德士古煤气化渣工艺生产研究

高玫香，白 倩，王建友，苏 华

(1.榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000；2.神木职业技术学院，陕西 神木 719300；3.榆林市榆神工业园区能源科技发展有限公司，陕西 榆林 719302；4.江苏衡谱分析检测技术有限公司 ，江苏 南京 210046))

煤气化废渣通常是指在高温的条件下，在燃烧炉通入O、水蒸气 或H等气化剂，经过多种化学反应使煤或煤焦生成合成气，同时产生废渣的过程。在整个气化的过程中，煤经过燃烧、气化等热转化，使得煤炭中的矿物质和其他成分先后产生物理和化学反应，如破裂、团聚和熔融等，最终与部分未参与反应的煤或煤焦形成灰渣。目前，我国煤气化渣工艺处理在不断完善和改进，但还是存在处理效率不高的问题。因此，从整个角度看，加强对煤气化渣工艺的处理，是当前技术改造的一个热点，但也是一个难点。针对煤气化渣工艺中，有学者提出将煤气化渣结合酸处理与 CO活化制成活性炭吸附剂，并对对二甲苯进行吸附，结果表明，该吸附过程存在离子和电子交换，同时可提高煤气化渣的转化率；陕西融泰能源控股有限公司利用提纯技术对煤气化炉渣进行处理，实现了精煤的提纯，大大降低了煤渣的产生。德士古煤气废渣采用高压气化工艺，使煤完全分解，其废渣中几乎不含焦油和酚、氰化物，具有明显的环保优势。同时燃烧后的废渣用作建筑掺和料，是优质的水泥或混凝土填加料，也是泡沬玻璃等建筑材料的优质原料。因此，本研究对德士古煤气化渣工艺进行探讨，以此期望更好地促进公司煤气化渣工艺的进步。

1 煤气废渣形成原理及德古士煤气废渣的特点

煤气废渣形成的原理可用图1示意。在图1中，通过氧化、还原、气化等一系列反应，最终得到灰渣。

图1 煤气废渣形成原理Fig.1 Formation principle of coal gasification slag

研究认为，煤气废渣的化学组成与废渣形成中用到的助熔剂类型和引入量等有很大关系。同时废渣的主要成分包含SiO、AlO、CaO、FeO和残碳等。

取样陕西榆林凯越煤化工有限责任公司的气化渣，并对其进行分析测定，得到该企业气化渣的粗渣、细渣、浮选炭、细渣灰的相关物理特性，具体见表1所示。

表1 比表面积、孔径分布Tab.1 Specific surface area and aperture distribution

通过表1看出，细渣密度为0.5 g/mL，同时1 000 g 细渣可浮选 60 g碳。由此说明，得到的细渣孔径丰富、吸附性能优越，可做吸附材料。

为对比不同企业细渣的差异，分析榆林能化、榆林煤化、榆林凯越和兖矿榆林甲醇厂4家企业的细渣在碳含量、孔径和比表面积上的差异，结果如表2所示。

表2 不同企业细渣的比表面积、孔径分布等物理特性的对比Tab.2 Comparison of specific surface area,aperture distribution and other physical characteristics of fine slag in different enterprises

由表2可以看出，不同企业的气化细渣物理特性差异各不相同，其中在碳含量方面，相差都不大；在比表面积和孔结构方面，差异相对较大。由此可以说明细渣受原料煤、气化条件的影响较大。同时比表面积受细渣研磨和混合不均匀的影响，导致数据也存在一定差异。

2 德士古煤气化渣工艺主要组成部分

目前，德士古煤气化渣工艺常用的技术包括制浆系统回收利用技术、合成气系统回收利用技术、烧嘴冷却系统回收利用技术、锁斗系统回收利用技术与闪蒸及水处理系统等。

2.1 制浆系统

制浆系统用于制备煤水浆料。在该阶段中，将煤、水和添加剂加入到气化炉中，具体如图2示意。

图2 Texaco制浆系统示意图Fig.2 Recovery diagram of Texaco pulping system

在图2的过程中，水煤浆伴随着高温和复杂的化学反应，最后通过CO、H等方式排出。煤渣则以液态煤渣等方式排出。

2.2 合成气系统

煤水浆通过高压煤浆泵加压，然后经 Texaco 燃烧器与高压氧混合，最终以雾状向燃气化装置的燃烧室喷雾。在这个过程中产生复杂的化学反应，其产生的煤气(又称为合成气体)通过冷却装置冷却，进入碳塔进行洗涤，最后凝固和排出，以上过程可用图3示意如下。

图3 合成气系统示意图Fig.3 Recovery diagram of syngas system

2.3 烧嘴冷却系统

烧嘴冷却系统是一个混合式的设备，用于气化过程中产生混合气体。烧嘴一般运行在1 350 ℃ 的高温中，为了避免烧嘴损坏，一般会在烧嘴安装冷却水盘管和喷头。烧嘴冷却水当中的水经过泵加压之后，经过冷却水系统进行换热后，进入到水盘管中再进行冷却降温，最后经过换热升温进入烧嘴冷却水的分离罐，进而分理处混合气体。最后依靠重力再次流入烧嘴的冷却水槽内进行循环分离。

2.4 锁斗系统

在收渣阶段，通过锁斗安全阀及收渣阀进入锁斗内部。锁斗系统由渣罐、渣锁阀、排渣阀、降落伞罐组成，其中排渣阀一般由一个排渣阀和两个锁渣阀。回收渣时，需要加压渣箱。当渣箱的压力接近气化装置时，打开渣锁阀门；回渣后，关闭炉渣锁阀，释放炉渣箱的压力。待达到常压后，打开渣排出阀。

2.5 闪蒸及水处理系统

水回收处理主要有闪存蒸发和水处理系统。来自合成气碳洗塔和锁斗的黑水通过闪蒸被压缩和降温，从而部分转换为气体，部分转换为蒸汽。在这个过程中，一级高架冷却器中与高压灰水换热冷却，分离出的酸性气体送至蒸汽过热器，冷凝液流入灰水槽中循环使用。

2.6 德士古煤气化渣工艺的优化

基于以上的处理工艺方案，目前主要从氧碳比、有效气体含量、炉温以及排渣运行气化炉的措施等进行综合优化。其中，在德士古水煤浆气化运行中，研究认为氧∶碳=3∶1最为理想，可使得碳转化率达100%。但氧碳比越高，工艺的气体中 CH,含量变低，一氧化碳的含量就越低。因此，应综合气化炉考虑工业的生产中的氧碳比。

同时，研究认为不能单纯考虑氧碳比，应同时考虑有效气体含量、炉温以及排渣运行措施。如燃气化装置的重要参数是炉内温度，其主要通过热电偶温度测量法进行测量。在测定过程中，插入炉内的热电偶的尺寸也要不断变化，这是由于氧气和煤炭之间的比例是不固定的，热电偶的测量终点受到防尘罩的影响，从而影响温度的测定精度。

除以上因素优化外，部分企业在实际运行中进行还通过技术改造的方式进行，如神华宁煤为解决P-503泵流动波动和突然故障的问题，增加一个激冷水槽，具体如图4所示。

图4 激冷水槽Fig.4 Quench tank

图4中的LS部分为增加的激冷水槽，通过控制阀的控制，从而实现激冷水槽中水位的控制，并及时补偿P-503的水流量波动，得到减少故障的目的。

3 德士古煤气化渣工艺的特点及效果

3.1 特点——操作简易

该加压气化装置的负荷弹性大，工艺程序简单。由于在实际中可能因为负荷的急剧增减，所以其可以在短时间内对负荷进行调整。

3.2 效果——碳转化率高

在气化反应方面，其碳转化率通常可达95%以上。由于复杂的工艺导致难以确定工业生产的最佳值，但该操作工艺可根据煤炭质量、炉渣的水分浓度、炉渣的排放、气化装置、耐火砖等因素进行综合考虑和分析，以此给出最佳的气化反应参数。

4 结语

总之，在工业化大生产中，煤气化工艺发挥着重要的作用。通过分析，在德士古水煤气化中，得到了煤气废渣的主要组成成分为SiO、AlO、CaO、FeO等，同时得出由于工艺的不同，其得到的粒径分布、比表面积等也有所不同。但要提高煤气废渣的回收利用效率，提高碳转化率，还需要从氧碳比、有效气体含量、炉温以及排渣运行气化炉等不同的角度进行优化。