水煤浆气化装置固废处理方法浅析

冯圣君，孟 雪，王江涛

(河南心连心化学工业集团股份有限公司， 河南新乡 453700)

水煤浆气化装置是目前煤化工主流的气化方式，代表性的炉型有GE炉、晋华炉、多原料浆炉、四喷嘴气化炉等，由于可以掺烧废水，水煤浆气化装置的气化压力在6.5～8.7 MPa，在合成氨和甲醇等煤化工生产装置中占全国煤化工比例约为65%。大规模气化装置的投运，每天会产生大量的气化灰渣等固体废物(简称固废)，将这些固废进行资源化利用是煤化工行业不得不面对的问题。

1 工艺分析

湿法排渣是水煤浆气化工艺技术的一个显著的特点。水煤浆气化系统以低灰分的水煤浆为原料，在气化剂的夹带作用下，通过喷嘴高速喷入气化炉内进行短时燃烧;水煤浆在炉内经预热脱水后氧化燃烧，由于高压气流的推动作用仅能燃烧数秒便离开高温辐射区域被水激冷，导致部分有机质未来得及反应；如果水煤浆吸热导致的降温产生的势能高于燃煤释放的总热量，熔融态的灰渣会包裹煤粉，阻隔有机质与气化剂的持续接触。激冷水洗后的粗渣通过锁斗间断排出系统，在捞渣机和出口机械过滤装置下，含水率(质量分数,下同)一般稳定在25%～40%；灰水系统中携带的煤灰通过澄清过滤系统压榨后，以含水率为40%～50%的滤饼产出气化细渣。

1台投煤质量流量为2 000 t/d的气化炉，平均每天排出湿气化灰渣150 t，据统计国内现有煤化工气化炉日投煤质量约62万t，则日产湿气化灰渣质量约为4.65万t，大量的固废需要有环保有效的方法进行处理，以减少煤化工对环境的污染。

2 气化粗渣和细渣的区别

煤气化细渣与湿法排渣的粉煤灰类似。气化灰渣矿物质元素主要为Si、Ca、Fe、Al，以氧化态存在，这些氧化物占粗渣总质量的90.8%，占细渣总质量的83.8%[1]。常规的水煤浆气化炉中粗渣的残炭质量分数为1.6%～4.0%，细渣的残炭质量分数为15%～27%，细渣是被合成气夹带的飞灰颗粒，其在气化炉内燃烧，所有粒径都小于原煤粒径。而粗渣是大部分的飞灰颗粒在气化炉壁面上形成的熔渣。粗渣中绝大部分都是无机矿物,在激冷过程中被破碎为颗粒状粗渣,因此其粒径较大,粒径分布范围也很宽。激冷后粗渣排出气化炉，粗渣和细渣中无机矿物的含量均比原煤灰分中无机矿物的含量高,且粗渣中无机矿物的含量比细渣中无机矿物的含量高。粗渣和细渣中的SiO2含量均比原煤灰分中的SiO2含量高，原煤灰分只需要1 250 ℃左右便可使熔渣达到液态排渣的要求,而粗渣却需要1 350 ℃左右才能满足要求,粗渣的流动性比原煤灰分差，气化粗渣和细渣的含量分析数据见表1。

表1 气化炉粗渣细渣的物料组分分析

3 传统处理方法

随着国家对环保的管控，煤化工基本形成了工业园区化、靠近原煤产地化等模式，而对于固废的处理，需要结合地理位置进行区分。常见的气化灰渣处理方法有填埋、掺入原煤、浮选脱碳处理、制作免烧砖、烘干研磨制二级灰等。

3.1 填埋

对于地广人稀的原煤产地，如沙漠戈壁地区，土地购置成本相对不高，一般采取建设柔性填埋场，设置防渗系统、滤液收集系统、倒排系统及填埋气体控制系统。填埋场根据新上煤化工项目的规模进行设计，一般年限为5～10 a，填满后需要重新选址。

3.2 掺入原煤

由于很多煤化工企业分布在产品需求密集地，而大量的原煤需要通过火车或者港口转运，途中需要经过多个发运点，而对于原煤采购来说，主要是以固定碳和发热量来确定价格，对于一些矿点本身固定碳含量高的地区，可以掺入一部分灰渣。另外,对于一些企业，在特殊情况下会将气化灰渣按照比例重新加入制浆系统，参与气化反应;但让多余的灰分参与气化反应，是一种能源浪费，目前厂家通过控制掺烧量在合理的范围内，该方法可以作为一种固废处理的短暂性方法。

3.3 浮选脱碳处理

目前,浮选脱碳处理主要应用于电厂粉煤灰脱碳，其技术关键点主要是浮选脱碳和浮选液脱水。气化灰渣通过加水稀释进入料浆预处理装置搅拌，或者加入反絮凝剂后进入一级浮选装置进行浮选，浮选后的泡沫进入消泡装置，浮选液浓缩后进入脱水装置，脱水干化后得到含碳质量分数为50%的高碳灰和少量低碳灰外售。煤在经过高温氧化燃烧以后，未燃尽的有机质颗粒表面物化性质发生了较大的变化，失去了50%(质量分数)以上的脂肪链结构[2]，挥发分经高温后基本脱除，表面氧化严重，这就导致灰渣中大量未燃炭粒的可浮性比入料原煤差，浮选过程中相同条件下的效果就会存在一定的差异。

气化灰渣浮选的整体工艺为：气化灰渣由皮带输送机经计量称和皮带输送机送入回转筛中，筛去粒径大于0.5 mm的粗颗粒后的细灰经调质后流入矿浆预处理器中，加入浮选药剂混合搅拌后进浮选机浮选。在浮选机的强力作用下，发泡剂产生大量气泡，气泡在上升至液面的过程中将吸附油的煤粒子带到液面形成泡沫层而自溢出来，炭粒与煤灰分离后，自流到浓缩机浓缩，经过滤机脱水，由皮带机送至精煤堆场。废液流入沉淀水池沉淀后进储水池循环利用。尾灰浮选后流入尾灰浓缩机，浓缩后经过滤机脱水，由皮带机送至尾灰堆场。废水流入沉淀池沉淀后进储水池循环利用。尾灰脱水后运至加工厂，经胶带运输机送至烘干机，烘干后由提升机送至分选设备，分选后细灰进成品库，粗灰进粗灰库。烘干后的细灰也可考虑直接粉磨，或者将分选后的粗灰进行粉磨，具体流程见图1。

图1 气化灰渣浮选工艺流程简图

气化灰渣浮选脱碳处理技术的主要消耗是浮选药剂和浮选设备的电耗[3]，浮选药剂费用占总运行成本的65%～70%，吨浮选成本为50～125元，浮选后的精煤干基碳质量分数为50%，售价为150～170元/t,尾灰脱水后可作为二级灰直接外售，整体工艺的经济性与待浮选的物料中含碳质量分数及浮选后的精煤含碳质量分数密切相关，经过分析气化灰渣采用浮选技术运行成本较高，且会产生高污染废水，工业化生产经济性差。

3.4 制作免烧砖

通过大量的中试、小试试验分析，得出气化灰渣与水泥、电石等材料按照比例掺混后，用于制作蒸压砖，通过砖机压制成型送到蒸压釜对砖坯进行高温养护，产品性能良好，可以满足道路美化、城镇规划等新建建筑的用品需求。

3.5 烘干研磨制二级灰

通过增加气化渣烘干装置，将气化工段产生的粗渣和细渣经机械脱水后送至料场，按照粗渣∶细渣=3∶1的质量比进行掺混后，通过给料机送入滚筒干燥机，利用热风炉(或者蒸汽回转干燥机)提供的高温烟气/蒸汽对物料进行干燥，干燥后尾气达标排放，干燥后的物料含水率为3%、温度为70 ℃，通过提升机进入渣库，配合锅炉渣一同进入球磨机，加工研磨成合格二级灰后外售，该方法适用于内陆地区。水泥作为国民经济发展的重要原料，需求量较大，气化灰渣作为水泥辅料可以基本解决灰渣滞销的问题。具体的工艺流程见图2。掺混均匀后的物料通过皮带计量送入干燥机，干燥机采用热风干燥，采用生物质燃料或园区废气作为燃料，烘干后的物料通过链条输送至灰库，尾气通过布袋除尘后达标排放。

图2 热风干燥示意图

常见的灰渣烘干方案有3种，即高温烟气干燥技术方案、尾气全回收干燥技术方案、蒸汽回转干燥技术方案。

高温烟气干燥方案使用高温烟气与物流进行直接接触，在干燥机的回转和扬料板作用下实现物料的干燥，其优点为设备整体投资小，装置简单，维修工作量小，缺点为产生高温高湿废气，环保隐患较大。高温烟气干燥技术方案主要应用于矿渣、河沙干燥等小型企业，环保管控较为薄弱。

尾气全回收干燥技术方案[4]是指使用高温烟气干燥作为主干燥系统，干燥后尾气的蒸汽潜热对进料进行预热干燥，其优点为干燥消耗最低，不产生高湿废气，环保影响较小，缺点为设备整体投资高，单套规模受限，国内技术单位较少。尾气全回收干燥技术方案主要应用于国内食品酱渣等固废处理，尚未在国内化工领域内应用。

蒸汽回转干燥技术方案是指使用蒸汽作为干燥介质，在列管换热的作用下，通过间接方式对湿料进行烘干,其优点为干燥过程无废气成分产生，缺点为热效率偏低，烘干成本高，设备运行寿命较短。蒸汽回转干燥技术方案主要应用于氯碱、矿粉干燥中，在矿渣领域应用较少。

3种灰渣烘干技术方案的参数对比见表2。

表2 3种灰渣干燥技术方案对比

4 结语

随着气化装置的大型化，作为园区龙头的气化装置，必须打通固废循环经济产业链，才能保证企业的安全稳定生产;同时，固废的处理工艺需要结合装置的地域需求，在环保达标的前提下，创造经济效益。