GE水煤浆气化工艺煤气化渣的特性研究

曹昂，赵蒙，王兴璞

摘要：煤制氢装置以煤炭为原料，通过气流床气化的方式(本文中特指水煤浆气化，以下简称煤气化)生产粗合成气，经过变换反应将一氧化碳转化为氢气，再经酸性气体脱除及甲烷化得到满足炼油厂要求的氢气产品。开车过程对于煤制氢装置的平稳启动、稳定产出氢气产品具有十分重要的意义，同时较短的开车时间有利于提高装置的经济效益。基于此，对GE水煤浆气化工艺煤气化渣的特性进行研究，以供参考。

关键词：GE水煤浆气化；煤气化渣；特性研究

引言

对于煤气化粗渣，其含碳量较低，因此可直接用于制备陶瓷、砖材、水泥和混凝土等，也可直接用于铺路。而对于煤气化细渣，其含碳量普遍较高（一般大于25%），若不对残炭进行脱除，其所制备材料的性能则会大打折扣，从而限制了其在上述行业中的直接应用；此外，若不对残炭进行分选回收，还会造成资源的极大浪费。

1煤气化渣特征

从煤气化渣组成特性上看，渣中含有未完全燃烧的残余炭和较多的二氧化硅以及金属氧化物矿物质,并且煤气化渣经高温激冷工艺形成了丰富的比表面积，煤气化渣的这些特点为其资源化利用提供了必要条件。目前，围绕煤气化渣综合利用的研究，大致可分三个方面：一是对煤气化渣进行残碳回收，循环掺烧以实现减量化；二是作为土壤改良剂在农业领域应用；三是进行材料开发。煤气化渣具有一定热值、但由于水分多、杂质含量高，因此不能直接进行掺烧，通过浮选等技术手段进行富碳改质处理又不具备成本优势，而且利用率有限。而在农业领域的应用，虽然煤气化渣有改良土壤的功能，但目前受限于渣中含有的多种重金属元素，在土壤中存在浸出超标风险，而高效率低成本地脱除重金属又存在较大的技术难度，并且酸碱等药剂使用也会产生二次污染。相比其它固废（煤矸石、冶金渣、非煤尾矿类等），煤气化渣目前存量相对较小，本身含有高活性玻璃体和孔隙结构丰富的残碳，可替代部分天然矿物资源，作为开发特色材料的原料，在减少自然资源开发的同时，达到变废为宝。

2煤质波动对气化操作的影响

2.1气化炉烧嘴压差波动

行业内水煤浆气化炉分为顶喷式气化炉和四喷嘴气化炉2种形式。顶喷式气化炉的烧嘴压差波动会直接影响渣口压差波动;四喷嘴气化炉的烧嘴压差波动会导致烧嘴偏喷，从而加剧烧嘴烧蚀现象。实际生产中，四喷嘴气化炉烧嘴压差波动引起的表现如下:(1)烧嘴压差频繁波动时，烧嘴壁温也同样频繁波动，从趋势上看无规则比例关系。(2)烧嘴压差波动趋势会引起烧嘴冷却水回水温度的变化。当压差波动逐渐增大时，回水温度逐渐升高;当压差趋于稳定时，回水温度逐渐恢复正常，两者成反比。(3)烧嘴压差趋势与气化合成气中CH4、CO的含量也存在一定的关系。当压差出现波动时，CH4、CO含量也随之波动。压差波动引起烧嘴雾化不好，导致氧气流量波动进而影响气化炉内的温度场，引起合成气中CH4、CO含量变化。(4)通过对比烧嘴压差波动期间的入炉煤质数据，发现煤质中灰分质量分数偏高，且黏温特性波动较大。

2.2环保影响

高氨氮的含氨废水制浆后进入气化水系统污染气化系统水质，造成气化装置外排废水中氨氮含量由220mg/L左右逐渐增加到450mg/L左右，虽已采用增加外排水置换的方式进行稀释，但效果极不明显，高氨氮和氯离子的外排废水进入污水装置后会抑制生化池硝化反应，影响污水装置达标排放，给股份公司环保带来极大影响。

3气化渣的来源及危害

煤气化过程是原煤在气化炉中经过高温高压条件与气化剂进行气化反应将原煤中的大量有机物大部分转化成气体燃料的过程。气化渣是煤气化反应过程中无机矿物质和残留的碳质颗粒形成的固态残渣，包括粗渣和细渣。粗渣和细渣的粒径分别集中在１６～４目（１．１９～４．７５ｍｍ）和＜２００目（０．０７５ｍｍ），粗渣残炭量在５％～３０％，细渣残炭量在３０％～５０％，产生量约占比２０％。不同煤气化工艺产生气化渣的来源和状态存在差异。例如，固定床气化炉一般用块煤或煤焦为原料，与气化剂在炉内进行逆向流动，煤或煤焦由炉上部加入，气化剂自气化炉底部送入，含有残炭的渣由炉底排出，气化过程较完全，热效率和气化效率加高；循环流化床气化炉加入的煤粒径介于３～５ｍｍ，这些煤颗粒在气化剂的作用下处于持续悬浮和沸腾运动状态，产生的合成气和渣皆在接近炉温排出；气流床气化炉是将粉煤（７０％以上通过２００目）用气化剂输送到炉内中，以并流方式在高温环境下反应，其中部分渣以熔融态状态排出，经淬冷后成为固态渣，绝大部分的碳元素都被转化为有用的合成气，在煤化工领域使用较多。

4常规煤质管理措施以及气化渣资源化利用

4.1煤炭采购存储管理

对所有煤化工企业来说，煤炭采购是关键环节，保证质优、供应稳定的碳源是基本要求。但受天气、政策等因素导致煤源紧张、库存不足等限制，企业为了连续生产，不得不采用临时煤种进行试烧。因为调研和试烧论证不足，临时替换煤种存在较大风险。同时，由于煤源紧张，还伴随煤质评价、掺烧比例等过程管控能力的下滑，建议日常做好配煤方案研究和备选矿源储备，做好相应的应急预案。

4.2气化渣在土壤改良中的应用

气化渣的产生经过高温激冷过程，其物理特性表现为多孔均孔，比表面积丰富，加之气化渣富含有机碳及微量元素，这为气化渣在土壤改良提供了可能和潜力。例如，发现气化渣作为堆肥添加剂可以延长高温期，使得堆肥无害化更加彻底，并认为气化渣作为堆肥添加剂的作用可分为４类：①减少ＣＯ２的排放量，减缓全球变暖的趋势；②减少氨气的挥发，增加保氨效果；③减少挥发性有机酸的排放，改善堆肥环境；④提高种子发芽率，降低堆肥产品的毒性，增加腐熟度。煤气化渣对农业废弃物堆肥过程中抗生素抗性基因的影响，设置了对照组ＣＫ（猪粪＋秸秆）、煤气化渣占比降低组Ｌ（猪粪＋秸秆＋５％ＣＧＳ）和煤气化渣占比升高组Ｈ（猪粪＋秸秆＋１０％ＣＧＳ）３个处理，添加气化渣可以加速堆肥体系的启动，延长堆肥的高温期，降低ｐＨ，促进有机物的分解，提高堆肥效率，特别是添加１０％的气化渣，堆肥结束后，所有处理碳氮元素质量比低于２０，ＧＩ指数（种子发芽指数）均大于８０％，达完全腐熟，气化渣的添加可以加速有毒物质分解，降低堆肥产品的毒性增强其腐熟程度。

结束语

煤气化渣是煤气化工艺过程中产生的灰渣，富含硅铝和部分碳质组分，目前还未实现高值高效利用，因此被视作新的一般工业固体废弃物。一般而言，每加工一吨煤约产30%左右的煤气化渣。近年来，煤化工产业发展迅速，煤气化作为煤化工过程的龙头，必然产生大量灰渣，平均年产量在3000万吨以上，其利用率仅为8%左右。大量气化灰渣堆积在渣场或填埋场，不仅占用土地面积，而且会造成灰尘飞扬，释放出大量刺鼻的气体也易造成大气污染，一些微小颗粒被吸入人体，影响健康。

参考文献

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