煤粉细度对提锗旋涡炉燃烧及飞灰锗品位的影响

王俊清，刘树强，刘洪峰

（1.国家能源集团平庄煤业蒙东能源蒙东锗业科技有限公司锗冶炼厂，内蒙古 锡林浩特 026000；2.国家能源集团平庄煤业集团公司，内蒙古 赤峰 024000）

1 概述

锗元素是一种非常重要的半导体材料，被广泛应用于红外、光纤、催化剂、医药、视频等领域，其年度消费量是衡量一个国家科技水平的重要标准[1，2]。目前锗的提取方法主要是通过火法从含锗褐煤中将锗以二氧化锗的形式提取出来，含锗褐煤中锗以有机化合物，即锗的腐植酸盐的形式存在，含锗褐煤燃烧后，二氧化锗富集在飞灰中，进而使用化学方法将飞灰中的二氧化锗分离出来[3]，因此含锗煤炭的燃烧则成为影响飞灰中含锗量的关键因素。

目前用于燃烧含锗煤炭从而提锗的锅炉主要是液态排渣旋涡炉，此炉型是在旋风炉基础上发展起来的新炉型[3]，依靠煤粉自身的重力落入炉膛中进行燃烧，整个锅炉依次分为：燃烧室、捕渣管、二次室、尾部烟道等，此种燃烧方式的主要影响因素为煤粉的细度。

本文将分析煤粉细度对提锗旋涡炉的燃烧和飞灰中锗品位的影响，找到最利于提锗的煤粉细度。

2 试验方法

以某公司1台75t/h的液态排渣旋涡炉为研究对象，通过调整粗粉分离器挡板的角度从而调整进入旋涡炉的煤粉细度，之后对旋涡炉的燃烧情况和飞灰中的锗品位进行测试。

2.1 试验煤种

本次试验使用煤种为褐煤，干燥无灰基挥发分为33.74%，按照工程煤粉细度确定公式]，其中 ：K为系数，对于Vdaf大于25%的煤质，K=4；n未煤粉均匀性指数，取为1；燃烧此煤种的推荐煤粉细度为R90=20.87。

实验开始前，需要有足够的原煤，保持整个实验过程煤质不发生变化。

2.2 粗粉分离器

本次试验的粗粉分离器型号为：HW-CB-III轴向串联型，挡板调节角度范围为0°～90°，为保证旋涡炉正常燃烧需粉量，同时不出现回粉量过大而导致的磨煤机内部流动阻力超标的情况，控制粗粉分离器挡板开度从30°～90°变化。

2.3 测试内容

2.3.1 煤粉细度

试验时，调整粗粉分离器挡板角度，待旋涡炉稳定1h后，收集进入旋涡炉的煤粉，进行细度测试。

2.3.2 燃烧情况

旋涡炉燃烧稳定后，对旋涡炉的燃烧情况进行测试和观察，主要包括：旋涡炉燃烧室的温度、飞灰含碳量、烟气内CO的含量、过热器减温水等。

2.3.3 飞灰锗品位

收集不同粗粉分离器挡板开度下旋涡炉燃烧产生的飞灰，使用二氧化锗中锗量的标准测试方法对费灰中二氧化锗的含量进行测试。具体方法为：将含二氧化锗的飞灰在高锰酸钾作用下用盐酸蒸馏，将锗以四氯化锗的形式馏出，经次亚磷酸钙将四价锗还原为二价，以KIO3-KI标液滴定。

使用的试剂主要有：高锰酸钾、次亚磷酸钙、盐酸、碳酸氢钠、淀粉溶液、氢溴酸、KIO3、KI等。

3 试验结果

试验过程中，将粗粉分离器挡板开度调整完成后维持1h，之后进行试验数据的测试和样品的收集，整个单工况试验维持2h，之后对粗粉分离器挡板进行变化重复试验内容。整个实验过程维持旋涡炉负荷为70t/h不变。

3.1 燃烧室温度

燃烧室温度随煤粉细度的变化如图1所示。根据试验结果发现：随着粗粉分离器挡板角度的增大，燃烧室温度呈现逐渐下降的趋势。从30°时的1550℃降低至90°时的1535℃，主要是因为随着粗粉分离器挡板角度的增加，煤粉细度逐渐增大，燃烧室内煤粉的燃烧过程延长，部分燃烧过程进入旋涡炉中后部进行，从而导致燃烧室温度降低。

图1 燃烧室温度随粗粉分离器挡板角度变化趋势

3.2 减温水量

如图2所示，随着粗粉分离器挡板角度的增大，过热蒸汽减温水量逐渐上升，但是波动范围不是很大，主要是因为煤粉细度的变大导致旋涡炉整体火焰中心后移，过热器的对流吸热量增大，进而导致过热蒸汽减温水量上升。

图2 减温水量随粗粉分离器挡板角度变化趋势

3.3 飞灰含碳量

粗粉分离器挡板角度增加导致进入旋涡炉燃烧室的煤粉细度变大，煤粉的燃烧过程延长，部分煤粉不能在燃烧室内充分燃烧，而烟气在旋涡炉燃烧室及二次室内的停留之间在4s～6s之间，未燃烧的煤粉势必会随烟气排出炉外，导致飞灰含碳量上升，如图3（a）所示。烟气中CO的含量同时存在相同的现象，如图3（b）所示。

图3 飞灰含碳量

3.4 排烟温度

图4为排烟温度随粗粉分离器挡板角度变化趋势。从图中可以看出排烟温度的趋势和过热蒸汽减温水的趋势相同，主要原因在于煤粉细度的增大导致火焰中心后移造成的。

图4 排烟温度随粗粉分离器挡板角度变化趋势

3.5 飞灰锗品位

随着粗粉分离器挡板角度的增大，飞灰锗品位出现先增大后减小的趋势如图5所示。分析原因如下：

褐煤中锗主要存在于煤的碳质部分，而不是在灰渣中。煤粉粒径过粗导致燃烧不完全，未燃尽煤粉核心部分的锗元素未挥发出来，导致收集到飞灰中能够检测到的锗含量下降；煤粉过细会造成煤粉在燃烧过程中形成细微的悬浮熔滴，不容易被离心力抛到炉壁上或撞击到捕渣管上，冷凝后进入烟尘，从而使飞灰量上升，进而使飞灰中的锗品位下降，为后续着提纯工序带来困难。

图5 飞灰锗品味随粗粉分离器挡板角度变化趋势

综上所述，粗粉分离器挡板角度对旋涡炉的燃烧和飞灰锗品位的影响是较为明显的，挡板角度的大小直接影响到燃烧室温度、排烟温度、减温水量和飞灰锗品位的参数。由于液态排渣旋涡炉主要的产物为含有锗元素的飞灰，因此需要在保证旋涡炉正常燃烧的基础上尽可能提高飞灰中的锗品位，所以应控制煤粉细度R90在36%左右，此时粗粉分离器挡板开度为60°。

4 结论

根据本次试验研究得出如下结论：

（1）煤粉细度直接影响到液态排渣旋涡炉所产飞灰中的锗品位。

（2）为保证液态排渣旋涡炉正常运行，不会出现制粉系统阻力增大，从而出现危险事故，应控制粗粉分离器挡板角度不应小于30°。

（3）为保证较高的飞灰锗品位，粗粉分离器挡板角度应位于60°左右。