燃煤飞灰润湿性能实验研究

2021-10-19胡金余李增勃汪亚斌李文选

炼油与化工 2021年5期

胡金余，李增勃，汪亚斌，李文选

（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西西安 710075）

中国是目前世界上最大的煤炭生产和消费国，燃煤飞灰颗粒已经成为国内大气颗粒物的主要来源之一，煤燃烧1 t煤就会产生250~300 kg粉煤灰。大量粉煤灰进入大气会造成污染，且容易被人体吸入，严重危害人类健康。同时，这些细微颗粒物因为是诱发全球气候变化、烟雾事件和臭氧层破环等重大环境事件的重要因素［1］。

煤气化技术是现代煤化工的基础，是产生燃煤飞灰的原因之一。目前国内外气化技术众多，以固定床、移动床为主的气化技术，多以块煤和小颗粒煤为原料，装置规模、原料、耗能及环保的局限性较大；现阶段最具有代表性的流化床和气流床技术，存在焦油残留、甲烷含量偏高、碳转化率偏低及液态排渣等问题［2］。

目前延长石油（集团）碳氢高效利用技术研究中心研发的中试阶段的流化床技术，使得反应温度可以提升至1 200℃左右，解决了常规流化床气化中存在的问题，而且具有合成气产量高、质量好等技术特点。

该气化技术装置采用干法排灰，避免了黑水排放，减少了工业水的使用量。但是干法排灰所带来的燃煤飞灰颗粒污染问题同样严重影响着装置的稳定运行［3］。文中以该中试气化技术产生的飞灰为对象，通过最直观的方法，考察适宜的润湿剂；并通过激光粒度法，找出最适宜的溶剂浓度。

1 装置排灰方式

灰仓现有排灰方式为间歇排灰，排灰管线直径27 cm，长约10 m，底部安装散装机，在需要排灰时，先打开1道电磁插板阀下料，待料位下到一定程度后打开另1道手动插板阀，伸开灰仓下方的散装机将灰排至灰车内，在灰车车厢上用油布遮盖，实验期间产生的灰直接从灰仓排入灰车车厢中。

灰渣自上而下时有落差，产生向下的冲击力，卸灰时出现外扬，污染环境，对此进行实验研究。

2 实验部分

2.1 实验样品

该装置灰仓中的灰主要是投煤前的50~60目粗砂、70~140目细砂、45~600μm粗灰，25~50μm细灰组成。某次开车固体进料234.1 t，其中煤粉194.5 t，1段炉粗砂10.4 t，2段炉4.3 t，400-C细砂24.8 t，灰仓排灰累计155.78 t。分析数据见表1。

表1 实验样品灰渣工业分析数据

从表1可以看出，样品中灰分含量较高，主要组成为硅、铝等元素的氧化物，因此在选择润湿剂时选择偏碱性的溶剂。

2.2 实验仪器及溶剂

仪器：丹东百特仪器有限公司Bettersice 2000 LD激光粒度分析仪、昆山KQ-500E超声波清洗器、100 mL烧杯3个、玻璃棒3支、pH试纸

溶剂：水、家用洗涤剂、灰润湿剂、NaOH

2.3 实验原理

采取定性方法找出适宜的润湿剂，再通过对上部溶液中飞灰颗粒采取激光粒度分析，通过测定悬浮液中飞灰颗粒分布，间接研究燃煤飞灰在润湿剂中的润湿性能。悬浮液中颗粒含量越低、粒径越小说明有更多的颗粒被润湿、沉降，也表示飞灰颗粒在该润湿剂中的润湿性能越好［4］，进而找出适合溶解吸附的溶剂。

2.4 实验步骤

2.4.1 不同溶剂对灰润湿效果（1）首先直接选取水。用烧杯量取50 mL水，称取1.5 g样品，直接将样品缓慢倒入水中，超声振动5 min，发现样品悬浮在水中，沉降1 min，样品部分漂浮在水面和器壁上，部分沉淀在烧杯底部。通过观察得出，水不适合作为润湿灰渣的溶剂；（2）选取市场常见的洗涤剂。洗涤剂的主要组成是表面活性剂，而表面活性剂的吸附作用是洗涤的核心［5］。首先用烧杯量取50 mL水，加入3 g洗涤剂，用NaOH溶液中和，使pH在7~11之间，称取1.5 g样品，直接将样品缓慢倒入溶液中中，超声振动5 min，发现水中悬浮物较（1）中明显减少，但还是存在，沉降1 min，烧杯底部有少量沉淀，水面有少量漂浮物。通过观察，家用洗涤剂润湿效果比（1）好；（3）根据实验（1）（2），进一步选择南京大学提供的吸附功能好的表面活性剂，保证pH在7~11之间。在同样条件下做了对比实验，观察出溶剂与样品润湿效果好。

2.4.2 不同浓度润湿剂对灰润湿性能的影响将前期处理好的润湿剂分别配置成0.25%、0.5%、1%质量浓度，超声振动5 min，然后沉降3 min，此时部分飞灰被润湿沉降到容器底部，采用激光粒度分析仪测定上部溶液飞灰粒径见表2。

表2 不同浓度的溶剂下飞灰的粒径

由表2可知，润湿剂中悬浮颗粒的粒径比水中小得多，说明燃煤飞灰颗粒在润湿剂中具有更好的润湿性能。粒径D50逐渐减少，说明当溶剂浓度低于1%时，增大润湿剂浓度可促进飞灰颗粒的润湿。润湿剂浓度低于0.5%以下时，随着润湿剂浓度的增大润湿性能迅速增大；润湿剂浓度从0.5%增大到1%时，润湿性能随浓度增大变化不明显。