水煤浆气化细灰碳灰分布特性及其分离试验研究

杜 婧

（巨野县科学技术局，山东 菏泽 274900）

结合当前城市的发展，通过煤化工行业可以有效缓解我国天然气和石油对外的依赖度，可以促进社会经济的发展。不过在对煤炭进行转化利用中，会出现大量的气化细灰，有着持水性强、具有一定热值和残余碳含量高的问题，在直接利用和处理上的工作难度较高。当前对气化细灰的处理方式主要为露天堆放，存在着资源的浪费问题，结合科学技术的不断进步，社会中越来越多的学者便开始针对气化细灰的特性进行了碳灰分离的实验研究，受到气化细灰颗粒分布、生产工艺和原煤特性的差异性，碳灰分离的效果不稳定。因此有必要对细灰浮选试验的机理进行分析。

1 常规浮选缺陷

通过常规浮选方式的应用，气化细灰的碳灰分离效果较差，具体原因有以下几点：第一，当原煤经过气化后，大部分有机物质会转变为气体，在此过程会有一些不具备可燃能力的矿物质在细灰中富集、熔融和转化，结合捕收剂容易和矿物表面接触的特点，在相互作用中仅能产生物理吸附的作用，在捕收剂和矿物颗粒的贴合下，会增大矿物质表面的亲水性，降低捕收效果；第二，细灰普遍孔隙结构较为发达，因此在孔容积大和比表面积大下，会大量吸入浮选药剂跟水分，因此颗粒表面有着亲水性无法有效上浮，而且还会增加药剂的损耗。为了提高针对气化细灰的碳灰分离效果，下面将粒度分级的方法进行研究[1]。

2 试验样品准备

以某能源化工企业的气化细灰为试验样品，该样品是在煤制备烯烃产品中，采用水煤浆GE 气化工艺产出的，具体气化细灰产量为145 m3/h。具体性质有以下几点：第一，通过对工业分析、元素分析和发热量的分析，得知该样品中的灰分、固定碳含量较高且有着挥发分产率低的特点，同时全水含量较高，有着一定的热值；第二，结合煤炭筛分试验的方法，对样品的颗粒度进行分析，具体结果可以参考表1。在表1 中，随着颗粒度的降低，样品中的灰分比例不断提高，其组成的主要部分为高灰细泥。需要注意的是，浮选过程中可能会因为低颗粒级的夹带造成一定的产品污染问题；第三，在该样品的细灰碳含量测定中，需要结合相关碳、氢测定方法，通过一定量气化细灰的充分燃烧，将产出的CO2用吸收剂吸收，结合吸收剂的质量变化计算煤中碳质分数[2]。

表1 气化细灰样品的粒度组成

3 试验组成分析

3.1 扫描电镜与能谱分析

扫描电镜与能谱（SEM－EDS）分析法，在将样品进行干燥处理后贴于导电胶带上，然后通过SEM 进行检测，需要对SEM 进行工作参数设定，具体为0.1 nA 的电子束电流和15 kV 的加速电压。结合EDS而言，用于元素的半定量分析，通过ES Vision 软件得到EDS 光谱，同时借助薄箔法将元素的X 射线计数转换为质量分数，在EDS 的工作参数中，具体为10 mm的工作距离、15 kV 的电压和2 nA 的束电流[3]。

3.2 矿物组成分析

针对原煤和灰渣的矿物质组成，需要通过X 射线衍射仪进行分析，在设备运行参数设置中，具体有以下几点：Cu 靶辐射、电流40 mA、电压40 kV、扫描范围5°～90°、发射狭缝1 mm、步距0.1°、接收狭缝0.2 mm。

3.3 氮吸附等温曲线与孔结构分析

为了解气化细灰样品中的颗粒孔隙及分布，需要借助全自动比表面和孔隙度分析仪（BET）进行应用，在检测中需要确保样品的干燥，具体方法为测定样品在120 ℃下对N2的吸附和脱附情况，从而获知孔隙信息。

3.4 无机化学成分测定

在测定样品中的无机化学成分时，需要将煤样进行研磨，具体粒度要求为＜0.074 mm，在将煤粉压片后借助荧光光谱（XRF）对气化细灰的无机化学组成进行有效测定。在设备运行中，需要控制X 射线管压为60 kV、X 射线电流为150 mA。

4 试验结果讨论

4.1 表观形貌与微区组成

在样品气化细灰中，即存在不同形貌的无机颗粒，也存在较多的独立炭颗粒，具体可以分为不规则絮状无机颗粒和不定型多孔网状炭颗粒。需要注意的是，各颗粒之间相互夹杂，会出现大网状颗粒镶嵌不规则絮状颗粒和圆球状小颗粒，且两种颗粒都有独立存在的部分。结合EDS 结果，在玻璃态圆球颗粒表面附着有大量碳元素下，不容易通过浮选进行碳灰分离。

4.2 化学成分分析与矿物组成

首先在样品气化细灰的化学成分分析中，通过XRD 谱图可以显示样品中主要晶相为石英相和少量的氧化钙，结合谱图中的鼓包峰特征可以判断，样品中还含有大量的非晶相（玻璃相），主要由熔融态玻璃相残渣未实现高温气化而直接进入水室导致。结合样品气化细灰的表现外貌，可以获知球状颗粒为硅酸盐颗粒（玻璃态）和石英颗粒（玻璃态）、大的多孔网状颗粒为气化细灰未充分燃烧的碳颗粒和焦炭颗粒；其次，在样品的矿物组成中，具体可以参考图1。

图1 气化细灰样品中的无机组分

4.3 氮吸附等温曲线与孔结构

在绘制氮气吸－脱附等温曲线后，可以发现等温吸附曲线和脱附曲线存在差异，有着明显的迟滞曲线存在，结合IUPAC 进行分类，可以细分为Ⅳ型等温线，进而可以结合等温线、迟滞回线的形状对样品的孔隙形态进行判断。经过研究，样品细灰由层状结构的孔跟片状粒子堆积的狭缝孔组成。此外，在N2等温吸附法的应用下，也对气化细灰比表面积和空隙结构进行了表征，经研究样品气化细灰孔径较小且中微孔数量较多，有着大孔坍塌和合并的现象，不利于细灰的浮选，在颗粒表面亲水且不易上浮下，会加大药剂消耗量。

4.4 气化细灰碳分布规律

结合气化细灰的生成，是制浆用煤在气化炉≥1 300 ℃的高温条件下，在历经燃烧分解和与反应后生成，一般残碳量较高，大约在21%～50%之间，残碳量的高低和结构形式容易受到很多因素的影响。结合对细灰样品中的碳分布规律进行测定，结合可以参考图2 所示。结合图2，随着粒度从1～0.045 mm 的逐渐降低，颗粒产率有着先增长后降低的趋势，且随着细灰粒度的持续减低，细灰颗粒中的碳含量有着先缓慢降低后迅速降低的趋势，分界线为粒径0.25～0.15 mm。结合碳灰分布规律，可以选择物理分级的方法进行初步碳富集，在分级粒度为0.1 mm 时，可得到79.23%碳含量（质量分数）和54.3%产率的高碳细灰产品，有着较好的应用效果。

图2 气化细灰样品中的碳分布规律

5 结语

在对气化细灰样品的碳灰分离进行研究中，需要先进行工业分析、元素分析和粒度分析，了解该样品的基本性质，然后采用具体的手段对气化细灰中的表观形貌、微区组成、化学成份、矿物组成以及样品颗粒表面孔隙结构进行了解，最终得出样品细灰的分布规律。参考细灰的分布规律，随着粒度从1～0.045 mm 的逐渐降低过程中，颗粒产率有着先增长后降低的趋势，且随着细灰粒度的持续减低，细灰颗粒中的碳含量有着先缓慢降低后迅速降低的趋势，因此可以结合气化细灰的碳灰分布规律，选择物理分级的方法对样品气化细灰进行初步碳分离，且有着较高的应用效果。