煤氣化細渣預熱脫碳工藝燃燒特性研究

史兆臣，王貴山，王學斌，陳永強，于 偉，苗延軍，彭永紅，譚厚章

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049；2.匯潮新能源科技有限公司，山東 煙臺 265400；3.中國化學賽鼎寧波工程有限公司，浙江 寧波 315048)

0 引 言

現(xiàn)代煤化工是煤炭清潔高效利用的有效途徑，近年來在國家財稅鼓勵和政策支持下煤化工產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工的前段支柱，氣化工藝產(chǎn)生了大量氣化粗渣和氣化細渣。氣化粗渣從爐底直接排出，與鍋爐灰渣成分相似，含碳量低，可作為道路建材的摻混原料或做回填處理；氣化細渣因含碳量高、燒失量大，不符合建筑摻混原料國家標準和行業(yè)標準[1]，難以直接用于建筑、道路工程，缺乏有效的規(guī)模化消納方式。高含碳的氣化細渣造成嚴重的資源浪費[2]，占用大量土地資源，揚塵造成大氣污染且長時間堆置或填埋后滲濾液還會污染土壤和水體[3-4]。采用合理有效方式規(guī)?；{氣化細渣，可減輕其對環(huán)境的影響，同時回收利用其中的能源，從而保障煤化工企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

氣化細渣含水量高、揮發(fā)分極低，能以低比例摻燒的方式進入爐膛燃燒[5]，但處理量相對較少，且長時間持續(xù)摻燒對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、鍋爐燃燒效率產(chǎn)生的負面影響有待驗證。預熱燃燒是低揮發(fā)分燃料實現(xiàn)穩(wěn)定著火及燃燒的有效途徑，全俄熱能工程研究所首次提出一種煤粉預熱燃燒新技術(shù)[6]，將煤粉預熱到約816 ℃后進行燃燒，保證了煤粉燃盡。中國科學院工程熱物理研究所提出一種循環(huán)流化床預熱耦合煤粉爐燃燒技術(shù)[7-11]，第1階段循環(huán)流化床對燃料點火和預熱，第2階段煤粉爐中可實現(xiàn)低揮發(fā)分燃料的穩(wěn)定、高效燃盡，且NOx低排放。Liu等[12]提出了一種燃氣燃煤預熱技術(shù)，研究表明，穩(wěn)定運行后，預燃室中煤的部分氧化可提供足夠的熱量維持預熱室溫度，只需少量燃氣以防止預熱室熄火，通過空氣分級和延長燃燒區(qū)停留時間，可有效降低NOx排放。Lyu和王帥等[13-14]利用兩級下降管式爐實現(xiàn)預熱-燃燒，研究了預熱溫度、停留時間及燃燒溫度等因素對燃盡及NOx排放的影響?，F(xiàn)有預熱燃燒技術(shù)難以實現(xiàn)高含水量、低揮發(fā)分氣化細渣的脫水-預熱-燃燒一體化規(guī)?；{。

近年來筆者團隊致力于低揮發(fā)分、低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置的預熱脫碳工藝研發(fā)，60萬t/a處理量的第1代裝置已于新疆甘泉堡穩(wěn)定運行2 a，對高含水量、低揮發(fā)分氣化細渣進行處理，處理后氣化細渣的含碳量符合建筑摻混原料國家標準和行業(yè)標準，實現(xiàn)了高水分和低熱值氣化灰渣的高效脫碳，證實了物料預熱燃燒脫碳技術(shù)的可行性，設(shè)備現(xiàn)場運行圖及設(shè)備工作流程如圖1、2所示。本文針對該預熱脫碳技術(shù)，利用熱重試驗平臺進行恒溫熱重試驗模擬該技術(shù)的物料預熱和燃燒過程，以對比分析不同預熱溫度、不同燃燒氣氛下氣化細渣的燃燒特性；通過粒徑分級后氣化細渣特性分析發(fā)現(xiàn)，不同粒度氣化細渣的固定碳、灰分及微觀形貌差異較大，氣化細渣分級預熱恒溫熱重試驗有利于預熱脫碳工藝機理的研究，可為低揮發(fā)分低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置規(guī)模化處理氣化細渣提供理論指導。

圖1 設(shè)備現(xiàn)場運行圖Fig.1 Site operation drawing of equipment

圖2 設(shè)備工作流程示意Fig.2 Equipment working diagram

1 試 驗

1.1 氣化細渣燃料特性

試驗樣品選用陜西延長中煤榆林能源化工有限公司的氣化細渣，篩分后將樣品分為<45、45～125、125～250、250～500、>500 μm共5級。不同粒度氣化細渣的工業(yè)分析見表1。

表1 不同粒度氣化細渣工業(yè)分析

由表1可知，不同粒度氣化細渣Vad<4.5%；粒度>45 μm的氣化細渣FCad高，甚至高達78.75%；粒度<45 μm的氣化細渣Aad高；全粒度氣化細渣樣品中FCad=47.80 %。

利用Gemini SEM 500 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察氣化細渣的微觀形貌，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同粒度的氣化細渣均存在多孔不規(guī)則狀顆粒和球形微顆粒，多孔不規(guī)則狀顆粒主要是氣化過程中煤焦發(fā)生膨脹和破碎形成的焦炭顆粒；球形微顆粒是氣化過程高溫環(huán)境使原料煤中的硅鋁氧化物等熔融形成[15]，粒度<45 μm氣化細渣含有大量球形微顆粒，因而灰分較高；隨著粒度增大，更多的焦炭被包裹在多孔不規(guī)則狀顆粒內(nèi)部而未充分氣化，因而固定碳隨粒度增大呈增加趨勢。

圖3 氣化細渣的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of gasification fine slags

1.2 試驗方法

為探究不同粒度氣化細渣在不同預熱溫度、不同氧氣濃度條件下的燃燒特性，選取分級后產(chǎn)率較大且固定碳較高的45～125、125～250、250～500 μm三種粒度樣品；采用Netzsch STA-409PC型熱重分析儀進行分析，溫度范圍：室溫～1 100 ℃，樣品質(zhì)量(10±0.5)mg。在無氧環(huán)境(N2氣氛保護)、升溫速率20 K/min下充分預熱后，達到恒溫段進行氧化脫碳，預熱溫度選取700、800、900、1 000 ℃；樣品達到恒溫段穩(wěn)定10 min后從保護氣氛切換到燃燒氣氛，直至樣品恒重，燃燒氣氛為20% O2-80% N2混合模擬空氣氣氛、10% O2-90% N2混合模擬缺氧氣氛，恒溫熱重試驗過程示意如圖4所示。

圖4 恒溫熱重試驗過程示意Fig.4 Concept diagram of thermostatic thermogravimetricexperiment

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同燃燒氣氛下的燃燒特性

臥式轉(zhuǎn)窯低揮發(fā)分、低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置燃燒區(qū)實際運行溫度在900 ℃左右，綜合考慮氣化細渣粒徑分級后的產(chǎn)率和固定碳，選取900 ℃預熱溫度下45～125、125～250、250～500 μm粒度3種樣品在氧氣濃度10%和21%下進行氣化細渣燃燒特性試驗，TG和DTG曲線如圖5所示。

圖5 不同燃燒氣氛下氣化細渣分級預熱氧化反應的TG和DTG曲線Fig.5 TG and DTG curves of fractional preheating oxidationreaction of gasified fine slag under different combustion atmospheres

由圖5可見，3組粒度氣化細渣樣品曲線均存在明顯的“轉(zhuǎn)折點”，即開始失重和失重結(jié)束，且只有一個失重階梯。從恒溫溫度至通入氧氣(50～54 min)階段，樣品質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，為恒溫穩(wěn)定段；從通入氧氣開始，氣化細渣樣品中的焦炭在高溫下迅速發(fā)生氧化反應，同一粒度氣化細渣樣品在不同氧濃度下失重曲線斜率存在明顯差異，但失重曲線基本呈線性變化，只有燃燒后期的燃燒速率下降。表2為不同燃燒氣氛下氣化細渣預熱氧化脫碳的失重量、燃燒時間和平均質(zhì)量變化速率。可以看出，隨燃燒氣氛中氧濃度的增大，同一粒度分級的氣化細渣樣品的平均質(zhì)量速率增大，燃盡時間縮短，高氧濃度明顯縮短了氣化細渣樣品中焦炭的燃盡過程，使氣化細渣在一定時間內(nèi)可更充分燃盡。對比不同粒度級氣化細渣樣品發(fā)現(xiàn)，隨著粒度增大，樣品失重量增大、燃盡時間延長，說明大顆粒中含碳量更高，且其中的焦炭完全反應所需窯內(nèi)停留時間更長。不同燃燒氣氛下氣化細渣顆粒燃盡時間的確定為臥式轉(zhuǎn)窯低揮發(fā)分、低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置中物料停留時間的確定提供了依據(jù)。

表2 不同燃燒氣氛下的氣化細渣分級預熱氧化反應的熱重參數(shù)變化

2.2 不同預熱溫度下的燃燒特性

臥式轉(zhuǎn)窯低揮發(fā)分、低熱值燃料在恒溫預熱-脫碳裝置燃燒區(qū)的O2含量在10%，綜合考慮氣化細渣粒徑分級后產(chǎn)率和固定碳，選取燃燒氣氛為10% O2下45～125、125～250、250～500 μm樣品，在預熱溫度700、800、900、1 000 ℃下進行氣化細渣燃燒特性試驗，其TG和DTG曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，同粒度氣化細渣樣品在不同預熱溫度下燃盡后的剩余灰重占比基本保持不變；隨著溫度升高，同粒度氣化細渣樣品的最大質(zhì)量變化速率增大，且較高溫度(1 000 ℃)時增大明顯，表明提高預熱溫度能夠使氣化細渣的燃盡特性得到明顯改善。

圖6 不同預熱溫度下氣化細渣分級預熱氧化反應的TG和DTG曲線Fig.6 TG and DTG curves of gasification fine slag grading preheating oxidation reactionat different preheating temperatures

表3為不同預熱溫下氣化細渣預熱氧化反應的熱重參數(shù)。

表3 不同預熱溫度下氣化細渣分級預熱氧化反應的熱重參數(shù)變化

從表3可以看出，隨著預熱溫度升高，同粒度的氣化細渣樣品平均質(zhì)量變化速率增大，燃盡時間縮短。250～500 μm氣化細渣樣品在700 ℃預熱時需9.9 min燃盡，而1 000 ℃時燃盡時間縮短至7.6 min，平均質(zhì)量變化速率從8.29%/min增至10.43%/min，表明預熱溫度升高使氣化細渣在一定時間內(nèi)能更充分燃盡。對比不同粒度氣化細渣樣品發(fā)現(xiàn)，各預熱溫度下隨著粒度增大，樣品失重量增大，燃盡時間延長。不同預熱溫度下氣化細渣燃盡時間的確定為臥式轉(zhuǎn)窯低揮發(fā)分、低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置中物料停留時間的確定提供了依據(jù)。

2.3 煤燃燒特性對比

臥式轉(zhuǎn)窯低揮發(fā)分、低熱值燃料恒溫預熱-脫碳裝置燃燒區(qū)溫度在850～900 ℃，燃燒氣氛氧濃度在10%左右，綜合考慮氣化細渣粒徑分級后產(chǎn)率和固定碳，選取預熱溫度為900 ℃，燃燒氣氛為10% O2，125～250 μm氣化細渣樣品(XZ)與褐煤(HM)、無煙煤(WYM)、煙煤(YM)進行對比試驗，TG和DTG曲線如圖7所示。

圖7 氣化細渣與褐煤、無煙煤、煙煤預熱氧化反應的TG和DTG曲線Fig.7 TG and DTG curves of preheating oxidation reaction betweengasification fine slag and lignite，anthracite and bituminous coal

由圖7可知，氣化細渣中空干基揮發(fā)分極低，與無煙煤相似，在恒溫穩(wěn)定段的失重起點相近；煙煤與褐煤揮發(fā)分較高，因此失重起點較前2者下移。因預熱段預熱溫度達900 ℃，煤樣中揮發(fā)分幾乎全部析出，DTG曲線表示焦炭質(zhì)量變化速率，與3種煤樣相比，氣化細渣樣品質(zhì)量變化速率較大，認為在氣化過程中氣化細渣中的焦炭顆?？紫督Y(jié)構(gòu)發(fā)育較好，因此在相同預熱溫度、相同燃燒氧濃度下更易發(fā)生反應。

3 結(jié) 論

1)通入O2后，氣化細渣樣品迅速發(fā)生氧化反應，900 ℃、10% O2下的燃盡時間在6.6～9.4 min；900 ℃、21% O2下的燃盡時間在3.7～5.6 min，NOx排放量在規(guī)定范圍時，可適當提高窯內(nèi)燃燒區(qū)氧濃度以縮短燃盡時間。

2)隨預熱溫度的升高，同粒度的氣化細渣樣品平均質(zhì)量變化速率增大，燃盡時間縮短，預熱溫度的升高可改善氣化細渣的燃盡特性，使氣化細渣在一定時間內(nèi)能更充分燃盡，在設(shè)備安全運行下可適當提高窯內(nèi)燃燒區(qū)溫度以更快燃盡。

3)不同燃燒氣氛、不同預熱溫度下，隨氣化細渣粒度增大，失重量增大，燃盡時間延長，平均質(zhì)量變化速率遞減。因此，本文提出的“預熱-脫碳裝置”可根據(jù)物料粒度合理調(diào)整物料停留時間，以實現(xiàn)充分燃盡。