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西安交通大学王学斌教授：煤气化细渣预热脱碳工艺燃烧特性研究

时间：2021-10-19 来源：浏览：

西安交通大学王学斌教授：煤气化细渣预热脱碳工艺燃烧特性研究

原创史兆臣，王学斌洁净煤技术

洁净煤技术

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现代煤化工是煤炭清洁高效利用的有效途径，近年来在国家财税鼓励和政策支持下煤化工产业得到迅速发展。煤气化技术是现代煤化工的前段支柱，气化工艺产生了大量气化粗渣和气化细渣。气化粗渣从炉底直接排出，与锅炉灰渣成分相似，含碳量低，可作为道路建材的掺混原料或做回填处理；气化细渣因含碳量高、烧失量大，不符合建筑掺混原料国家标准和行业标准，难以直接用于建筑、道路工程，缺乏有效的规模化消纳方式。 高含碳的气化细渣造成严重的资源浪费，占用大量土地资源，扬尘造成大气污染且长时间堆置或填埋后渗滤液还会污染土壤和水体 。采用合理有效方式规模化消纳气化细渣，可减轻其对环境的影响，同时回收利用其中的能源，从而保障煤化工企业可持续发展。

近年来 西安交通大学王学斌教授 致力于 低挥发分、低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置的预热脱碳工艺研发 ，针对该 预热脱碳技术 ，利用热重试验平台进行恒温热重试验模拟该技术的物料预热和燃烧过程，以 对比分析不同预热温度、不同燃烧气氛下气化细渣的燃烧特性 ；通过粒径分级后气化细渣特性分析发现， 不同粒度气化细渣的固定碳、灰分及微观形貌差异较大，气化细渣分级预热恒温热重试验有利于预热脱碳工艺机理的研究 ，可为低挥发分低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置规模化处理气化细渣提供理论指导。

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摘要

煤化工气化工艺会产生大量气化细渣，其含碳量高、烧失量大，不符合建筑掺混原料国家标准和行业标准，产量巨大的气化细渣因缺乏有效的规模化消纳方式，成为现阶段制约煤化工企业可持续发展的重要因素。通过 对一种低挥发分低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置的预热脱碳工艺进行机理研究 ，利用热重试验平台进行恒温热重试验， 对低挥发分、低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置内部燃烧过程进行模拟，以对比分析不同预热温度、不同燃烧气氛下粒径分级气化细渣的燃烧特性 。研究发现，通入氧气后，气化细渣样品迅速发生氧化反应， 900 ℃ 、 10% O ₂ 下燃尽时间在 6.6 ～ 9.4 min ， 900 ℃ 、 21% O ₂ 下燃尽时间在 3.7 ～ 5.6 min ，因此 在保证 NO _x 排放量在规定范围的条件下，可适当提高窑内燃烧区氧浓度以缩短燃尽时间 。随预热温度的升高，同粒度分级的气化细渣样品的平均质量变化速率增大，燃尽时间缩短， 预热温度的提高可改善气化细渣的燃尽特性 ，在设备安全运行下可适当提高燃烧区温度以更快燃尽。不同燃烧气氛、不同预热温度下，随气化细渣粒度增大，失重量增大，燃尽时间延长，平均质量变化速率递减，该 “ 预热 - 脱碳装置 ” 可根据物料粒度合理调整物料停留时间实现充分燃尽。

1 试验

（ 1 ）气化细渣燃料特性

试验样品选用陕西延长中煤榆林能源化工有限公司的气化细渣，筛分后将样品分为 <45 、 45 ～ 125 、 125 ～ 250 、 250 ～ 500 、 >500 μm 共 5 级。

利用 Gemini SEM 500 型场发射扫描电子显微镜观察气化细渣的微观形貌。由图可以发现， 不同粒度的气化细渣均存在多孔不规则状颗粒和球形微颗粒，多孔不规则状颗粒主要是气化过程中煤焦发生膨胀和破碎形成的焦炭颗粒 ；球形微颗粒是气化过程高温环境使原料煤中的硅铝氧化物等熔融形成，粒度 <45 μm 气化细渣含有大量球形微颗粒，因而 灰分较高 ；随着粒度增大，更多的焦炭被包裹在多孔不规则状颗粒内部而未充分气化，因而 固定碳随粒度增大呈增加趋势 。

图 1 气化细渣的微观形貌

（ 2 ）试验方法

为探究不同粒度气化细渣在不同预热温度、不同氧气浓度条件下的燃烧特性，选取分级后产率较大且固定碳较高的 45 ～ 125 、 125 ～ 250 、 250 ～ 500 μm 三种粒度样品；采用 Netzsch STA-409PC 型热重分析仪进行分析，温度范围：室温～ 1 100 ℃ ，样品质量 (10±0.5)mg 。在无氧环境 (N ₂ 气氛保护 ) 、升温速率 20 K/min 下 充分预热后，达到恒温段进行氧化脱碳 ，预热温度选取 700 、 800 、 900 、 1 000 ℃ ；样品达到恒温段稳定 10 min 后从保护气氛切换到燃烧气氛，直至样品恒重，燃烧气氛为 20% O ₂ -80% N ₂ 混合模拟空气气氛、 10% O ₂ -90% N ₂ 混合模拟缺氧气氛，恒温热重试验过程示意如图所示。

图 2 恒温热重试验过程示意

2 试验结果与分析

（ 1 ）不同燃烧气氛下的燃烧特性

卧式转窑低挥发分、低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置燃烧区实际运行温度在 900 ℃ 左右，综合考虑气化细渣粒径分级后的产率和固定碳，选取 900 ℃ 预热温度下 45 ～ 125 、 125 ～ 250 、 250 ～ 500 μm 粒度 3 种样品在氧气浓度 10% 和 21% 下进行气化细渣燃烧特性试验， TG 和 DTG 曲线如图所示。

图 3 不同燃烧气氛下气化细渣分级预热氧化反应的 TG 和 DTG 曲线

由图可见， 3 组粒度气化细渣样品曲线均存在明显的 “ 转折点 ” ，即开始失重和失重结束，且只有一个失重阶梯 。从恒温温度至通入氧气 (50 ～ 54 min) 阶段，样品质量未发生明显变化，为恒温稳定段；从通入氧气开始，气化细渣样品中的焦炭在高温下迅速发生氧化反应，同一粒度气化细渣样品在不同氧浓度下失重曲线斜率存在明显差异，但失重曲线基本呈线性变化，只有燃烧后期的燃烧速率下降。可以看出， 随燃烧气氛中氧浓度的增大，同一粒度分级的气化细渣样品的平均质量速率增大，燃尽时间缩短，高氧浓度明显缩短了气化细渣样品中焦炭的燃尽过程 ，使气化细渣在一定时间内可更充分燃尽。对比不同粒度级气化细渣样品发现， 随着粒度增大，样品失重量增大、燃尽时间延长，说明大颗粒中含碳量更高，且其中的焦炭完全反应所需窑内停留时间更长 。不同燃烧气氛下气化细渣颗粒燃尽时间的确定为卧式转窑低挥发分、低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置中物料停留时间的确定提供了依据。

（ 2 ）不同预热温度下的燃烧特性

卧式转窑低挥发分、低热值燃料在恒温预热 - 脱碳装置燃烧区的 O ₂ 含量在 10% ，综合考虑气化细渣粒径分级后产率和固定碳，选取燃烧气氛为 10% O ₂ 下 45 ～ 125 、 125 ～ 250 、 250 ～ 500 μm 样品，在预热温度 700 、 800 、 900 、 1 000 ℃ 下进行气化细渣燃烧特性试验，其 TG 和 DTG 曲线如图所示。

图 4 不同预热温度下气化细渣分级预热氧化反应的 TG 和 DTG 曲线

由图可以看出，同粒度气化细渣样品在不同预热温度下燃尽后的剩余灰重占比基本保持不变；随着温度升高，同粒度气化细渣样品的最大质量变化速率增大，且较高温度 (1 000 ℃) 时增大明显，表明 提高预热温度能够使气化细渣的燃尽特性得到明显改善 。

（ 3 ）煤燃烧特性对比

卧式转窑低挥发分、低热值燃料恒温预热 - 脱碳装置燃烧区温度在 850 ～ 900 ℃ ，燃烧气氛氧浓度在 10% 左右，综合考虑气化细渣粒径分级后产率和固定碳，选取预热温度为 900 ℃ ，燃烧气氛为 10% O ₂ ， 125 ～ 250 μm 气化细渣样品 (XZ) 与褐煤 (HM) 、无烟煤 (WYM) 、烟煤 (YM) 进行对比试验， TG 和 DTG 曲线如图所示。

图 5 气化细渣与褐煤、无烟煤、烟煤预热氧化反应的 TG 和 DTG 曲线

由图可知， 气化细渣中空干基挥发分极低，与无烟煤相似，在恒温稳定段的失重起点相近 ；烟煤与褐煤挥发分较高，因此失重起点较前 2 者下移。因预热段预热温度达 900 ℃ ，煤样中挥发分几乎全部析出， DTG 曲线表示焦炭质量变化速率，与 3 种煤样相比， 气化细渣样品质量变化速率较大，认为在气化过程中气化细渣中的焦炭颗粒孔隙结构发育较好，因此在相同预热温度、相同燃烧氧浓度下更易发生反应 。

3 结论

1) 通入 O ₂ 后，气化细渣样品迅速发生氧化反应， 900 ℃ 、 10% O ₂ 下的燃尽时间在 6.6 ～ 9.4 min ； 900 ℃ 、 21% O ₂ 下的燃尽时间在 3.7 ～ 5.6 min ， NO _x 排放量在规定范围时， 可适当提高窑内燃烧区氧浓度以缩短燃尽时间 。

2) 随预热温度的升高，同粒度的气化细渣样品平均质量变化速率增大，燃尽时间缩短 ，预热温度的升高可改善气化细渣的燃尽特性，使气化细渣在一定时间内能更充分燃尽， 在设备安全运行下可适当提高窑内燃烧区温度以更快燃尽 。

3) 不同燃烧气氛、不同预热温度下，随气化细渣粒度增大，失重量增大，燃尽时间延长，平均质量变化速率递减 。因此，本文提出的 “ 预热 - 脱碳装置 ” 可根据物料粒度合理调整物料停留时间，以实现充分燃尽。

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引用格式

史兆臣，王贵山，王学斌，等 . 煤气化细渣预热脱碳工艺燃烧特性研究 [J]. 洁净煤技术， 2021,27(4):105-110.

SHI Zhaochen ， WANG Guishan ， WANG Xuebin,et al.Study on combustion characteristics of preheating decarburization process for fine slag in coal gasification[J].Clean Coal Technology , 2021,27(4):105-110.