基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验研究

第一作者简介

吴锦文，硕士研究生，河南理工大学化学化工学院。研究领域：矿产资源加工与利用。

通信作者简介

邓小伟，博士，副教授，硕士生导师。中国煤炭学会青年理事会理事，金属矿山采矿行业评审委员会委员，国家自然基金函评专家，POWDER TECHNOLOGY, FULE, International Journal of Coal Preparation and Utilization 等知名期刊审稿人。

研究方向包括难选矿物（煤）的浮选过程强化、智能化选煤工艺技术及装备开发。主持及参与国家自然基金项目4 项，省部级项目十余项，主持企业横向课题项目21 项。授权国家发明专利24 余项，发表学术论文50 余篇（SCI/EI 收录30 余篇），获煤炭工业协会科技进步三等奖1 项（1/9）,河南省教育厅科技成果1 等奖1 项（1/8），国家能源集团国神集团科技进步三等奖1 项。

题目

基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验研究

作者

吴锦文^1,3 邓小伟^1,2,3,4 陈乐^1,3

侯迎港^1,3 仲国龙^1,3 吕波^1,2,3

房朝军^1,2,3 张传祥^1,2,3,4

作者单位

1.河南理工大学化学化工学院,454000 河南焦作;

2.矿物加工科学与技术国家重点实验室,100160 北京;

3.河南理工大学鄂尔多斯煤炭清洁开发利用研究院,017000 内蒙古鄂尔多斯;

4.鄂尔多斯市炭源科技有限公司,017000 内蒙古鄂尔多斯

研究背景

近年来，煤炭工业快速发展，为国民经济运行提供了重要能源保障和原料支撑，与此同时，燃煤电厂、工业和民用锅炉等设备在煤燃烧和气化工艺过程中，产生大量的工业固体废弃物。其中，煤气化渣是煤炭气化工艺的副产品，每年排放量巨大。目前，国内外对煤气化渣的处理多采用填埋法或渣场堆存法，尚未实现大规模的工业应用，不仅会造成土壤、空气、土地、水体资源造成污染，甚至会严重危害人的身体健康和动植物生存。因此，在我国生态文明建设和绿色低碳发展的背景下，煤气化渣的资源化利用是当前煤炭工业亟需解决的问题。

由于煤气化渣比表面积大、孔隙结构较为发达，采用常规浮选工艺生产成本过高，浮选药剂消耗量大，导致浮选工业化生产延迟，经济性较差；重力分选法设备结构简单、易维护，但对原矿的粒度要求较为严格；采用筛分工艺对煤气化渣实行炭-灰分离具有工艺流程简单、成本低、药剂消耗量少等优点，并取得了一定的效果。

本研究以某地固定床气化工艺技术生产出的煤气化渣为原料，对比普通湿筛法和高效解离-选择性絮凝联合法的精炭粒度分布，在传统的湿筛基础上，通过对磨矿时间、pH值、絮凝剂种类、絮凝剂用量、高速剪切转速的探讨，确定了最佳的工艺方法和药剂制度。不仅能有效地降低药剂用量，而且提炭效果明显、工艺流程简单、药剂量消耗较少，为煤气化渣的提炭技术提供了一条新思路，以及为煤气化渣资源化利用提供了有效途径。

摘要

煤气化渣是由煤气化工艺产生的一种富含铝硅酸盐、灰组分及残炭的大宗工业固体废弃物,其规模化生产对生态环境造成了严重的影响。因此,将煤气化渣进行炭-灰分离是实现其减量化、无害化和资源化利用的关键。以煤气化渣为研究对象,采用高效解离-选择性絮凝耦合作用的工艺,为实现煤气化渣更为合理、高效的资源化利用,减少煤气化渣带来的土壤、空气、水体资源等污染问题,对煤气化渣进行提炭实验研究。首先分析了煤气化渣的理化性质,其次采用单因素变量法探究了磨矿时间、pH、絮凝剂种类、絮凝剂用量、高速剪切转速对煤气化渣提炭实验的影响,以实现残余炭产品的高度富集。结果表明:原煤气化渣灰分质量分数为67.19%,普通湿筛筛上物料灰分质量分数为54.3%,当煤气化渣磨矿时间为5 s,pH为7,絮凝剂聚氧化乙烯用量为0.4 kg/t,在转速为4 000 r/min高速剪切15 min的条件下提炭效果最佳,最终可获得产率为26.6%、湿筛筛上灰分质量分数为43.3%的残炭产品。对比普通湿筛法,基于高效解离-选择性絮凝实验方法在普通湿筛的基础上灰分质量分数降低了11%,降灰效果明显。

创新点

在普通湿筛的基础上,提出了一种基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验方法,优点是工艺流程简单、药剂量消耗较少,优化了传统浮选法提炭所造成药剂量消耗大、经济性差等问题,为煤气化渣的炭-灰分离技术提供了一条新思路,以及为煤气化渣资源化利用提供了有效途径。

结论

1) 原煤气化渣固定碳质量分数为26.39%,灰分质量分数为67.19%,残炭表面疏松且多孔。气化渣粒度组成主要集中在粗粒级(粒径大于0.125 mm)和细粒级(粒径小于0.023 mm)两个粒级,且粗粒级灰分含量低,细粒级灰分含量高。其矿相主要以石英(SiO₂)、莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)、钙长石(CaAl₂Si₂O₈)为主;主要的灰组分有SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,CaO。该煤气化渣具有高灰、低硫等特点。

2) 高效解离-选择性絮凝耦合作用实验的提炭效果较好,在矿浆质量浓度为40 g/L,磨矿时间为5 s、pH为7、选用PEO絮凝剂且用量为4 kg/t、高速剪切转速为4 000 r/min、时间为15 min、静置絮凝2 h条件下,可获得残炭产品的产率为26.6%,灰分质量分数为43.3%的良好指标。对比普通湿筛法,灰分质量分数降低了11%,效果显著,可通过此方法快速回收煤气化渣中的残炭。

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