氣化爐，平均每天排出濕氣化灰渣150 t，據統計國內現有煤化工氣化爐日投煤質量約62萬t，則日產濕氣化灰渣質量約為4.65萬t，大量的固廢需要有環保有效的方法進行處理，以減少煤化工對環境的污染。

2 氣化粗渣和細渣的區別

煤氣化細渣與濕法排渣的粉煤灰類似。氣化灰渣礦物質元素主要為Si、Ca、Fe、Al，以氧化態存在，這些氧化物占粗渣總質量的90.8%，占細渣總質量的83.8%[1]。常規的水煤漿氣化爐中粗渣的殘炭質量分數為1.6%～4.0%，細渣的殘炭質量分數為15%～27%，細渣是被合成氣夾帶的飛灰顆粒，其在氣化爐內燃燒，所有粒徑都小于原煤粒徑。而粗渣是大部分的飛灰顆粒在氣化爐壁面上形成的熔渣。粗渣中絕大部分都是無機礦物,在激冷過程中被破碎為顆粒狀粗渣,因此其粒徑較大,粒徑分布范圍也很寬。激冷后粗渣排出氣化爐，粗渣和細渣中無機礦物的含量均比原煤灰分中無機礦物的含量高,且粗渣中無機礦物的含量比細渣中無機礦物的含量高。粗渣和細渣中的SiO2含量均比原煤灰分中的SiO2含量高，原煤灰分只需要1 250 ℃左右便可使熔渣達到液態排渣的要求,而粗渣卻需要1 350 ℃左右才能滿足要求,粗渣的流動性比原煤灰分差，氣化粗渣和細渣的含量分析數據見表1。

表1 氣化爐粗渣細渣的物料組分分析

3 傳統處理方法

隨著國家對環保的管控，煤化工基本形成了工業園區化、靠近原煤產地化等模式，而對于固廢的處理，需要結合地理位置進行區分。常見的氣化灰渣處理方法有填埋、摻入原煤、浮選脫碳處理、制作免燒磚、烘干研磨制二級灰等。

3.1 填埋

對于地廣人稀的原煤產地，如沙漠戈壁地區，土地購置成本相對不高，一般采取建設柔性填埋場，設置防滲系統、濾液收集系統、倒排系統及填埋氣體控制系統。填埋場根據新上煤化工項目的規模進行設計，一般年限為5～10 a，填滿后需要重新選址。

3.2 摻入原煤

由于很多煤化工企業分布在產品需求密集地，而大量的原煤需要通過火車或者港口轉運，途中需要經過多個發運點，而對于原煤采購來說，主要是以固定碳和發熱量來確定價格，對于一些礦點本身固定碳含量高的地區，可以摻入一部分灰渣。另外,對于一些企業，在特殊情況下會將氣化灰渣按照比例重新加入制漿系統，參與氣化反應;但讓多余的灰分參與氣化反應，是一種能源浪費，目前廠家通過控制摻燒量在合理的范圍內，該方法可以作為一種固廢處理的短暫性方法。

3.3 浮選脫碳處理

目前,浮選脫碳處理主要應用于電廠粉煤灰脫碳，其技術關鍵點主要是浮選脫碳和浮選液脫水。氣化灰渣通過加水稀釋進入料漿預處理裝置攪拌，或者加入反絮凝劑后進入一級浮選裝置進行浮選，浮選后的泡沫進入消泡裝置，浮選液濃縮后進入脫水裝置，脫水干化后得到含碳質量分數為50%的高碳灰和少量低碳灰外售。煤在經過高溫氧化燃燒以后，未燃盡的有機質顆粒表面物化性質發生了較大的變化，失去了50%(質量分數)以上的脂肪鏈結構[2]，揮發分經高溫后基本脫除，表面氧化嚴重，這就導致灰渣中大量未燃炭粒的可浮性比入料原煤差，浮選過程中相同條件下的效果就會存在一定的差異。

氣化灰渣浮選的整體工藝為：氣化灰渣由皮帶輸送機經計量稱和皮帶輸送機送入回轉篩中，篩去粒徑大于0.5 mm的粗顆粒后的細灰經調質后流入礦漿預處理器中，加入浮選藥劑混合攪拌后進浮選機浮選。在浮選機的強力作用下，發泡劑產生大量氣泡，氣泡在上升至液面的過程中將吸附油的煤粒子帶到液面形成泡沫層而自溢出來，炭粒與煤灰分離后，自流到濃縮機濃縮，經過濾機脫水，由皮帶機送至精煤堆場。廢液流入沉淀水池沉淀后進儲水池循環利用。尾灰浮選后流入尾灰濃縮機，濃縮后經過濾機脫水，由皮帶機送至尾灰堆場。廢水流入沉淀池沉淀后進儲水池循環利用。尾灰脫水后運至加工廠，經膠帶運輸機送至烘干機，烘干后由提升機送至分選設備，分選后細灰進成品庫，粗灰進粗灰庫。烘干后的細灰也可考慮直接粉磨，或者將分選后的粗灰進行粉磨，具體流程見圖1。

圖1 氣化灰渣浮選工藝流程簡圖

氣化灰渣浮選脫碳處理技術的主要消耗是浮選藥劑和浮選設備的電耗[3]，浮選藥劑費用占總運行成本的65%～70%，噸浮選成本為50～125元，浮選后的精煤干基碳質量分數為50%，售價為150～170元/t,尾灰脫水后可作為二級灰直接外售，整體工藝的經濟性與待浮選的物料中含碳質量分數及浮選后的精煤含碳質量分數密切相關，經過分析氣化灰渣采用浮選技術運行成本較高，且會產生高污染廢水，工業化生產經濟性差。

3.4 制作免燒磚

通過大量的中試、小試試驗分析，得出氣化灰渣與水泥、電石等材料按照比例摻混后，用于制作蒸壓磚，通過磚機壓制成型送到蒸壓釜對磚坯進行高溫養護，產品性能良好，可以滿足道路美化、城鎮規劃等新建建筑的用品需求。

3.5 烘干研磨制二級灰

通過增加氣化渣烘干裝置，將氣化工段產生的粗渣和細渣經機械脫水后送至料場，按照粗渣∶細渣=3∶1的質量比進行摻混后，通過給料機送入滾筒干燥機，利用熱風爐(或者蒸汽回轉干燥機)提供的高溫煙氣/蒸汽對物料進行干燥，干燥后尾氣達標排放，干燥后的物料含水率為3%、溫度為70 ℃，通過提升機進入渣庫，配合鍋爐渣一同進入球磨機，加工研磨成合格二級灰后外售，該方法適用于內陸地區。水泥作為國民經濟發展的重要原料，需求量較大，氣化灰渣作為水泥輔料可以基本解決灰渣滯銷的問題。具體的工藝流程見圖2。摻混均勻后的物料通過皮帶計量送入干燥機，干燥機采用熱風干燥，采用生物質燃料或園區廢氣作為燃料，烘干后的物料通過鏈條輸送至灰庫，尾氣通過布袋除塵后達標排放。

圖2 熱風干燥示意圖

常見的灰渣烘干方案有3種，即高溫煙氣干燥技術方案、尾氣全回收干燥技術方案、蒸汽回轉干燥技術方案。

高溫煙氣干燥方案使用高溫煙氣與物流進行直接接觸，在干燥機的回轉和揚料板作用下實現物料的干燥，其優點為設備整體投資小，裝置簡單，維修工作量小，缺點為產生高溫高濕廢氣，環保隱患較大。高溫煙氣干燥技術方案主要應用于礦渣、河沙干燥等小型企業，環保管控較為薄弱。

尾氣全回收干燥技術方案[4]是指使用高溫煙氣干燥作為主干燥系統，干燥后尾氣的蒸汽潛熱對進料進行預熱干燥，其優點為干燥消耗最低，不產生高濕廢氣，環保影響較小，缺點為設備整體投資高，單套規模受限，國內技術單位較少。尾氣全回收干燥技術方案主要應用于國內食品醬渣等固廢處理，尚未在國內化工領域內應用。

蒸汽回轉干燥技術方案是指使用蒸汽作為干燥介質，在列管換熱的作用下，通過間接方式對濕料進行烘干,其優點為干燥過程無廢氣成分產生，缺點為熱效率偏低，烘干成本高，設備運行壽命較短。蒸汽回轉干燥技術方案主要應用于氯堿、礦粉干燥中，在礦渣領域應用較少。

3種灰渣烘干技術方案的參數對比見表2。

表2 3種灰渣干燥技術方案對比

4 結語

隨著氣化裝置的大型化，作為園區龍頭的氣化裝置，必須打通固廢循環經濟產業鏈，才能保證企業的安全穩定生產;同時，固廢的處理工藝需要結合裝置的地域需求，在環保達標的前提下，創造經濟效益。