湿含量对气流床煤气化细灰黏附特性的影响

杨小平，雷尚敏，杨 浩

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000）

引言

气流床煤气化是一种常见的煤炭清洁技术，该技术可以使用气化炉在高温下将劣质煤气化，然后通过高温合成气冷却方式制得煤气。该工艺在合成气冷却后的煤气中含有大量的细灰，而细灰的黏附特性使其聚集在合成气管道和设备中，对管道和设备造成堵塞，最终影响气流床煤气化工艺正常运行，因此如何降低气流床煤气化中细灰的黏附特性是一直以来的重点问题。

1 气流床煤气化细灰的形成过程和黏附机理

1.1 气流床煤气化细灰的形成过程

气流床煤气化细灰主要来自于煤粉燃烧缩核变细、燃烧时粉煤碎裂、破碎时直接分离出不可燃惰性物、某些矿物质蒸发凝结的结晶和非结晶、未燃尽焦炭粒子。气流床煤气化在高温状态下使得煤粉中的氧化物迅速燃烧，在大量热量催动下煤粉中的矿物质进入熔融状态，此时矿物质颗粒由小液滴形态进入并沉积到气化炉内壁上，而部分颗粒会被气化炉的气流直接带出形成气化灰。气流床煤气化细灰主要分为亚微米级灰和残灰，前者主要成分是无机矿物质，其直径大约在0.1 μm～1.0 μm；后者主要成分是焦炭，其粒径直接一般在1.0 μm 以上[1]。

1.2 气流床煤气化细灰黏附机理

气流床煤气化细灰在合成气冷却器的各个部位上发生碰撞、黏结、团聚和黏附沉积等现象，最终导致合成气冷却器堵塞，导致气流床煤气化工艺无法正常运行。细灰的直径比较小，小颗粒和小颗粒之间黏结比较容易，大颗粒和大颗粒可以通过小颗粒进行黏结，因此大小颗粒都可以在黏附机理下形成积灰[2]。

1.3 气流床煤气化细灰黏附特性常见影响因素

1.3.1 物理性质

气流床煤气化细灰黏附特性受粒径分布情况、压缩度、比表面积、颗粒表观形貌等物理性质的影响。细灰颗粒数量越多则黏附性越大，但是细小颗粒并不是导致细灰积聚的主要原因；压缩度越大细灰黏附特性越强，压缩度会对细灰的流动性造成影响，流动性越差越容易积灰；细灰比表面积越大则在黏附过程中的比表面积越小，最终细灰发生团聚的可能性越大；细灰大颗粒表面黏附的小颗粒越多，其黏附特性越强，小颗粒将大颗粒黏附在一起。

1.3.2 化学组成

气流床煤气化细灰黏附特性受晶体矿物组成、灰分组成、微区化学组成等因素的影响。细灰主要由非晶态物质或者晶态物质组成，其中由非晶态物质组成的细灰对其黏附特性影响不大，而由晶态物质组成的细灰对其黏附特性具有较大影响；细灰主要由Mg、K、Na、P、S、Fe 等元素构成，其中，富集K、S、Fe 元素的灰分的黏附特性更显著。细灰微区化学组成主要元素为K、S、Fe 时，颗粒表面越粗糙越容易出现积灰情况。

2 湿含量对气流床煤气化细灰黏附特性的影响试验设计

2.1 物料选择

本试验共选择3 个滤饼样品作为试验物料，其中2 个滤饼样品来自于粉煤气化工业装置，一个滤饼样品来自于水煤浆气化工业装置，分别命名为物料1 号、2 号、3 号。3 个滤饼样品均经过激冷流程最终在激冷室冷却，洗涤塔等除尘设备洗涤下来的细灰在闪蒸系统中经过一系列工序制成滤饼。其中，物料1 号、2 号、3 号滤饼样品颗粒体积平均直接分别为44.25、57.23、100.42μm，颗粒表面积平均直径分别为5.24、7.82、7.23μm，可燃物质质量分数分别为15.39%、35.80%、42.13%，主要灰尘分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、SO3、MgO、K2O、TiO2、NaO2、P2O5。

2.2 细灰黏附力测量方法

2.2.1 细灰黏附力测量装置设计

细灰黏附力测量装置设计图如第111 页图1 所示。

由图1 可知，细灰黏附力测量装置分别由滑轮、支架、底座、吊丝、拉断料筒、横梁、盛液桶、固定环等零部件构成，测量臂参照天平原理设计传到机构，试验样品拉断后即可直接根据配重和料筒自重计算出细灰黏附力。本试验装置考虑到料筒在拉断后细灰样品容易出现掉落风险，因此在样品制作过程中加入振荡工序使样品紧实度更高，这样可以减少细灰黏附力测量中意外情况的出现。本文采用上下料筒结构，因此必须采用四根长短相同的吊丝在料筒中心线正上方汇聚，这样可以保证吊丝受力相同，防止细灰黏附力测量出现误差。

图1 细灰黏附力测量装置设计图

2.2.2 细灰黏附力测量装置结构设计

细灰黏附力测量装置由料筒底座、上下料筒、预料筒、料筒卡具、测量支架等结构构成，其中，料筒底座必须做成实心柱体，让其具有一定自重，以便于利用重力完成振实过程。料筒底座上端半径、深度以及卡扣处预留宽度、厚度分别为2.0、0.7、0.8、0.2 cm；上下料筒端口必须平整光滑，连接处必须吻合严密，不能在振实或者移动过程中出现相对移动，因此采用卡具进行连接比较合适；预料筒端口光滑，连接处吻合严密。为了观察细灰的下落和振实情况，可以将其设计为透明预料筒。上下料筒底端半径、打磨深度以及卡扣处预留宽度分别为2.1、0.7、1.0、0.2 cm，若上下料同卡扣加工后剩余高度超过其有效高度，则必须采用焊接方式缩小其剩余高度，确保有效高度与打磨后的剩余高度保持一致。上下料筒中还需要分别在对称4个方位钻好吊丝穿过的预留孔洞，孔洞距离料筒上端0.8 cm、孔洞直径为0.1 cm，对称钻孔的目的是确保吊丝受力均匀，否则最终细灰黏附力的测量精度会受到一定影响；料筒卡具必须保证装卸方便、锁定牢固，防止错位情况出现。料筒卡具与内径为4.9 cm 的料筒紧密连接到一起，料筒卡具由固定装置、卡扣装置和连接装置三部分组成，其中固定装置长度为4.9 cm、宽度为1.2 cm，卡扣装置长度为0.9 cm、宽度为1 cm，连接装置宽度为0.2 cm；测量支架由底座、支柱、横杆、滑轮等装置构成，支柱、横杆、滑轮必须左右对称，试验前需要通过平衡试验测试支架是否符合要求。料筒卡具具体如图2 所示。

图2 料筒卡具尺寸

2.2.3 细灰黏附力测量

细灰黏附力测量首先需要检查细灰黏附力测量装置是否正常，然后去除振实后的筒体和上端预料筒，采用划片将上料筒上端刮平，采用毛刷将周围灰尘清扫干净，然后采用吊丝连接上料筒和滑轮，最后卡牢底座和下料筒后去除上下料筒卡具。试验开始后向右端筒体内加水，观察左端料筒情况，上下料筒分离后停止加水，并称量装有灰样样品的上料筒以及盛有水的盛水筒质量，这样即可根据料筒横截面积计算细灰黏附力。经过对湿含量的调整，即可判断3 个气流床煤气化细灰样品黏附特性与湿含量占比之间的关系。

3 湿含量对气流床煤气化细灰黏附特性的影响

本试验分别将物料1 号、2 号、3 号细灰滤饼制作成湿含量为1%、5%、10%、…、90%、95%、100%的样品，分别采用细灰黏附力测量装置对不同湿含量下气流床煤气化细灰黏附力进行测量。试验结果如下所示：

物料1 号细灰滤饼：当细灰滤饼制作成湿含量从1%增加至40%时，气流床煤气化细灰黏附力不断增加至最大；当细灰滤饼制作成湿含量从40%继续增加时，气流床煤气化细灰黏附力直线下降。

物料2 号细灰滤饼：当细灰滤饼制作成湿含量从1%增加至45%时，气流床煤气化细灰黏附力不断增加至最大；当细灰滤饼制作成湿含量从45%继续增加时，气流床煤气化细灰黏附力直线下降。

物料3 号细灰滤饼：当细灰滤饼制作成湿含量从1%增加至55%时，气流床煤气化细灰黏附力不断增加至最大；当细灰滤饼制作成湿含量从55%继续增加时，气流床煤气化细灰黏附力直线下降。

细灰滤饼制作成湿含量在40%以上时，其颗粒表面会形成水膜，直接导致细灰黏附特性下降，因此建议保持细灰湿含量在50%～60%，以减少积灰情况出现。

4 结语

综上所述，湿含量对气流床煤气化细灰黏附特性具有重要影响，气流床煤气化细灰黏附特性先随着湿含量的增加而增加，当湿含量增加到阈值后气流床煤气化细灰黏附特性随着湿含量的增加而减少。因此气流床煤气化工业生产中可以利用细灰黏附特性将湿含量保持在一定范围以上，减少气冷却管道内部细灰积聚。