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(xué)技術(shù)局，山東 菏澤 274900）

結(jié)合當前城市的發(fā)展，通過煤化工行業(yè)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(jīng)濟的發(fā)展。不過在對煤炭進行轉(zhuǎn)化利用中，會出現(xiàn)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(jié)合科學(xué)技術(shù)的不斷進步，社會中越來越多的學(xué)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(chǎn)工藝和原煤特性的差異性，碳灰分離的效果不穩(wěn)定。因此有必要對細灰浮選試驗的機理進行分析。

1 常規(guī)浮選缺陷

通過常規(guī)浮選方式的應(yīng)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(jīng)過氣化后，大部分有機物質(zhì)會轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，在此過程會有一些不具備可燃能力的礦物質(zhì)在細灰中富集、熔融和轉(zhuǎn)化，結(jié)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(chǎn)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(zhì)表面的親水性，降低捕收效果；第二，細灰普遍孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)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(yè)的氣化細灰為試驗樣品，該樣品是在煤制備烯烴產(chǎn)品中，采用水煤漿GE 氣化工藝產(chǎn)出的，具體氣化細灰產(chǎn)量為145 m3/h。具體性質(zhì)有以下幾點：第一，通過對工業(yè)分析、元素分析和發(fā)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(fā)分產(chǎn)率低的特點，同時全水含量較高，有著一定的熱值；第二，結(jié)合煤炭篩分試驗的方法，對樣品的顆粒度進行分析，具體結(jié)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(chǎn)品污染問題；第三，在該樣品的細灰碳含量測定中，需要結(jié)合相關(guān)碳、氫測定方法，通過一定量氣化細灰的充分燃燒，將產(chǎn)出的CO2用吸收劑吸收，結(jié)合吸收劑的質(zhì)量變化計算煤中碳質(zhì)分數(shù)[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(dǎo)電膠帶上，然后通過SEM 進行檢測，需要對SEM 進行工作參數(shù)設(shè)定，具體為0.1 nA 的電子束電流和15 kV 的加速電壓。結(jié)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(shù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分數(shù)，在EDS 的工作參數(shù)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(zhì)組成，需要通過X 射線衍射儀進行分析，在設(shè)備運行參數(shù)設(shè)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(fā)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)成分測定

在測定樣品中的無機化學(xué)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(xué)組成進行有效測定。在設(shè)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(jié)果討論

4.1 表觀形貌與微區(qū)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(guī)則絮狀無機顆粒和不定型多孔網(wǎng)狀炭顆粒。需要注意的是，各顆粒之間相互夾雜，會出現(xiàn)大網(wǎng)狀顆粒鑲嵌不規(guī)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(jié)合EDS 結(jié)果，在玻璃態(tài)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(xué)成分分析與礦物組成

首先在樣品氣化細灰的化學(xué)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(jié)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(tài)玻璃相殘渣未實現(xiàn)高溫氣化而直接進入水室導(dǎo)致。結(jié)合樣品氣化細灰的表現(xiàn)外貌，可以獲知球狀顆粒為硅酸鹽顆粒（玻璃態(tài)）和石英顆粒（玻璃態(tài)）、大的多孔網(wǎng)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(jié)構(gòu)

在繪制氮氣吸－脫附等溫曲線后，可以發(fā)現(xiàn)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(jié)合IUPAC 進行分類，可以細分為Ⅳ型等溫線，進而可以結(jié)合等溫線、遲滯回線的形狀對樣品的孔隙形態(tài)進行判斷。經(jīng)過研究，樣品細灰由層狀結(jié)構(gòu)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(yīng)用下，也對氣化細灰比表面積和空隙結(jié)構(gòu)進行了表征，經(jīng)研究樣品氣化細灰孔徑較小且中微孔數(shù)量較多，有著大孔坍塌和合并的現(xiàn)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(guī)律

結(jié)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(jīng)燃燒分解和與反應(yīng)后生成，一般殘?zhí)剂枯^高，大約在21%～50%之間，殘?zhí)剂康母叩秃徒Y(jié)構(gòu)形式容易受到很多因素的影響。結(jié)合對細灰樣品中的碳分布規(guī)律進行測定，結(jié)合可以參考圖2 所示。結(jié)合圖2，隨著粒度從1～0.045 mm 的逐漸降低，顆粒產(chǎn)率有著先增長后降低的趨勢，且隨著細灰粒度的持續(xù)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(jié)合碳灰分布規(guī)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(zhì)量分數(shù)）和54.3%產(chǎn)率的高碳細灰產(chǎn)品，有著較好的應(yīng)用效果。

圖2 氣化細灰樣品中的碳分布規(guī)律

5 結(jié)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(yè)分析、元素分析和粒度分析，了解該樣品的基本性質(zhì)，然后采用具體的手段對氣化細灰中的表觀形貌、微區(qū)組成、化學(xué)成份、礦物組成以及樣品顆粒表面孔隙結(jié)構(gòu)進行了解，最終得出樣品細灰的分布規(guī)律。參考細灰的分布規(guī)律，隨著粒度從1～0.045 mm 的逐漸降低過程中，顆粒產(chǎn)率有著先增長后降低的趨勢，且隨著細灰粒度的持續(xù)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(jié)合氣化細灰的碳灰分布規(guī)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(yīng)用效果。