含炭煤灰渣分选残炭的方法以及气流分选系统

摘要

本发明属于煤灰渣利用领域，提供了一种含炭煤灰渣分选残炭的方法和气流分选系统。该方法包括以下步骤：物料选择为煤气化产生的粗渣或细渣；将所述物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，并将所述物料中的大颗粒破碎至粒径≯1mm；机械筛分出小于预先设定粒级的灰渣；将大于所述预先设定粒级的灰渣进行机械研磨以研磨至预先设定粒级以下并收集作为气流分级物料；建立逐级分选目标与分级机参数关联的关联方法，并基于气流分级物料的密度、含炭量、炭分布状态和颗粒形态，设置气流分级机的工艺参数以进行气流分选；在气流分级机下方样品收集处收集脱炭渣，在旋风分离机处收集含炭渣，在脉冲袋式收尘器处收集富炭渣，并利用马弗炉测定三种灰渣的烧失量。

说明书

技术领域

本发明属于煤灰渣利用领域，特别涉及一种含炭煤灰渣分选残炭的方法以及气流分选系统。

背景技术

我国煤炭资源多的优势决定着煤炭在我国能源和化工领域占有重要的地位，预计在未来20年我国煤炭能源消费的比重仍占50％以上。煤气化技术作为煤化工领域的重要方向，是发展煤基化学品、煤基液体燃料、发电等工业基础。2020年我国煤化工年用煤量约1.2亿吨，其中煤气化用煤约占90％，在煤气化过程中原煤的炭不能完全气化，存在部分可燃物无法转化而被合成气带出进入洗涤塔，经过分离水洗、絮凝、脱水等工序得到细渣，未燃炭与大量熔融态灰分物质混合从炉底流出，由于粒度较粗称为粗渣。全国每年有超3000万吨煤气化灰渣被填埋或堆存，导致占用土地、污染土壤和水资源等多种环境问题。因此，对含炭灰渣进行综合利用是煤化工企业实现可持续发展亟需研究解决的问题。

灰渣中的残炭主要存在于细渣中，含量达到20-50％。其存在形态有两类，一类为游离残炭，即灰中无机矿物和残炭各自处在游离状态，没有发生粘附和彼此熔融聚合。另一类为残炭与无机矿物彼此粘附或熔融聚合，这里又细分为三种形态，一是残炭中有熔融渣插入炭孔隙中，形成炭包覆熔渣；二是矿物质熔融聚合时包裹了未充分反应的炭，形成了熔渣包炭；三是矿物质和炭熔融粘附，但不容易被机械力分开。

煤灰渣现有的大规模利用途径主要为用于生产水泥、混凝土、砖等建材产品，但它们均要求灰渣中的残炭含量不高于10％，煤气化渣由于残炭量较高而不能直接用于生产这些产品的原料。煤气化渣中的残炭富集在80％以上时，通过研磨和表面疏水化改性，可用于替代炭黑和白炭黑制备橡胶或塑料补强剂；不适宜做补强剂的脱炭渣及粗渣用于非烧结轻质墙材、自流平特种砂浆、骨料、复合混凝土等。

因此，在本领域中亟需一种炭回收率高，而且具有运行成本低，分离条件限制小等优点的煤气化细渣残炭的分离方法。

煤气化渣当前脱炭的方法主要有：泡沫浮选、重选脱炭等，由于煤气化渣密度较大，其中未燃炭具有多孔结构，比表面积大，浮选过程中药剂使用量大，且细粒级残炭与细粒级灰分之间容易发生罩盖现象，导致浮选效果较差，经济性不高。同时，传统的重选设备对粒级有较高的要求，由于气化渣小粒径含量较多，而重选过程中颗粒的离心力和重力与粒度大小有直接关系，单一的重力场无法使得脉石矿物和目的矿物之间产生足够的位移差，所以利用重介旋流器、动筛跳汰机、旋转溜槽等重选设备对煤气化渣进行脱炭，收率较低，脱炭效果不佳。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种含炭煤灰渣分选残炭的方法和一种气流分选系统。

在本发明中，通过采用研磨、筛分和气流分选组合，借助于研磨解离弱粘附的有机残炭和无机矿物质，利用残炭和无机矿物质的密度和表面态差异，在重力和气流曳力的作用下进行分离，通过高压气流破坏颗粒间的作用力，将团聚的细颗粒打碎，进而实现残炭与矿物质的高效分离。

本发明的目的在于克服现有含炭煤灰渣分选残炭技术中炭回收率低、所获得的富炭渣的炭含量少、分离条件受限制大等缺陷，提供一种高效分选残炭的方法和气流分选系统。本发明所述的分选残炭的方法和气流分选系统具有炭整体回收率高、富炭渣的炭含量高，同时运行成本低，分离过程简单，对原料限制条件低等特点。

根据本发明的一个方面，提供了一种含炭煤灰渣分选残炭的方法，包括以下步骤：

(1)选择物料：所述物料选择为煤气化产生的粗渣或细渣，其含炭量在5％～70％之间；

(2)物料准备：将所述物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，并将所述物料中的大颗粒破碎至粒径≯1mm；

(3)物料筛分：机械筛分出小于预先设定粒级的灰渣；

(4)机械研磨：将大于所述预先设定粒级的灰渣进行机械研磨以研磨至预先设定粒级以下并收集作为气流分级物料；

(5)气流分级处理：建立逐级分选目标与气流分级机的参数关联的关联方法，并利用该关联方法基于气流分级物料的密度、含炭量、炭灰分布状态和颗粒形态设置气流分级机的工艺参数，以进行气流分选；

(6)产物收集：在气流分级机的下方样品收集处收集脱炭渣，在旋风分离机处收集含炭渣，在脉冲袋式收尘器处收集富炭渣，并利用马弗炉测定三种灰渣的烧失量。

根据本发明的另一方面，提供了一种气流分选系统，所述气流分选系统用于实施根据前述实施例所述的方法，所述气流分选系统包括：

依次连接的用于生产保护气和进料气的空气处理装置、气流分级机、旋风分离机、脉冲袋式收尘器和离心引风机，

在进料气的推力作用下，经干燥研磨处理的煤气化渣作为物料经由气流分级机的下端入料口随气流上升到气流分级机的分级区，在分级区，物料在分级区的气流分级机的分级轮高速旋转产生的离心力和离心引风机双重作用下，使粗细物料分离；

细物料穿过分级轮的叶片间隙进入后续的旋风分离机和脉冲袋式收尘器进行收集；

粗颗粒夹带部分细颗粒撞壁后速度消失，沿气流分级机的筒壁下降至二次风口处，高速旋转上升的空气对物料进行强烈淘洗，在引力和煤气化渣自身重力的合力作用下，粗细物料在此再次分离，细颗粒上升至分级区二次分级，粗颗粒下降至气流分级机的收集罐收集以获得脱炭渣；

高速气流夹带细颗粒旋转进入旋风分离机的分离区，撞击旋风分离机的筒壁后速度下降，旋转下落至旋风分离机的下方收集罐以获得含炭渣；

颗粒更小的部分经高压离心引风机的作用进入脉冲袋式收尘器，受到脉冲袋式收尘器的滤袋表面静电吸附效应而被滞阻在脉冲袋式收尘器的滤袋内壁，脉冲袋式收尘器的脉冲仪定时震动将其震落，沉降到脉冲袋式收尘器下方的收集罐内以获得富炭渣。

本发明的实施例可以实现以下优点中的至少一种：

通过研磨、筛分与气流分选组合，可高效地将煤气化渣分选得到富炭渣、含炭渣、脱炭渣三类；

所得富炭渣中炭回收率≥50％，含炭量>80％，其可作为燃烧、气化原料或作为吸附剂、电极材料及橡胶填充等原料；

所得脱炭渣收率≥40％，烧失量<10％，可用作建材原料；

所处理的含炭渣原料来源广泛，处理工艺路线安全可靠，无污染，连续工作处理量大，具有规模化应用前景。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的实施例的执行含炭煤灰渣分选残炭的方法的气流分级系统的处理流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

参见图1，示出了执行根据本发明的实施例的含炭煤灰渣分选残炭的方法的气流分级系统以及使用该气流分级系统进行处理的流程图。

空气经空气压缩机1压缩后储存于储气罐2中，经过滤器3和干燥器4的过滤和干燥处理后用作气流分级系统的保护气和进料气。在进料气的推力和离心引风机8引力的作用下，经干燥研磨处理的煤气化渣由气流分级机5下端入料口随气流上升至分级区。在分级区，物料(例如煤气化渣)在分级轮高速旋转产生的离心力和离心引风机8双重作用下，使粗细物料分离。一定粒径的细物料穿过气流分级机5的分级轮的叶片间隙进入后续的收集系统，例如旋风分离机6和脉冲袋式收尘器7。粗颗粒夹带部分细颗粒撞壁后速度消失，沿筒壁下降至二次风口处，高速旋转上升的空气对物料进行强烈淘洗，在引力和煤气化渣自身重力的合力作用下，粗细物料在此再次分离，细颗粒上升至分级区二次分级，粗颗粒下降至气流分级机5的卸料口(或收集罐)收集(即脱炭渣)。高速气流夹带细颗粒旋转进入旋风分离机6的分离区，撞击筒壁后速度下降，旋转下落至旋风分离机6的下方收集罐(即含炭渣)。颗粒更小的部分经高压离心引风机8的作用进入脉冲袋式收尘器7，受到脉冲袋式收尘器7的滤袋表面静电吸附效应而被滞阻在脉冲袋式收尘器7的滤袋内壁，脉冲袋式收尘器7的脉冲仪定时震动将其震落，沉降到脉冲袋式收尘器7下方的收集罐内(即获得富炭渣)。最后从三个收集罐中分别得到脱碳渣、含碳渣和富碳渣产品进行备用。

本发明的实施例还提供了一种含炭煤灰渣分选残炭的方法，其包括选择物料、物料准备、物料筛分、机械研磨、气流分级处理和产物收集等6个步骤。

在选择物料步骤，所述物料选择为煤气化产生的粗渣或细渣，其含炭量在5％～70％之间，例如10％～50％。

在物料准备步骤，将所述物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，并将所述物料中的大颗粒破碎至粒径≯1mm。

在物料筛分步骤，机械筛分出小于预先设定粒级的灰渣。

在机械研磨步骤，将大于所述预先设定粒级的灰渣进行机械研磨以研磨至预先设定粒级以下并收集作为气流分级物料。

在气流分级处理步骤，建立逐级分选目标与气流分级机的参数关联的关联方法，并利用该关联方法基于气流分级物料的密度、含炭量、炭灰分布状态和颗粒形态设置气流分级机的工艺参数，以进行气流分选。

在产物收集步骤，在气流分级机的下方样品收集处收集脱炭渣，在旋风分离机处收集含炭渣，在脉冲袋式收尘器处收集富炭渣，并利用马弗炉测定三种灰渣的烧失量。

在一个实施例中，所述粗渣或细渣为气流床煤气化系统通过水煤浆或干粉进料形成的气化灰渣，或者由固定床或流化床气化炉获得的炭含量较高的气化灰渣。当然，其他可行的粗渣或细渣也是可以选择的，只要其含炭量在5％-70％之间就可以。

通过借助于本发明提供的逐级分选目标与气流分级机参数关联的关联方法，可以实现同时获得脱炭渣、含炭渣和富炭渣三种不同灰渣，从而可以借助于关联方法中的不同参数或不同因素之间的相互关联关系可以控制三种不同灰渣的含量，从而确保三种灰渣的品质。

在逐级分选目标与气流分级机参数关联的关联方法依据气流分级物料的密度、含炭量、不同粒级的炭灰分布状态和颗粒形态，并结合气流分级机类型，进料速度、进气速度、压力、气流分级机转速、二次风量以及系统风量进行分析拟合来建立，从而获得逐级分选目标与气流分级机参数关联的数学模型方程。

在本发明的关联方法中，首先要考虑气流分级物料的密度、含炭量、不同粒级的炭灰分布状态和颗粒形态等因素来进行整体设置，之后再根据气流分级机类型，进料速度、进气速度、压力、气流分级机转速、二次风量以及系统风量的关联关系进行精确设定，从而实现精确控制。

在一个实施例中，所述数学模型方程为：Y＝aX

其中，Y为经气流分级所得的收集物料中的残炭含量；X

需要说明的是，所述数学模型方程中的常数项需要结合实验数据以及气流分级物料的密度、含炭量、不同粒级的炭灰分布状态和颗粒形态进行选择。例如该数学模型方程为Y＝2X

在一个实施例中，所述工艺参数为进料速度范围20-150g·min

通过控制气流分级机的分布式控制系统(DCS)面板，针对不同气化渣原料的密度、含炭量、炭灰分布状态和颗粒形态，依据逐级分选目标与气流分级机参数的关联方法，设置分选粒径、气流分级机的工艺参数，进行气流分选。

所述物料选自煤气化系统所得灰渣，所述灰渣经过固定床气化、流化床气化及气流床气化中的任一种或它们的任意组合处理得到；

通过颚式破碎机将大颗粒破碎。

所述预先设定的粒级被选择为在25～1000微米(μm)之间的范围内，重复进行多次研磨以将灰渣研磨至预先设定粒级以下。预先设定的粒级还可以设置成25-100微米，25-500微米等。

通过用研磨、筛分与气流分级组合，利用研磨解离弱粘附的有机残炭和无机矿物质，利用残炭和无机矿物质的密度和表面态差异，在重力和气流曳力的作用下进行分离，通过热力破坏颗粒间的作用力，将团聚的细颗粒打碎，进而实现残炭与矿物质的高效分离；

所得富炭渣中炭回收率≥50％，炭含量>80％，作为燃烧、气化原料或作为吸附剂、电极材料及橡胶填充料；

所得脱炭渣收率≥40％，烧失量<10％，用作生产包括水泥、混凝土或砖的建材原料；

分选后的富炭渣烧失量<10％，用于替代炭黑和白炭黑制备橡胶或塑料补强剂。

在一个示例中，德士古炉、鲁奇炉、晋华炉、壳牌炉等等不同类型气流床煤气化系统通过水煤浆或干粉进料形成的气化灰渣，对于由固定床或流化床气化炉获得的气化渣，若其中含炭量较高，亦可以作为选用物料。

实例1：

(1)选择物料：榆林地区某甲醇厂气化细渣为物料。

(2)物料准备：将物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，用颚式破碎机破碎大颗粒至粒径0.5mm。

(3)物料筛分：用振筛机筛分出粒径<74μm的细渣，而粒径>74μm进行下一步的机械研磨。

(4)机械研磨：将步骤(3)所得未收集的灰渣研磨至<74μm后进行收集，未达标的话，则重复该机械研磨操作直至粒径小于74μm，从而将收集到的物料作为气流分级物料。

(5)气流分级处理：通过控制气流分级机5的DCS面板控制进料速度100g·min

(6)产物收集：在气流分级机5处收集脱炭渣，旋风分离机6处收集含炭渣，脉冲袋式收尘器7处收集富炭渣。从三组实验结果可以看出，脱炭渣平均烧失量为7.16％，收率为77.77％；含炭渣平均烧失量为56.53％，收率为1.62％；富炭渣平均烧失量为20081.60％，收率为17.92％，实验具体结果见表1。

表1榆林气化细渣分选产量及烧失量

实例2

(1)选择物料：榆林地区某甲醇厂气化粗渣为物料

(2)物料准备：将选择的物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，用颚式破碎机破碎大颗粒至粒径0.5mm。

(3)物料筛分：用振筛机筛分出粒径<150μm的细渣，而对于粒径>150μm进行下一步的机械研磨。

(4)机械研磨：将步骤(3)所得的未收集的灰渣研磨至粒径<150μm进行收集，其中如果未达标的话则重复操作机械研磨直至满足粒径<150μm，使得将收集到的物料作为气流分级物料。

(5)气流分级处理：通过控制气流分级机的DCS面板控制进料速度70g·min

(6)产物收集：在气流分级机5处收集脱炭渣，旋风分离机6处收集含炭渣，脉冲袋式收尘器7处收集富炭渣。从三组实验结果可以看出，脱炭渣平均烧失量为5.90％，收率为83.61％；含炭渣平均烧失量为47.35％，收率为1.63％；富炭渣平均烧失量为80.97％，收率为11.35％，实验具体结果见表2。

表2榆林气化粗渣分选产量及烧失量

实例3：

(1)选择物料：新疆地区某烯烃厂气化细渣为物料。

(2)物料准备：将选择的物料干燥脱水处理至含水量小于0.5％，用颚式破碎机破碎大颗粒至粒径0.5mm。

(3)物料筛分：用振筛机筛分出粒径<74μm的细渣，而对于粒径>74μm进行下一步的机械研磨。

(4)机械研磨：将步骤(3)所得未收集的灰渣研磨至粒径<74μm收集，其中如果未达标的话，则重复操作机械研磨步骤直至达到粒径<74μm为止，使得将收集到的物料作为气流分级物料。

(5)气流分级处理：通过控制气流分级机5的DCS面板控制进料速度100g·min

(6)产物收集：在气流分级机5处收集脱炭渣，旋风分离机6处收集含炭渣，脉冲袋式收尘器7处收集富炭渣。从三组实验结果可以看出，脱炭渣平均烧失量为7.84％，收率为62.76％；含炭渣平均烧失量为55.56％，收率为1.63％；富炭渣平均烧失量88.90％，收率32.87％，实验具体结果见表3。

表3新疆气化细渣分选产量及烧失量

由以上可以看出，实例1-3中煤气化渣经过不同工艺参数气流分选，所得富炭渣炭回收率≥50％，炭含量>80％，所得脱炭渣收率≥50％，烧失量<10％，分选后的富炭渣经过改性活化后，能达到替代炭黑和白炭黑制备橡胶或塑料补强剂的要求。脱炭渣也达到了用于生产水泥、混凝土、砖等建材产品的要求。

虽然本公开的总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本公开的总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。