水煤漿氣化細渣的組成結構特征及干法脫炭研究

高 影 ，趙 偉,2 ，周安寧,2,* ，韓 瑞 ，李 振,2,* ，張寧寧,2 ，王俊哲, ，馬 超

（1.西安科技大學 化學與化工學院, 陜西 西安 710054；2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室, 陜西 西安 710054；3.陜西新能星炭能源有限公司, 陜西 西安 710000）

煤炭是中國的重要基礎能源和戰略資源，煤炭的清潔高效利用是社會經濟發展和生態文明建設的客觀要求，也是保障國家能源安全的現實需要[1]。煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術[2,3]。煤氣化過程會產生大量灰渣。據調查顯示，僅寧東煤化工基地氣化灰渣的年產量就近370萬噸，其中，約 60%為粗渣，40%為細渣[4]。當前是中國實現“碳達峰、碳中和”的關鍵時期，國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》中要求加快大宗固廢綜合利用。因此，如何對產量巨大的煤氣化灰渣進行規模化合理利用是關系到中國煤化工可持續發展的關鍵。

煤氣化細渣中的殘炭含量都較為豐富，從細渣中分離回收殘炭具有較大的經濟效益和社會效益[5]，殘炭含量高也是制約其分質高效利用的關鍵。目前，殘炭的分選方法有浮選法、重選法以及電磁選等。Guo等[6]采用浮選方法對氣化細渣進行處理，從 38-74 μm和＞74 μm粒級中回收的殘炭產品的燒失量分別為65%和80%；任振玚等[2]通過水介重選對干煤粉氣化爐產生的氣化灰渣進行分選，可得到產率8.37%，炭回收率 87.31%的富炭產品。然而，由于殘炭的多孔性以及炭灰連生等特征，會引起浮選時藥劑耗量過大、重選時重液密度難以控制等問題，使得分選尤為困難，且很難提升產品的回收率。

煤氣化灰渣的分選不同于煤與矸石的選別，主要在于灰渣特殊的組成和結構，以及炭灰顯著的熔融黏結特征。煤氣化灰渣中的無機物有團聚形成玻璃微珠的趨勢，殘炭則傾向于保持松散絮凝形態[7]。Wu等[8]認為，殘炭有三種主要來源，一是原煤熱解過程中的揮發物質；二是部分氣化的炭；三是未反應的熱解炭。煤氣化細渣中的殘炭具有與煤焦中類似的相對完整的多孔結構[9]。目前，關于煤氣化灰渣的基本組成結構研究還不透徹，特別是對于氣化灰渣的粒度組成與結構特征的關系還不明了，嚴重制約了煤氣化灰渣的分離與規模化高附加值利用。水煤漿氣化是一種先進氣流床氣化方法，具有氣化效率高、技術成熟、應用廣泛等特點[10-12]。為此，本研究以寧東煤化工基地水煤漿氣化細渣(Coal Water Slurry Gasification Fine Slag，CWSFS)為原料，重點開展水煤漿氣化細渣的粒度組成與結構特征的研究，CWSFS的分類方法，并以殘炭為目標產物，考察了粉碎解離與渦輪式氣流分級聯合工藝對殘炭的分選效果，以期為煤氣化細渣的綜合利用提供基礎數據和技術支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗用CWSFS原料采自寧煤集團水煤漿制甲醇的氣化車間。CWSFS的取樣方法參照GB/T 12573—2008方法執行。CWSFS原料于空氣干燥后充分混合均勻，再通過四分法縮分制取研究樣品，對CWSFS原樣進行工業分析和元素分析，結果列于表1。

由表1分析得，CWSFS固定碳含量較高，揮發分產率高，同時具有較高熱值。此外，碳和氧元素含較高，氫元素含量較低。

表1 水煤漿氣化細渣的工業分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal-water slurry gasification fine slag

1.2 實驗方法

1.2.1 濕法篩分

采用濕法篩分對CWSFS進行粒度分級。稱取200 g上述干燥的CWSFS樣品。按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》選取0.013、0.022、0.045、0.074和0.098 mm標準套篩進行濕法篩分，獲得相應六個粒度級的細渣樣品，經75 ℃真空干燥后裝袋備用。

1.2.2 粉碎與分級分離

采用圓盤粉碎機(設備型號：GRNDER-VM3，生產廠家：湖南清河重工機械有限公司)對備用的CWSFS樣品進行粉碎，粉碎時間分別控制在3、6、9和12 min；然后，將相應的粉碎樣品在渦輪式四級串聯氣流分級機(JSDLXL-21)上進行分離試驗，每次用量3 kg。從左到右各級分級機的頻率依次設定為20、 30、40和50 Hz，對應分級產品分別為一級產品(粒度d97為73.08 μm) 、二級產品(粒度d97為36.44 μm)、三級產品(粒度d97為11.24 μm) 、四級產品(粒度d97為2.37 μm) 以及除塵布袋產品(粒度與四級產品相近)。粉碎解離-氣流分級流程如圖1(a)所示。

圖1 粉碎-氣流分級流程示意圖Figure 1 Combined process of crushing and airflow classification

利用氣流粉碎及分級系統(WQLM01)對CWSFS樣品進行粉碎和連續分級實驗，氣流粉碎解離-分級流程如圖1(b)所示。一次進料300 g，設置分級頻率依次為20、35和50 Hz，對應分級產品分別為一級產品(粒度d97為83.01 μm)、二級產品(粒度d97為40.08 μm)和三級產品(粒度d97為13.12 μm)，由布袋除塵器回收粉塵產品。

1.3 CWSFS組成結構表征

1.3.1 灰分和固定碳的測定

根據CB/T 212—2008《煤的工業分析方法》方法，測定水煤漿氣化細渣及其不同粒級樣品的灰分和固定碳含量。

1.3.2 燒失量的測定

依據GB/T 176—2017《水泥化學分析方法》規定，稱取1 g濕篩后CWSFS各粒級樣品m1(精確到0.0001 g)，在815 ℃的高溫爐中反復灼燒直至質量恒定m2。根據下列公式計算燒失量：

式中，w：燒失量(%)；m1：稱取水煤漿氣化細渣各粒級樣品質量(%)；m2：灼燒后灰分重量(%)。

1.3.3 X射線熒光光譜分析

CWSFS各粒級樣品的灰組成通過日本島律株式會社 EDX—8000 型熒光光譜 (XRF) 進行檢測。灰的制備根據中國國標CB/T212—2008《煤的工業分析方法》，試樣經研磨至粒度小于0.074 mm后，將其壓片成型，再進行測試。X 射線管靶管：銠靶 (Rh) ，X 射線管壓 60 kV，X射線管壓150 mA。

1.3.4 X射線衍射分析

對CWSFS各粒級樣品的礦物相分析，利用德國BrukerD8 Advance型X 射線衍射儀進行檢測。首先對樣品進行脫炭處理，然后對脫炭樣品進行礦物相分析。檢測條件：Cu 靶輻射，電壓 40 kV，電流 40 mA，掃描 10°-80°，步距 0.1°，發射狹縫 1.0 mm，接收狹縫 0.2 mm。

1.3.5 掃描電鏡分析

CWSFS各粒級樣品的形貌結構是在日本電子JSM-6460LV鎢燈絲掃描電鏡(SEM)上進行分析。分析工作條件為：0.1 nA 的電子束電流，15 kV的加速電壓。使用 ES Vision 軟件獲得EDS 光譜，最低檢測限為 0.1%。EDS 的工作條件為 15 kV 的電壓，2 nA的束電流和10 mm 的工作距離。

1.3.6 孔結構分析

為測定CWSFS各粒級樣品的孔隙結構特征，采用低溫氮吸附法在美國MICROMERITICS ASAP2020 型全自動物理吸附儀上進行。測試條件為：吸附溫度為-195.8 ℃(77.35 K)，脫氣溫度為150.0 ℃，脫氣時間為6.0 h，比表面積分析方法為BET 法，孔徑分析模型為BJH模型。

2 結果與討論

2.1 CWSFS粒度組成與殘炭含量測定

采用濕法篩分試驗方法考察了CWSFS的粒度組成，各粒級產物的產率、灰分、燒失量和發熱量結果如表2所示，各粒級產物的固定碳含量見圖2。

圖2 水煤漿氣化細渣各粒級固定碳含量Figure 2 Fixed carbon content of different particle size grades of CWSFS

表2 水煤漿氣化細渣粒度特性Table 2 Characteristics of CWSFS in different particle size grades

由表2與圖2可知，水煤漿氣化細渣中的固定碳含量與粒徑大小具有很大的相關性。不同粒級細渣的固定碳含量與燒失量隨粒徑增大而增加，其灰分則隨著粒級的增大而降低。CWSFS的主導粒級為＞98 μm，產率高達50.83%，灰分約15.99%，固定碳含量高達70%以上，發熱量約26.21 MJ/kg；74-98 μm粒級產率為5.66%，灰分為24.55%，固定碳含量為61.88%，發熱量為23.835 MJ/kg；13-74 μm粒級產率約28.16%，灰分在37%-50%，固定碳含量在25%-40%，發熱量在12-16 MJ/kg；0-13 μm粒級的產率為15.35%，灰分最高，約為59.25%，固定碳含量最低，約為19.34%，發熱量為9.081 MJ/kg。上述實驗結果表明，在篩分過程中殘炭顆粒隨粒級的增加而呈現富集趨勢。

殘炭在不同粒徑中富集與氣化過程中灰渣的形成和流動特性有關。在氣化過程中，氣化劑在煤顆粒的表面和孔隙內部與炭發生反應，反應速率與擴散速率密切相關，擴散速率又受孔隙擴散的影響，且孔隙擴散阻力隨粒徑的增大而增大[13]。因此，粒徑較大顆粒的氣化速率相對較低，固定碳含量高，燒失量也較高；而粒徑較小的顆粒氣化反應相對完全，炭含量較低[14,15]。

2.2 不同粒級CWSFS樣品的組成結構研究

2.2.1 礦物組成特征

通過XRF考察了CWSFS不同粒級細渣的灰組成，結果如表3所示。

表3 水煤漿氣化細渣各粒級氧化物含量Table 3 Oxide content of size-segmented CWSFS

由表3可見，CWSFS經過篩分處理后，不同粒級樣品的組成具有顯著差異。各粒級的灰組成主要為Al2O3、Fe2O3、CaO，并有少量K2O、TiO2、SO3、ZnO等。隨著粒級的增大，灰組成中的K2O含量逐漸降低，SO3含量升高，其中，＞74 μm粒級樣品中SO3含量高達10%，這表明，硫主要富集在大粒級細渣樣品中。13-74 μm粒級的細渣樣品中Fe2O3和CaO相對富集，0-13 μm粒級樣品中TiO2相對富集。

為了進一步分析CWSFS各粒級樣品中的礦物組成，對不同粒級樣品進行了XRD分析，由于經過高溫氣化后，氣化細渣中存在炭包裹礦物相的狀態，為了精確檢測各類礦物，首先對樣品進行脫炭處理，然后再對脫炭后的樣品進行XRD分析，結果如圖3所示。

圖3 水煤漿氣化細渣各粒級的XRD譜圖Figure 3 XRD spectra of size-segmented CWSFS Q: Quartz; M: Magnetite; H: Hematite; D: Diopside;B: Brookite; 2M: Muscovite; A: Anhydrite; N: Nepheline;2F: Fayalite; 3F: Marcasite

由圖3可知，CWSFS各粒級樣品的礦物晶相種類較多，且多為高溫熔融礦物，主要有石英、硬石膏、霞石、赤鐵礦等。結合XRF結果可以發現，＞74 μm粒級的樣品礦物組成中含有磁鐵礦和板鈦礦；13-74 μm粒級樣品含有透輝石、白鐵礦和赤鐵礦等；0-13 μm粒級樣品主要為富含鋁、鐵、鈣等元素的非晶態玻璃相、石英和少量鐵橄欖石及白云母等礦物。

為了進一步定性驗證CWSFS各粒級樣品中的礦物組成，在上述研究工作基礎上，對CWSFS各粒級樣品進行了紅外光譜分析，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，CWSFS各粒級樣品的紅外譜圖中均發現了石英、硬石膏、高嶺石的吸收峰，該結果與XRD分析結果較一致。＞74 μm粒級的細渣樣品在553 cm-1附近存在較弱的吸收峰，該峰歸屬于TiO2特征振動；13-74 μm粒級的細渣樣品在630 cm-1處的吸收峰較其他粒級的吸收峰稍強，該峰位歸屬于鈣系列單斜輝石，符合透輝石的化學成分特征；0-13 μm粒級的細渣在1032 cm-1處的吸收峰強度較高，該峰位歸屬于Si-O伸縮振動，表明此粒級細渣的非晶玻璃相、石英含量較高；725 cm-1處有弱吸收峰，歸屬于Si-Al(Si)伸縮振動，表明細渣中還含有堿性長石；在873 cm-1處有弱的吸收峰，歸屬于 CO23-的面外彎曲振動，表明細渣中殘留有未完全分解的方解石。此外，需要說明的是，紅外光譜中未測出赤鐵礦和磁鐵礦的吸收峰，這可能是由于低含量的赤鐵礦和磁鐵礦的紅外特征峰被硅酸鹽礦物所掩蓋[16]。

圖4 CWSFS各粒級樣品的紅外光譜譜圖Figure 4 FT-IR spectra of size-segmented CWSFS

2.2.2 形貌結構特征

Zhao等[7]及張建法等[17]研究發現，在煤氣化灰渣中，殘炭傾向于以塊狀和多孔炭顆粒形式存在，而礦物質多存在于球形顆粒中。為了進一步研究不同粒級的CWSFS的形貌特征，對其不同粒級樣品進行了SEM分析。分析結果表明，在不同粒級的CWSFS樣品中，有四種不同形貌特征的顆粒[18]，即多孔不規則顆粒、塊狀顆粒、球型顆粒和絮狀物。大粒徑組分(＞74 μm)主要由多孔不規則顆粒和塊狀顆粒組成，多孔不規則顆粒的孔隙里填充不同大小的球形顆粒，表面粗糙度較高；中等粒級的組分(13-74 μm)主要由塊狀顆粒和球形顆粒組成；0-13 μm的小粒徑組分主要由絮狀物和球形顆粒組成。圖5主要給出了不同粒級樣品中典型顆粒物的形貌特征。

圖5 水煤漿氣化細渣各粒級掃描電鏡照片Figure 5 SEM of size-segmented CWSFS

為了進一步分析上述不同粒級中典型顆粒物的元素組成特征，對其進行了EDS分析，結果如表4所示。由表4可知，多孔不規則顆粒主要存在于＞74 μm粒級的組分中，其碳元素含量在76%以上，金屬元素、硅和氧含量較低，這表明多孔不規則顆粒物主要為殘炭顆粒；塊狀顆粒物在＞22 μm粒級中均有存在，其碳元素含量在54%-73%，其金屬元素和非金屬硅元素含量較少，但其氧含量明顯高于多孔不規則顆粒，表明該顆粒物為未燃盡的焦炭顆粒[19]；獨立球型顆粒物在所有粒級樣品中均有存在，但主要存于13-74 μm粒級樣品中，由表4的分析結果可以看出，該顆粒物的碳元素含量較低，并隨粒徑減少而略有增加，但氧、鋁、硅、鈣和鐵等元素含量相對較高，表明球型顆粒物主要為礦物[7,17,20]，從XRD分析結果可知，其主要為富含鋁、鐵、鈣等元素的非晶態玻璃相以及磁鐵礦、赤鐵礦等；絮狀物主要存在于0-13 μm粒級中，其碳和氧元素含量分別高達約36%和39.5%，鋁、硅、鈣和鐵等元素含量僅次于球型顆粒，因此，推斷其由炭屑與礦物的粘附物組成。不同顆粒中碳元素含量高低順序為：多孔顆粒、塊狀顆粒>絮狀物>球形顆粒。

表4 水煤漿氣化細渣EDS分析Table 4 EDS analysis of CWSFS

2.2.3 孔隙結構特征

采用物理吸附儀對不同粒級氣化細渣的孔隙結構特征進行了表征，得到各粒級產品的N2吸附-脫附等溫線，如圖6所示。同時，采用BJH等效圓柱模型計算了各樣品的孔徑分布，并通過BET方程計算了各樣品的比表面積，結果列于圖7和表5。

由圖6可見，不同粒級CWSFS樣品的吸附等溫線均呈反S形。這表明CWSFS細顆粒均具有相對完整的多孔結構（包括微孔、中孔和大孔）。根據 IUPAC 提出的分類方法，氣化細渣的吸附等溫線和滯后模式分別屬于 II 型和 H3 型[21]。此外，所有樣品都有一條類似的吸附-脫附環線，表明細渣表面發生多層吸附，細渣孔隙結構系統連續完整，存在大量狹縫狀孔隙。

圖6 水煤漿氣化細渣各粒級的N2吸附-脫附等溫曲線Figure 6 N2 adsorption curve of size-segmented CWSFS

不同粒級CWSFS樣品的孔隙結構存在一定的差異。由圖7孔徑分布和表5孔隙特征參數可以發現，CWSFS的孔隙特征以微孔為主，中孔為輔；＞98 μm的細渣比表面積較小，主要是因為該粒級的炭顆粒大孔較為發達，微孔較少，且孔隙中礦物填充嚴重；74-98 μm的細渣比表面積較高，達到了216.93 m2/g，總孔容約0.15 cm3/g，平均孔徑約5.52 nm，這可能是由于殘炭進一步發生氣化反應，導致粒徑減小，微孔結構發育所致。粒徑低于74 μm的組分，固定碳含量低，球狀玻璃微珠附著于炭顆粒表面，進而導致小粒徑顆粒的比表面積降低[22]。

圖7 水煤漿氣化細渣各粒級孔徑分布Figure 7 Pore size distribution of size-segmented CWSFS

表5 水煤漿氣化細渣各粒徑的孔隙特征參數Table 5 Pore characteristic parameters of size-segmented CWSFS

2.3 基于組成結構特性的CWSFS分類方法

煤氣化細渣的科學分類對于煤氣化灰渣的分質高效規模化利用具有重要價值。在粉煤灰的綜合利用中，按照含鈣量的不同，可分為三類：即低鈣粉煤灰、高鈣粉煤灰和增鈣粉煤灰；在國外，通常以CaO的含量作為標準，將粉煤灰分為C 類和F 類[23,24]。任振玚等[2]基于重選后產品的炭回收率與灰分將氣化細渣稱為富炭、高灰與富灰產品。前述通過濕法篩分考察了不同粒級CWSFS樣品的粒度組成、礦物組成、微觀結構及孔隙結構等特征，發現CWSFS中不同粒級組分的燒失量、發熱量、比表面積、礦物組成特征有顯著差異。而殘炭含量高低，以及礦物類型等差異是影響氣化灰渣分質高值化利用的關鍵因素。為此，以固定碳含量與發熱量作為分類主體指標，結合其礦物組成特征對煤氣化細渣進行了分類。

從濕法篩分分級與固定碳含量研究結果可以發現，固定碳含量和發熱量大小與細渣的粒度具有一定相關性。因此，基于固定碳含量和發熱量，將CWSFS分為高炭組分、中炭組分和低炭組分。CWSFS的分類結果及其產品特征列于表6。CWSFS中高炭組分、中炭組分和低炭組分的形貌、孔結構和礦物組成特征有明顯差別，例如，高炭組分一般粒級＞74 μm，固定碳含量＞60%、發熱量＞20 MJ/kg，比表面積最高，以塊狀炭顆粒、多孔不規則炭顆粒為主，礦物組成含有磁鐵礦、板鈦礦等。該分類方法為CWSFS進一步分離和分質利用指明方向。

表6 水煤漿氣化細渣的分類指標及不同類型組分的組成結構特征Table 6 Classification indexes of CWSFS and composition and structure characteristics of different types of components

通過上述分類，不僅可為氣化灰渣分選方法的選擇提供了依據，也可指導不同組分后續高值化利用技術的開發。例如，氣化灰渣作為吸附材料時，要求其有較高的炭含量和較大的比表面積，又如制備炭-硅復合材料時[25]，要求原料灰渣的炭含量應在54%以上，從煤氣化細渣中分離出高炭組分可以作為其適配的原料。在制備多孔陶瓷時，一般要求炭含量不低于18%，中炭組分是較為理想的原料，其中的殘炭可作為造孔劑[26,27]。低炭組分中殘炭含量低于10%，SiO2、Al2O3和Fe2O3總質量分數滿足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中對I級粉煤灰的要求，因此，在礦井回填材料制備中，選擇低炭組分可作為原料更為合理[28,29]。顯然，基于上述分類研究結果，可以建立一種煤氣化細渣不同組分含量的測定方法，即將采用濕法篩分分級與固定碳含量、發熱量測定相結合進行氣化灰渣不同組分含量的測定。

2.4 CWSFS的干法脫炭

氣化細渣不僅是一種固體廢棄物，也是一種礦物資源，從氣化細渣中分離殘炭是其實現高附加值和大規模利用的重要前提[29,30]。因此，從煤氣化灰渣中分離殘炭的研究成為大家關注的熱點[31-33]。由上述CWSFS的組成、結構和分類研究結果可知，CWSFS中炭含量、礦物組成和性質與其粒級有明顯的關聯性。由上述SEM分析結果可知，煤氣化細渣中存在殘炭與礦物質熔結黏連的現象，這直接影響了殘炭與礦物的有效分離。為此，本研究提出利用粉碎解離與渦輪式氣流分級聯合工藝對氣化細渣進行細碎與精細分級的分質加工新思路。其基本依據是通過粉碎實現殘炭與礦物或不同礦物連生體之間的有效解離，然后以粒級大小作為組分分離的主要控制參數，采用氣流分級方法實現煤氣化細渣中不同組分的有效分離和富集[34-36]。選擇以研磨作用為主的圓盤粉碎和以沖擊作用為主氣流粉碎進行CWSFS中殘炭與礦物質連生體的粉碎解離，結合氣流分級分選研究粉碎解離方式和氣流分級方法對CWSFS進行分質加工的有效性。實驗結果如圖8、圖9所示。

采用圓盤粉碎方式，不同粉碎時間所得樣品經渦輪式氣流分級機進行分選加工，結果如圖8所示。圖8中橫坐標表示分級機的頻率，其頻率越高，則分級機轉速越高，產品的粒度越小。分級頻率20 Hz (一級樣品)時，不同粉碎時間的分級樣品的燒失量在65%-77%，產率最高，均大于48%，粉碎9 min時效果較好，但與原樣分級分離相比，殘炭的分離富集效果較差。在其他高頻率分級條件下，分級產品的燒失量基本在60%-79%，產率明顯低于低頻率條件下分級樣品。從除塵布袋中回收的細粒級產品的燒失量最低，平均在41.75%左右，產率為2%-14%不等。原樣在分級頻率20 Hz時(一級產品)燒失量達到76.97%、產率約79.42%。該結果表明，渦輪式氣流分級方法可以實現CWSFS的分級分選，但圓盤粉碎方式對于細渣中殘炭的解離效果不佳，說明研磨為主的破碎方式不利于殘炭與礦物或不同礦物連生體之間的有效解離。

圖8 CWSFS圓盤粉碎-氣流分級后各產品燒失量及產率Figure 8 Ignition loss and yield of each product after crushed and combined airflow classification

為此，進一步采用氣流粉碎對水煤漿氣化細渣進行粉碎解離試驗，并結合氣流分級研究了氣流粉碎與氣流分級聯合工藝對CWSFS中殘炭的分離效果，結果如圖9所示。

圖9 氣流粉碎各產品產率及燒失量Figure 9 Yield and loss on ignition of each product in airflow crushed

由圖9可知，經氣流粉碎后，分級頻率20 Hz(一級產品)燒失量達到93.76%、產率約29.60%；分級頻率35 Hz(二級產品)燒失量為 64.16%，產率約28.64%；分級頻率(50 Hz)三級產品燒失量為42.21%，產率為39.66%。布袋除塵器回收的超細粉塵的產率約為2.1%，明顯小于其他產品的產率，故沒有計入分離產品中。上述結果表明，采用氣流粉碎方式，可以有效實現殘炭與礦物的解離，提高了氣流分級分離殘炭的效率，并且通過調節氣流分級機的頻率，可以有效調控分級產品的分布，以獲得高炭組分、中炭組分和低炭組分。

為探究粉碎方式對CWSFS的解離作用，使用Image-Pro plus對經過兩種粉碎方式后氣化細渣各產品的SEM圖片進行處理。處理方法為：選用相同倍數照片(2000×)，選取電鏡圖片中的球形顆粒(圖10)，并計算選擇顆粒總面積，及球形顆粒占總面積之比，結果如表7所示。

圖10 不同粉碎方式下CWSFS各產品的SEM照片Figure 10 SEM images of CWSFS products using different crushing methods

表7 不同粉碎方式下球形顆粒的面積統計Table 7 Statistical results of spherical particle projected area using different crushing methods

根據圖10和表7可知，隨著圓盤粉碎時間的延長，球形顆粒總面積大幅降低，在樣品總面積中的占比從9.40%下降至1.80%，細渣粉碎程度增加，球形顆粒明顯遭到嚴重破壞，導致樣品沒有達到選擇性解離的效果。與圓盤粉碎方式不同，氣流粉碎后，隨分級頻率的增加，球形顆粒總面積逐漸增加，球形顆粒在樣品總面積中的占比從1.75%升高至5.49%，且在各級產品中形狀保持完好，說明氣流粉碎能夠提高細渣的選擇性解離，且不會過度粉碎。因此，研磨粉碎方式容易造成樣品過粉碎，而氣流沖擊粉碎方式有于利選擇性解離，解離方式對于殘炭顆粒的氣流分級分離有重要影響。

3 結 論

本研究基于水煤漿氣化細渣進行濕法篩分試驗，對不同粒級組分進行了組成結構和性質研究，提出了CWSFS分類方法，并開展了CWSFS中殘炭的粉碎解離-氣流分級分選試驗研究，主要結論如下。

CWSFS的固定碳含量、發熱量與粒度分布存在相關性。經濕法篩分后，不同粒級CWSFS組分的固定碳含量隨粒徑增大而增加，殘炭顆粒隨粒度的增加呈現富集的趨勢。粒徑＞74 μm的細渣樣品，其固定碳含量＞60%、發熱量＞20 MJ/kg；粒徑為13-74 μm細渣樣品，其固定碳含量在20%-60%、發熱量在11-19 MJ/kg；粒徑＜13 μm的細渣樣品，其固定碳含量低于20%、發熱量低于10 MJ/kg。

CWSFS的灰組成和礦物組成與粒度分布存在相關性。隨著粒度的增加，灰分降低；灰組成中K2O含量逐漸降低，SO3含量升高。粒徑＞74 μm的細渣樣品，礦物組成主要為磁鐵礦和板鈦礦；粒徑為13-74 μm的細渣樣品，其所含礦物主要為輝石、白鐵礦和赤鐵礦等；粒徑＜13 μm的細渣樣品，礦物組成多為富含鋁、鐵、鈣等非晶態玻璃相和少量鐵橄欖石、白云母等礦物。

以固定碳含量、發熱量為主分類指標，可將CWSFS可分為高炭組分、中炭組分和低炭組分。高炭組分主要由多孔不規則炭顆粒和塊狀炭顆粒組成，比表面積＞67 m2/g，最高達到216.93 m2/g；中炭組分主要由塊狀顆粒和球形顆粒組成，比表面積為40-60 m2/g；低炭組分主要由絮狀物和球形顆粒組成，具有較小的比表面積。該分類方法對于煤氣化細渣的分選加工與分質利用有重要指導作用。

用沖擊式氣流粉碎與渦輪式氣流分級聯合工藝可以從CWSFS中有效分離富集殘炭，并得到高炭組分、中炭組分和低炭組分。研磨粉碎方式易造成CWSFS樣品的過粉碎，而沖擊破碎方式有于利于CWSFS中殘炭與礦物的選擇性解離。因此，未來可從優化解離工藝條件或裝置方面，開展更深入的研究工作，以提高粉碎解離與渦輪式氣流分級聯合工藝對CWSFS的分級分離效果，從而為實現高、中、低炭組分的高效分離及分質高值化利用奠定良好基礎。