濕含量對氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性的影響

楊小平，雷尚敏，楊 浩

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

引言

氣流床煤氣化是一種常見的煤炭清潔技術(shù)，該技術(shù)可以使用氣化爐在高溫下將劣質(zhì)煤氣化，然后通過高溫合成氣冷卻方式制得煤氣。該工藝在合成氣冷卻后的煤氣中含有大量的細(xì)灰，而細(xì)灰的黏附特性使其聚集在合成氣管道和設(shè)備中，對管道和設(shè)備造成堵塞，最終影響氣流床煤氣化工藝正常運(yùn)行，因此如何降低氣流床煤氣化中細(xì)灰的黏附特性是一直以來的重點問題。

1 氣流床煤氣化細(xì)灰的形成過程和黏附機(jī)理

1.1 氣流床煤氣化細(xì)灰的形成過程

氣流床煤氣化細(xì)灰主要來自于煤粉燃燒縮核變細(xì)、燃燒時粉煤碎裂、破碎時直接分離出不可燃惰性物、某些礦物質(zhì)蒸發(fā)凝結(jié)的結(jié)晶和非結(jié)晶、未燃盡焦炭粒子。氣流床煤氣化在高溫狀態(tài)下使得煤粉中的氧化物迅速燃燒，在大量熱量催動下煤粉中的礦物質(zhì)進(jìn)入熔融狀態(tài)，此時礦物質(zhì)顆粒由小液滴形態(tài)進(jìn)入并沉積到氣化爐內(nèi)壁上，而部分顆粒會被氣化爐的氣流直接帶出形成氣化灰。氣流床煤氣化細(xì)灰主要分為亞微米級灰和殘灰，前者主要成分是無機(jī)礦物質(zhì)，其直徑大約在0.1 μm～1.0 μm；后者主要成分是焦炭，其粒徑直接一般在1.0 μm 以上[1]。

1.2 氣流床煤氣化細(xì)灰黏附機(jī)理

氣流床煤氣化細(xì)灰在合成氣冷卻器的各個部位上發(fā)生碰撞、黏結(jié)、團(tuán)聚和黏附沉積等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致合成氣冷卻器堵塞，導(dǎo)致氣流床煤氣化工藝無法正常運(yùn)行。細(xì)灰的直徑比較小，小顆粒和小顆粒之間黏結(jié)比較容易，大顆粒和大顆粒可以通過小顆粒進(jìn)行黏結(jié)，因此大小顆粒都可以在黏附機(jī)理下形成積灰[2]。

1.3 氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性常見影響因素

1.3.1 物理性質(zhì)

氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性受粒徑分布情況、壓縮度、比表面積、顆粒表觀形貌等物理性質(zhì)的影響。細(xì)灰顆粒數(shù)量越多則黏附性越大，但是細(xì)小顆粒并不是導(dǎo)致細(xì)灰積聚的主要原因；壓縮度越大細(xì)灰黏附特性越強(qiáng)，壓縮度會對細(xì)灰的流動性造成影響，流動性越差越容易積灰；細(xì)灰比表面積越大則在黏附過程中的比表面積越小，最終細(xì)灰發(fā)生團(tuán)聚的可能性越大；細(xì)灰大顆粒表面黏附的小顆粒越多，其黏附特性越強(qiáng)，小顆粒將大顆粒黏附在一起。

1.3.2 化學(xué)組成

氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性受晶體礦物組成、灰分組成、微區(qū)化學(xué)組成等因素的影響。細(xì)灰主要由非晶態(tài)物質(zhì)或者晶態(tài)物質(zhì)組成，其中由非晶態(tài)物質(zhì)組成的細(xì)灰對其黏附特性影響不大，而由晶態(tài)物質(zhì)組成的細(xì)灰對其黏附特性具有較大影響；細(xì)灰主要由Mg、K、Na、P、S、Fe 等元素構(gòu)成，其中，富集K、S、Fe 元素的灰分的黏附特性更顯著。細(xì)灰微區(qū)化學(xué)組成主要元素為K、S、Fe 時，顆粒表面越粗糙越容易出現(xiàn)積灰情況。

2 濕含量對氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性的影響試驗設(shè)計

2.1 物料選擇

本試驗共選擇3 個濾餅樣品作為試驗物料，其中2 個濾餅樣品來自于粉煤氣化工業(yè)裝置，一個濾餅樣品來自于水煤漿氣化工業(yè)裝置，分別命名為物料1 號、2 號、3 號。3 個濾餅樣品均經(jīng)過激冷流程最終在激冷室冷卻，洗滌塔等除塵設(shè)備洗滌下來的細(xì)灰在閃蒸系統(tǒng)中經(jīng)過一系列工序制成濾餅。其中，物料1 號、2 號、3 號濾餅樣品顆粒體積平均直接分別為44.25、57.23、100.42μm，顆粒表面積平均直徑分別為5.24、7.82、7.23μm，可燃物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.39%、35.80%、42.13%，主要灰塵分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、SO3、MgO、K2O、TiO2、NaO2、P2O5。

2.2 細(xì)灰黏附力測量方法

2.2.1 細(xì)灰黏附力測量裝置設(shè)計

細(xì)灰黏附力測量裝置設(shè)計圖如第111 頁圖1 所示。

由圖1 可知，細(xì)灰黏附力測量裝置分別由滑輪、支架、底座、吊絲、拉斷料筒、橫梁、盛液桶、固定環(huán)等零部件構(gòu)成，測量臂參照天平原理設(shè)計傳到機(jī)構(gòu)，試驗樣品拉斷后即可直接根據(jù)配重和料筒自重計算出細(xì)灰黏附力。本試驗裝置考慮到料筒在拉斷后細(xì)灰樣品容易出現(xiàn)掉落風(fēng)險，因此在樣品制作過程中加入振蕩工序使樣品緊實度更高，這樣可以減少細(xì)灰黏附力測量中意外情況的出現(xiàn)。本文采用上下料筒結(jié)構(gòu)，因此必須采用四根長短相同的吊絲在料筒中心線正上方匯聚，這樣可以保證吊絲受力相同，防止細(xì)灰黏附力測量出現(xiàn)誤差。

圖1 細(xì)灰黏附力測量裝置設(shè)計圖

2.2.2 細(xì)灰黏附力測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

細(xì)灰黏附力測量裝置由料筒底座、上下料筒、預(yù)料筒、料筒卡具、測量支架等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，料筒底座必須做成實心柱體，讓其具有一定自重，以便于利用重力完成振實過程。料筒底座上端半徑、深度以及卡扣處預(yù)留寬度、厚度分別為2.0、0.7、0.8、0.2 cm；上下料筒端口必須平整光滑，連接處必須吻合嚴(yán)密，不能在振實或者移動過程中出現(xiàn)相對移動，因此采用卡具進(jìn)行連接比較合適；預(yù)料筒端口光滑，連接處吻合嚴(yán)密。為了觀察細(xì)灰的下落和振實情況，可以將其設(shè)計為透明預(yù)料筒。上下料筒底端半徑、打磨深度以及卡扣處預(yù)留寬度分別為2.1、0.7、1.0、0.2 cm，若上下料同卡扣加工后剩余高度超過其有效高度，則必須采用焊接方式縮小其剩余高度，確保有效高度與打磨后的剩余高度保持一致。上下料筒中還需要分別在對稱4個方位鉆好吊絲穿過的預(yù)留孔洞，孔洞距離料筒上端0.8 cm、孔洞直徑為0.1 cm，對稱鉆孔的目的是確保吊絲受力均勻，否則最終細(xì)灰黏附力的測量精度會受到一定影響；料筒卡具必須保證裝卸方便、鎖定牢固，防止錯位情況出現(xiàn)。料筒卡具與內(nèi)徑為4.9 cm 的料筒緊密連接到一起，料筒卡具由固定裝置、卡扣裝置和連接裝置三部分組成，其中固定裝置長度為4.9 cm、寬度為1.2 cm，卡扣裝置長度為0.9 cm、寬度為1 cm，連接裝置寬度為0.2 cm；測量支架由底座、支柱、橫桿、滑輪等裝置構(gòu)成，支柱、橫桿、滑輪必須左右對稱，試驗前需要通過平衡試驗測試支架是否符合要求。料筒卡具具體如圖2 所示。

圖2 料筒卡具尺寸

2.2.3 細(xì)灰黏附力測量

細(xì)灰黏附力測量首先需要檢查細(xì)灰黏附力測量裝置是否正常，然后去除振實后的筒體和上端預(yù)料筒，采用劃片將上料筒上端刮平，采用毛刷將周圍灰塵清掃干凈，然后采用吊絲連接上料筒和滑輪，最后卡牢底座和下料筒后去除上下料筒卡具。試驗開始后向右端筒體內(nèi)加水，觀察左端料筒情況，上下料筒分離后停止加水，并稱量裝有灰樣樣品的上料筒以及盛有水的盛水筒質(zhì)量，這樣即可根據(jù)料筒橫截面積計算細(xì)灰黏附力。經(jīng)過對濕含量的調(diào)整，即可判斷3 個氣流床煤氣化細(xì)灰樣品黏附特性與濕含量占比之間的關(guān)系。

3 濕含量對氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性的影響

本試驗分別將物料1 號、2 號、3 號細(xì)灰濾餅制作成濕含量為1%、5%、10%、…、90%、95%、100%的樣品，分別采用細(xì)灰黏附力測量裝置對不同濕含量下氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力進(jìn)行測量。試驗結(jié)果如下所示：

物料1 號細(xì)灰濾餅：當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從1%增加至40%時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力不斷增加至最大；當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從40%繼續(xù)增加時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力直線下降。

物料2 號細(xì)灰濾餅：當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從1%增加至45%時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力不斷增加至最大；當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從45%繼續(xù)增加時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力直線下降。

物料3 號細(xì)灰濾餅：當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從1%增加至55%時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力不斷增加至最大；當(dāng)細(xì)灰濾餅制作成濕含量從55%繼續(xù)增加時，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附力直線下降。

細(xì)灰濾餅制作成濕含量在40%以上時，其顆粒表面會形成水膜，直接導(dǎo)致細(xì)灰黏附特性下降，因此建議保持細(xì)灰濕含量在50%～60%，以減少積灰情況出現(xiàn)。

4 結(jié)語

綜上所述，濕含量對氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性具有重要影響，氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性先隨著濕含量的增加而增加，當(dāng)濕含量增加到閾值后氣流床煤氣化細(xì)灰黏附特性隨著濕含量的增加而減少。因此氣流床煤氣化工業(yè)生產(chǎn)中可以利用細(xì)灰黏附特性將濕含量保持在一定范圍以上，減少氣冷卻管道內(nèi)部細(xì)灰積聚。