西安交通大学王学斌教授：基于粒度分级的煤气化细渣特性分析及利用研究

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煤气化渣是煤气化过程产生的副产物，我国气化渣每年排放量巨大，目前主要通过填埋或渣场堆存处理，尚未大规模工业化应用，亟需对其进行综合利用。气化细渣中的残碳与灰组分分离是实现其高值化、减量化、无害化利用的关键，分离回收的残炭可用于配煤掺烧或制作功能材料，而脱碳后的灰组分可用于制备水泥或混凝土等。

西安交通大学王学斌教授基于气化细渣的粒度特性，研究通过粒度分级实现气化细渣中碳灰的分离富集，并对分级后各粒度级产品特性进行分析，探讨气化细渣按粒度分级实现碳灰分离的应用可行性。

摘要

煤气化过程中产生大量含碳量较高的气化细渣，目前主要以填埋方式处理，不仅占用大量土地，污染土壤和水体，同时造成能源浪费，对气化细渣进行高效环保的资源化利用是目前的研究热点。气化细渣中的残碳与灰组分分离是实现其高值化、减量化、无害化利用的关键，煤气化细渣粒度特性分析表明，各粒级产品灰分基本随粒级减小呈增大趋势，通过分级工艺可实现碳灰的分离与富集。榆林煤气化细渣固定碳含量随粒级减小均呈下降趋势，各粒级产品中均含有较多的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，微观形貌主要由多孔基体、不规则颗粒、粘附小颗粒及圆球颗粒组成。煤气化细渣孔隙结构发达，比表面积丰富，>75 μm粒级产品可直接作为优质的吸附材料；与气化燃料煤相比，气化细渣各粒级产品燃烧的特征温度均显著提高，从着火温度看，除

1 基础特性

随粒级减小，煤气化细渣各粒级灰分基本呈增大趋势，榆林水煤浆炉气化细渣样品，主导粒级为＜0.045 mm，产率为36.93%，灰分达78.95%，固定碳较低；0.250～0.125 mm粒级含量较高，产率为32.36%，灰分为23.96%，固定碳较高，具有综合回收利用价值。随着粒度减小，各粒级灰分整体呈增大趋势，其中＞0.5 mm粒级灰分较高，但其产率低，仅为1.03%，故不再对该粒级样品单独处理。对各粒级样品综合计算，＞0.125 mm粒级产率为47.66%，灰分为22.99%；＞0.074 mm粒级产率为56.91%，灰分为26.90%；＞0.045 mm粒级产率为63.07%，灰分为29.70%，可以发现，该煤气化细渣具有显著的粒度特性规律，不同粒级样品碳灰含量差异明显，通过粒度分级即可实现较好的碳灰分离，在浮选等分选方法效率不高的情况下，筛分分级可作为一种简单有效的碳灰分离方法进行深入研究。

未燃炭在不同粒度细渣中富集，可能与气化过程中渣的形成和流动特性有关。在气化炉内，气化剂与碳在表面和毛细孔内发生反应，反应速率和扩散速率密切相关，扩散速率受孔扩散的影响，孔扩散阻力随粒径的增大而增大。大颗粒具有较低的气化速率，含碳量高；小颗粒气化反应相对完全，含碳量相对较低，因此，细渣中粗颗粒含碳量多，而小粒级含碳量较少。粒度分级实现碳灰分离工艺具有广泛的适应性，特别是针对灰分较低（50%）的样品，具有细粒高灰分特征，可通过重选等分选方法预先脱除部分易选高灰物料，再通过筛分分级方法脱除细粒级难选高灰物料，从而实现碳灰的高效分离。

图1 煤气化细渣粒度特性

图2 煤气化细渣粒度累计特性

该煤气化细渣挥发分较低，固定碳较高，发热量较高，具有潜在加工利用价值；氧元素含量较高，存在氧化严重、表面疏水性较差的特征，浮选分离较困难。固定碳随粒级减小呈降低趋势。250~500、125~250、75~125 μm粒级产品固定碳较高，分别为76.67%、72.11%、51.88%，粒级产品固定碳较低。对该煤气化细渣样品，可通过125 μm筛分分级，得到高固定碳与高发热量的产品，实现碳灰的高效分离。

图3 煤气化细渣各粒级固定碳含量

2 试验结果与讨论

2.1 矿物成分

榆林煤气化细渣样品灰成分表明，各粒级中均含有较多的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量SO3、K2O、Na2O、TiO2、MgO。2和Al2O3含量较高，特别是125～250 μm粒级，SiO2含量达44.7%，Al2O3含量为24.0%；>500 μm粒级氧化物含量呈不同的分布规律，CaO含量最大，为37.1%，SiO2含量为19.8%，Fe2O3含量为13.9%，SO3和Al2O3含量分别为9.51%和9.34%。除>500 μm粒级，其余各粒级的SiO2+Al2O3+Fe2O3含量均>70%。

榆林煤气化细渣样品各粒级产品的XRD图谱表明，μm粒级的矿物晶相组成基本相同，主要为SiO2、Fe2O3、CaMgSi2O6、CaSO4等；>500 μm组成较复杂，主要为CaSO4、CaMgSi2O6、CaO、Fe2O3，还含有Al2Fe3(SiO4)3、Ca(OH)2等。

图4 煤气化细渣各粒级XRD图谱

2.2 微观形貌

榆林煤气化细渣各粒级的扫描电镜图片显示，煤气化细渣微观形貌主要由多孔基体、单独的不规则颗粒、黏附于多孔基体上小颗粒以及圆球颗粒组成，各形貌呈相互混杂、附着、包裹状态。45~500 μm各粒级具有发达的孔隙结构，各类孔由表面贯穿至内部。随着粒级减小，多孔基体上附着的颗粒和小圆球颗粒不断增多，独立的圆球颗粒不断富集。

图5 煤气化细渣各粒级产品表面形貌

榆林煤气化细渣各粒级EDS分析表明，不同粒级产品中多孔基体与圆球颗粒的元素组成规律基本一致，多孔基体主要由C元素构成，含量95%以上；圆球颗粒成分复杂，主要由C、O、Al、Si元素构成，不同粒级中C元素含量相差较大，可能由矿物气化熔融过程中包裹不同量的未燃炭造成，>500 μm CGFS圆球颗粒中还含有较多的Ca。不规则颗粒和黏附小颗粒元素含量仍以C为主，其他元素含量规律性不强，与所选择的分析点密切相关。

图6 煤气化细渣各粒级EDS元素组成

2.3 孔隙结构

对榆林煤气化细渣各粒级产品进行孔隙结构分析。该煤气化细渣各粒级吸附曲线形状一致，孔隙发达，以中微孔为主，比表面积丰富。125～250 μm粒级比表面积达562.22 m2/g，总孔容为0.43 cm3/g，平均孔径3.06 nm；75～125 μm粒级比表面积为427.27 m2/g，总孔容为0.40 cm3/g，平均孔径3.71 nm；250～500 μm粒级比表面积为331.53 m2/g，总孔容为0.23 cm3/g，平均孔径2.81 nm；>500 μm粒级产品比表面积较小，为61.88 m2/g，总孔容为0.054 cm3/g，平均孔径3.47 nm。由孔隙结构分析可知，该煤气化细渣可作为吸附材料，通过75 μm筛分分级，>75 μm粒级直接作为优质的吸附材料用于废水及废气处理，大幅提升其综合利用价值。

图7 煤气化细渣各粒级产品吸脱附曲线

2.4 吸附性能

榆林煤气化细渣具有丰富的比表面积与孔隙结构，因此有必要对其吸附性能进行深入研究，分别对各粒级进行碘吸附及苯酚吸附值测定，同时以市售煤质活性炭与木质活性炭进行比对，以充分模拟其吸附与处理废水能力。

榆林煤气化细渣总样的碘吸附值、苯酚吸附值为641.12 、42.59 mg/g，市售木质活性炭分别为1 385.50、107.72 mg/g，市售煤质活性炭分别为1 291.51、109.15 mg/g，说明该气化细渣具有良好的吸附性能，未进行活化的吸附能力已接近市售活性炭的50%。0.50～0.25 mm粒级的碘吸附值和苯酚吸附值分别为762.84、53.03 mg/g，0.250～0.125 mm粒级分别为905.26、83.57 mg/g，与孔隙结构分析结果一致，粗粒度级具有相对更强的吸附特性，因此，可通过分级工艺，将粗粒级产品分离富集，作为高价值吸附材料进行资源化综合利用。

图8 煤气化细渣各粒级吸附特性

2.5 燃烧动力学特性

为了充分研究榆林煤气化细渣的各粒级的燃烧特性，与工业园区燃料用煤及一种无烟煤作比对，燃料煤固定碳为59.41%、灰分为6.42%、挥发分为34.20%；无烟煤固定碳为69.88%、灰分为23.17%、挥发分为6.95%。气化细渣各粒级（除>500 μm）、燃料煤、无烟煤燃烧失重呈单峰分布，燃料煤燃烧失重比气化细渣各粒级及无烟煤提前，气化细渣45～500 μm的燃烧失重较无烟煤略提前，500 μm粒级因组分和粒径的影响燃烧失重略延迟。对于最终的残余成灰率，燃料煤最低，其次为250～500 、125～250、75～125、45～75 μm粒级和无烟煤，>500 μm粒级相对较大，

图9 煤气化细渣及煤样热重分析

燃料煤燃烧的Ti、Th最低，最易着火与燃尽；无烟煤的着火温度与45～75 μm粒级相当，燃尽温度与250～500 μm粒级较接近；气化细渣各粒级（除>500 μm）随粒级增大，Ti、Th呈规律性升高；燃料燃烧特性指数的排序为：燃料煤> 125～250 μm > 45～75 μm> 75～125 μm> 250～500 μm>无烟煤> （>500 μm）> （＜45 μm）；>500 μm和

与燃料煤相比，气化细渣燃烧的特征温度均显著高于原煤。从着火温度看，除500 um粒级外，其他粒级Tp皆低于无烟煤，Th低的程度明显更大，说明除>500 um粒级外，气化细渣中挥发分低于无烟煤，导致燃烧初期挥发分的着火延迟时间比无烟煤长；由于气化细渣中存在丰富的孔隙率，增大了焦炭颗粒与氧气的接触面积，使燃烧后阶段的燃烧峰值温度低于无烟煤，且燃尽温度显著低于无烟煤。

图10 煤气化细渣不同粒级产品的特征温度

3 结 论

1）通过对榆林水煤浆炉气化细渣、驻马店粉煤炉气化细渣、鄂尔多斯水煤浆炉气化细渣、鄂尔多斯粉煤炉气化细渣的粒度特性进行分析，表明煤气化细渣各粒级灰分基本随粒级减小呈增大趋势，通过粒度分级可实现较好的碳灰分离，在浮选等分选方法效率不高的情况下，粒度分级可作为一种简单有效的碳灰分离方法进行深入研究。

2）榆林煤气化细渣各粒级均含有较多的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO，微观形貌主要由多孔基体、不规则颗粒、黏附小颗粒及圆球颗粒组成，各形貌呈相互混杂、附着、包裹状态，结构中均含有C元素。该煤气化细渣孔隙发达，以中微孔为主，比表面积丰富，粗粒度级产品具有相对更强的吸附特性，因此，可通过筛分分级工艺，将粗粒级产品分离富集，作为高价值吸附材料进行利用。

3）与气化燃料煤相比，气化细渣各粒级燃烧的特征温度均显著提高。从着火温度看，除

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