张晓峰 ， 王玉飞 ， 党　睿 ， 范晓勇 ， 王战辉

(榆林学院 化学与化工学院 ， 陕西 榆林　719000)



煤气化细渣特性对其浮选脱碳过程的影响

张晓峰 ， 王玉飞*， 党睿 ， 范晓勇 ， 王战辉

(榆林学院 化学与化工学院 ， 陕西 榆林719000)

含残炭量高严重影响煤气化细渣的处理和应用。煤气化细渣灰分容易黏附，但灰分和残炭之间并不发生灰熔融聚合，残炭以絮状无定型形态存在，并不和灰分形成小球体，这使得煤气化细渣中的残炭有可能通过浮选方法脱出。煤气化细渣的灰分亲水疏油，而残炭疏水亲油，有利浮选。煤气化过程中，残炭表面反应活性增大，零电位变化，因此煤气化细渣浮选适合的pH值与普通煤泥和粉煤灰不同。由于煤气化细渣的平均粒度一般小于40 μm，不适合直接采用普通浮选机进行浮选，应采取改善微细粒浮选的有效途径，如保持微细粒悬浮体、增强残炭的疏水性、通过选择性聚团增大残炭的有效浮选粒径以及采用高效的微细粒浮选设备等方法。煤气化细渣浮选研究，需要针对具体的煤种和气化工艺。

煤气化细渣 ； 浮选 ； 脱碳 ； 粒度分布 ； 废物处理

0　引言

煤气化细渣是一种特殊的粉煤灰，类似于热电厂锅炉粉煤灰，都是煤氧化后的残渣。煤气化细渣与热电厂锅炉粉煤灰的不同之处：①原煤颗粒不同，电厂原煤颗粒一般要求为150 μm(100目)以下，而气化原煤颗粒一般要求平均粒径为43 μm，最大粒度≤48 μm(300目)；②氧化温度不同，电厂锅炉炉膛温度通常800～1 300 ℃，而德士古煤气化温度为1 400 ℃； ③电厂粉煤灰是煤在过量空气中完全燃烧后的飞灰；煤气化细渣是煤与纯氧气不完全氧化条件下的飞灰，湿法除渣过滤后的滤饼。虽然如此，煤气化细渣和电厂粉煤灰一样，都是来自煤氧化过程中随烟气排出的飞灰，因此也是一种粉煤灰。

煤气化细渣与普通粉煤灰明显的区别是颜色，粉煤灰一般呈灰色，而煤气化细渣呈黒色，这是由于煤气化细渣含碳量较大的缘故。GB 1596 - 2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中规定的Ⅲ级粉煤灰要求烧失量 ≤15.0%，煤气化细渣不能用于水泥或混凝土。JC/T 40 g-2001《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》建材用粉煤灰烧失量≤10.0%，煤气化细渣不能用于砖瓦等建材生产，甚至不能用于铺路[1]。煤气化细渣可燃物含量，一般占细渣总量的15%以上，甚至达到26%～55%[2-3]。

为了利用煤气化细渣，先要降低残炭含量。作者提出了在灰水中增加浮选工艺来降低气化细渣的残炭含量[4]。贵州赤天化等单位进行了气化细渣的浮选脱碳工业生产，申请了专利。由于煤气化细渣浮选药剂消耗较大，经济效益不佳，现已停产。因此，煤气化细渣浮选残炭工艺需要深入研究。

1　矿物组成对浮选脱碳过程的影响

煤气化细渣灰分主要成分是Si、Al、Ca等元素[5]。不同气化温度条件下，气化细渣的矿物组成基本相同，北宿煤的气化细渣主要由硫化亚铁、石英和莫来石组成，Baodian煤气化细渣基本成分是莫来石和石英，不含有钙长石[2]。这说明煤气化细渣的矿物组成与气化原煤的种类有关。 池国镇等[3]和顾菁等[6]采用不同原煤进行煤气化细渣研究证实了这一点。前者得到的煤气化细渣主要由石英、方解石、硫化亚铁、莫来石、钙黄长石、钙长石和氧化钙等组成。后者得到的煤气化细渣基本成分是石灰石和石英。平雅敏等[7]研究了神华煤德士古气化飞灰，炉顶飞灰主要由透辉石、硫酸钙、钾长石、二氧化硅、钙铁灰石、镁铝柱石和辉石等组成。

粉煤灰也是由以上成分组成。这说明煤气化细渣的矿物组成与粉煤灰相似。残炭亲油疏水，而其它成分亲水疏油有可能采用浮选的方法降低煤气化细渣的残炭量。当然，特殊情况也可以通过改善气化工艺降低残炭含量，但不具普遍性[8]。

2　粒度对浮选性能的影响

煤气化细渣的粒度分布呈三峰分布的特性。廖胡等[9]采用神府煤与北宿煤的混合煤，得到气化细渣的粒径峰值分别为0.1～0.2 μm、 2 μm、 14 μm。马飞等[10]研究了2种Shell气化炉的飞灰特性，测得飞灰的平均粒径分别是1.07 μm和1.48 μm。

针对兖矿鲁南化肥厂等德士古和Shell气化炉的多种气化炉细渣，高旭霞的实验结果表明：1/3的细渣粒度<65 μm，大约15%的细渣粒度>150 μm，其它细渣粒度在65～150 μm 之间分布较为均匀[2]。池国镇等[3]测定了神府烟煤气化细渣的粒度，粒度<30 μm，约为53.18%，粒度>100 μm的细渣，约为11.76%。在30～100 μm之间，细渣粒度的分布与气化原煤的粒度分布接近[3]。盛新等[11]研究表明Shell气化炉气化细渣粒度，皖北煤气化细渣平均粒度为3.8 μm，而云南煤的则为34 μm。这说明Shell气化炉气化细渣粒度与气化用煤种关系很大，池镇国认为在各粒径范围内，颗粒的可燃物含量分布比较均匀。而高旭霞等[2]则认为，大颗粒比表面积较小，反应不完全，细渣中的可燃物含量随颗粒粒径的增大而增加。

由此可见，煤气化细渣的粒度主要分布在0～150 μm之间，平均粒度为1～34 μm。气化原料煤种和气化工艺，都会强烈影响煤气化细渣的平均粒度、粒度分布和残炭在煤气化细渣中的分布。

气化细渣的平均粒度一般小于40 μm。煤气化细渣浮选时，有粒度的上限和下限。精煤颗粒的浮选上限和下限一般为300 μm和40 μm。因此煤气化细渣不适合直接采用普通浮选机进行浮选。可以针对微细粒浮选的浮选特性，采取改善措施，进行浮选。改善微细粒浮选的有效途径有：保持微细粒悬浮体的有效分散、增强残炭的疏水性、通过选择性聚团增大残炭的有效浮选粒径以及采用高效的微细粒浮选设备等方法[12]。由于粒径与浮选速度、浮选工艺和设备选型密切相关，因此煤气化细渣浮选研究，需要针对具体的煤种和气化工艺进行研究。

3　微观结构对浮选性能的影响

盛新等[11]的研究表明，云南煤的气化飞灰颗粒直径为1～2 μm，比表面积比较小。飞灰颗粒为球状，表面附着小的球形颗粒，小颗粒的Ca含量比大颗粒要高，促使飞灰之间发生黏附。马飞等[10]的研究表明，Shell煤气化飞灰的微观形貌为球形颗粒，粒径大部分小于1 μm。Zhao Xiang Long等[13]发现炉顶气化飞灰的大颗粒也团聚有大量的小颗粒，矿物质在高温下容易发生灰熔融聚合，其中的残炭始终以絮状无定形形态存在，并不和矿物质一起形成小球体。这说明飞灰虽然容易黏附，但飞灰和残炭之间并不发生灰熔融聚合，残炭以絮状无定形形态存在，并不和灰分形成小球体，使得煤气化细渣中的残炭可以通过物理分离的方法脱出，为浮选脱碳创造了可能性。

4　飞灰的反应特性对浮选性能的影响

Gu J等[14]等发现飞灰由于部分气化或水蒸气的活化而具有较大的比表面积，其反应活性高于相应的煤焦。房倚天等[15]研究发现飞灰具有较多的过渡孔和大孔表面积，具有较高的反应性。顾菁等[8]的研究也证实飞灰含有丰富的中孔及中大孔。

煤气化是不完全氧化，表面疏松多孔、并经水蒸气高温活化，因此煤气化细渣残炭颗粒与粉煤灰残炭颗粒相比，具有比表面积较大、反应活性较大的特点，有利于矿物对捕收剂的吸附。

由此可见，煤气化飞灰反应活性与普通粉煤灰和自然煤泥存在差别。残炭经过1 400 ℃的不完全气化后，表面反应活性增大，使矿物的零电位变化，因此煤气化细渣浮选适合的pH值与普通煤泥和粉煤灰不同。

5　结论

①煤气化细渣的矿物组成与粉煤灰基本相同。其中的残炭亲油疏水，而其它矿物成分则亲水疏油，适合采用浮选脱碳。②飞灰虽然容易黏附，但飞灰和残炭之间并不发生灰熔融聚合，残炭以絮状无定型形态存在，并不和灰分形成小球体，使得煤气化细渣中的残炭可以通过物理分离的方法脱出。③气化细渣的平均粒度一般都小于40 μm，不适合直接采用普通浮选机进行浮选。煤气化细渣浮选研究，需要针对具体的煤种和气化工艺。④煤气化过程中，残炭表面反应活性增大，零电位变化，因此煤气化细渣浮选适合的pH值与普通煤泥和粉煤灰不同。

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Effect of Coal Gasification Fine Slag Characteristics on the Flotation Decarburization Process

ZHANG Xiaofeng , WANG Yufei , DANG Rui , FAN Xiaoyong , WANG Zhanhui

(School of Chemistry and Chemical Engineering , Yulin University , Yulin719000 , China)

With the amount of residual carbon is high,treatment and application of coal gasification fine slag is limited. Ash is easy to adhere,but the ash melting polymerization will not occur between ash and carbon residue in the coal gasification fine slag.Carbon residue is flocculent amorphous form,not ash formation of small spheres,which is possible that the residual carbon separating from the fine coal gasification slag by flotation.Ash is hydrophilic,and carbon residue is hydrophobic in the fine coal gasification slag, which is favorable for flotation.In the coal gasification process,the surface reaction activity of coal residual is increased,and zero potential changes.Therefore,the suitable pH value of coal gasification fine slag flotation is different from ordinary coal and fly ash.Because the average particle size of the fine gasification slag is generally less than 40 μm,it is not suitable for direct flotation with conventional flotation machine.The effective way to improve the fine particle flotation should be taken,such as maintaining the fine particle suspension,reinforcing hydrophobicity of carbon residue,increasing residual carbon flotation particle size by selectively agglomerate and using the high fine particle flotation devices. Study on flotation of fine coal gasification slag,the different of coal and its gasification process should be considered.

coal gasification fine slag ; flotation ; decarburization ; particle size distribution ; waste disposal

1003-3467(2016)07-0011-03

2016-04-26

陕西省国际合作项目(2014kw16)

张晓峰(1965-)，男，教师，从事化学与化工教学工作；联系人：王玉飞，电话：0912-3894144。

TQ028.2

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