流态化技术干法脱炭的理论分析与试验研究.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 2N o ．6 N O V ．2 0 0 3 文章编号1 0 0 019 6 4 2 0 0 3 0 6 0 6 3 20 4 流态化技术干法脱炭的理论分析与试验研究 杨玉芬1 ，陈清如2 ，骆振福2 1 ．中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 2 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要粉煤灰是煤粉燃烧后，随烟气自锅炉炉膛中带出的粉状燃烧产物，其可用性及具体用途取 决于其物理化学性质和残余炭质量分数 通常要求小于4 Z ．依据美国某电厂粉煤灰和残余炭 的粒度分布特点和形态特征，提出了采用流态化干法脱炭技术降低粉煤友中残余炭质量分数的 基本思路，对不同粒级样品的分层试验表明采用流态化技术能有效脱除大于0 ．0 7 4r a m 粒级 中的残余炭，而且工艺简单，无粉尘污染．这一方法对于解决粉煤灰的综合利用问题将提供有益 的借鉴． 关键词粉煤灰；残余炭；流态化；干法脱炭；分选介质；目的矿物 中图分类号T Q5 3 6 ．4文献标识码A 目前，粉煤灰脱炭技术可以分为两大类一是 湿法脱炭，如浮选；二是于法脱炭，如摩擦静电分 选、滚筒式电选等．浮选能比较彻底地脱除粉煤灰 中的残余炭，但系统复杂，选后产品的脱水、残余药 剂的处理有一定的难度“⋯．而现有的摩擦静电分 选和滚筒电选干法脱炭的效果还不是太理想，处理 量相对偏低o ] ． 到目前为止，采用流态化技术脱除粉煤灰中残 余炭的研究尚未见到报道． 美国一直非常重视对粉煤灰的利用．19 7 9 年， 美国电力研究协会 E P R I 就制订了粉煤灰开发与 利用研究计划，在A S T M C 一6 1 8 标准中规定C 级粉 煤灰最高w c 为6 ∥“．粉煤灰的用途不同，对其 中含炭量的要求也不同，当粉煤灰中w c 4 ％ 时，就很难进入市场了．美国有些燃煤电厂产生的 粉煤灰，因碳的质量分数比较高，没有合适的用户， 已造成大量的粉煤灰堆积，对环境造成丁严重的荇 染．例如，肯塔基某电厂生产的粉煤灰，主要用于生 产火山灰质水泥，由于其中残余炭的质量分数太 大，而且波动也较大，很难被利用． 针对这个电厂的实际情况，美国艺利机械制造 公司 E r i e zM a n u f a c t u r i n gC o ． 委托我们对其粉煤 灰样品进行干法脱炭试验研究，要求最终残余炭质 量分数 即粉煤灰的碳质量分数 不得大于4 ％．本 试验拟对该粉煤灰的粒度分布和残余炭形态进行 分析，探讨采用流态化干法分层分选方法降低残余 炭的可能性，寻求提高粉煤灰利用率的现实途径． 1 样品的理化性质与形态特征 1 ．1 性能分析 粉煤灰是煤粉燃烧后，由烟气自锅炉炉膛中带 出的粉状燃烧产物，成分极其复杂，主要由硅、铁、 铝、钙、镁和氧等元素所组成．这些成分除了以氧化 物形态存在外，还可能以硅酸盐、硅铝酸盐等各种 化合物的形式存在，从表1 给出的粉煤灰物理化学 特性参数可以看出，该样品中S i O 和A I O 。的质 量分数占绝大多数，具有很低的热值，是用于生产 建筑材料，如水泥的好原料．但样品碳的质量分数 较高，为4 ．6 2 ％ 据会绍，实际粉煤灰产品碳的质 量分数有时高达1 2 ％，甚至更高 ，因不好销售而 造成大量堆积．样品的发热量为2 4 ．6 7k J ／k g ，表面 微孔发达，回收后可作为活性炭原料加以利用．粉 煤灰和残余炭的堆密度存在较明显的差异，这就为 重力分选创造了良好的条件． 收稿日期2 0 0 3 0 42 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 9 9 7 4 0 3 0 作者简介杨玉芬 1 9 6 2 一 ，女，江苏省徐州市人，中国矿业大学高级工程师，博士研究生，从事矿物加工和流态化技术方面的研究． 万方数据 第6 期 杨玉芬等流态化技术于法脱炭的理论分析与试验研究 6 3 3 1 ．2 样品粒度组成分析 对粉煤灰样品进行粒度分析，结果如图l 所 示．由试验可知，粉煤灰中的残余炭主要集中在大 于0 ．0 7 4m m 的粗粒内，该粒级的碳质量分数为 9 ．7 5 ％，是小于0 ．0 7 4i F [ i r a 粒级中碳质量分数的 2 ．5 倍；小于0 ．0 7 4 m m 粒级的产率高达8 2 ．8 1 ％。 碳质量分数只有3 ．5 5 ％，质量符合用户的要求，无 需处理．图1 的结果还说明，粉煤灰碳质量分数随 着粒级的增大而升高，粒度越粗，碳质量分数越多， 大于0 ．2 5m m 粒级中的碳质量分数高达3 0 ．1 1 ％． 1 ”6 0 2 0 } 一／ i}／ o00 4 300 7 40 1 2 502 5 0 ．5 粒度／m m 图1 粒度分布与碳质量分数 F i g ．1 S i z ed i s t r i b u t i o na n dc a r b o nc o n t e n t 分级试验过程中观察到，随着粒度增大，颜色 越来越深，小于0 ．0 4 3m m 及0 ．0 4 3 ～0 ．0 7 4m m 的细粒级分别呈银灰色及浅灰色，外观类似水泥； 在粗粒级中清晰可见外观黑色、浑圆的炭颗粒，数 量可观．因该粉煤灰样品中残余炭粒度较粗，用常 规的分级方法就可以脱除3 6 ．3 6 ％的残余炭． 1 ．3 样品的形态特征 用透射电子显微镜 T E M 对粉煤灰样品进行 形态分析，比较不同放大倍数的图片 见图2 可以 发现，粉煤灰中的残余炭与氧化物呈相互分隔的独 立分布状态，显微形貌主要呈滚圆状、半滚圆状及 极少量的片状形态．送检样品几乎全部以单体的形 式存在，粉煤灰颗粒表面光滑，几乎未见被粘结的 炭颗粒．这说明不粘结并已充分解离的粉煤灰和残 余炭，易于采用物理方法实现分离，这就从理论上 为流态化技术脱炭的实现奠定了基础． 图2 粉煤灰与残余炭的显微结构特征 F i g ．2 M i c r o a t n m t u r eo ff l ya s ha n du n b u r n e dc a r b o n 2 流态化技术脱炭试验研究 2 ．1 流态化分选基本原理o ] 流态化技术是2 0 世纪中期兴起的一项技术， 利用一定的气流速度，使气流自下而上地通过粉状 或粒状固体的堆积层，固体被气流夹带而形成两相 悬浮体，获得类似流体运动状态的现象或方法，该 技术主要用于化工领域，近年来，已被用于固体物 料的分离，如块煤的干法分选，并取得了明显的效 果． 研究表明完全流化后气一固两相流化床的行 为在许多方面都呈现类似流体的特征，例如两连 通床能自动调整到同一水平面，符合液体的连通器 原理；当容器倾斜，表面保持水平的特征；床层中任 意两点压力差大致等于此两点间的床层静压头，具 有流体一样的静压现象 图3 a ；具有流体一样的 流动性，如在容器侧壁上开孔，颗粒将从孔口喷出} 颗粒在流化床中受到浮力，其大小等于与该颗粒相 同体积的流化床重量，即符合阿基米德定律，n ，P z 表示粒状物料1 ，2 的密度 见图3 b ．流化床的平 均密度陆与加重质的密度风及流化床的} L 隙率e 有关，流化床的平均密度可近似表示为 阳≈ 1 一￡ 肛． 1 在正常情况下，流化床的孔隙率s 是一个常 万方数据 中国矿业大学学报第3 2 卷 数．p m 与凤是线性关系，只要改变加重质种类即可 改变B 和～．当B 与阳的差值变化时，就会出现 以F3 种情况 纛 a J b 图3 气固流化床的似流体性质 F i g3 F l u i dp r o p e r t yo fg a ss o l i df l u i d i z e db e d 1 p , 2 p m ，F 0 ，颗粒下沉； 2 凤一‰，F 一0 ，颗粒自由移动； 3 风 雕．F 0 ，颗粒上浮． 其中F 为颗粒在流化床悬浮体中受到的重力 与浮力的合力．在分选固体物料时，只要选择和控 制好两相悬浮体介质的密度m ，使之介于低密度 P ，物料与高密度肫物料之间，即 n 凡 P 2 ． 2 低密度物料在浮力作用下将上浮到流态化床 层的上部，高密度物料在重力作用下将沉降到流态 化床层的底部，从而实现气固流化床对矿物的分 选．去除无用的杂物，回收目的矿物． 2 ．2 流态化分选实验 由残余炭的分布特点及形态特征可知，该电厂 粉煤灰中残余炭均以单体的形式存在，粒度较粗， 主要集中在大于0 ．0 7 4m m 的粗粒级中，经分级 筛分分级或气力分级 即可去除大部分残余炭．因 此．建议采用分级分层工艺即“先通过0 ．0 7 4I n l i l 粒度进行分级，然后对大于0 ．0 7 4m m 粒级进行分 层”工艺． 粉煤灰经0 ．0 7 4m m 分级后，若小于 0 ．0 7 4m m 部分的炭质量分数为3 ．5 5 ％，则能满足 用户对产品的质量要求，无需进一步处理．而对大 于0 ．0 7 4m m 粗粒级粉煤灰中的残余炭，采用流态 化技术进行脱除，图4 为分层试验所采用的流化床 模型机示意图． 在机身下部送入的空气作用下，粉煤灰作为被 分选物料与空气形成气固两相悬浮体，流化床形成 后，被分选物料本身既是分选介质，又是分选物料， 在这种情况下，分选介质与被分选物料是同一种物 质．这种悬浮体形成的区域就是分选所需的流态化 床层．由于粉煤灰中的残余炭颗粒与其他颗粒具有 较大的密度差异，在气流的作用下，残余炭颗粒和 灰分 以氧化物为j 三 颗粒将依靠自身密度的差异 实现分层．根据公式 2 ，当两种密度不同的物料颗 粒相遇并互为分选介质时，密度相对较小的残余炭 颗粒将向床层区域的上部漂浮，密度相对较大的灰 分颗粒则向床层区域的底部下沉，因而在气流作用 下，整个床层的上部和下部存在着较明显的分层， 粉煤灰颗粒与残余炭颗粒因密度不同而聚集到床 层的不同区域．模型机中的布风板与气室采用专利 设计，目的是布风均匀并使布风板上方的固体物料 能够形成良好的流态化． 图4 流化床分层试验模型机 F i g ．4 T e s tm o d e ls e p a r a t o ro { f l u i d i a e db e d 2 ．3 试验结果 笔者曾对粒级为0 ．1 2 5 ～o ．2 5 0m m ，0 ．0 7 4 0 ．2 5 0m m ，和粒级大于0 ．0 7 4m m ，小于 0 ．0 7 4m m ，小于0 ．0 4 3m m 和全粒级等不同粒级 粉煤灰样品，分别进行流态化分层脱炭试验，结果 表明，该方法对粒级大于0 ．0 7 4I T l n l ，小于 0 ．0 4 3r a m 和全粒级粉煤灰几乎没有分层作用．而 当风速较大时，可观察到极少量细泥状的黑色飘尘 浮在床层上表面． 对大于0 ．0 7 4m m 的各粒级粉煤灰，流化质量 和分层状况良好，流化后床层顶部和底部的样品中 碳质量分数有非常明显的差异，从分选模型机最顶 部得到的残余炭样品呈深黑色，碳质量分数高达 6 0 ％左右，非常纯净；而从分选机底部得到的灰分 样品则呈浅灰色，含碳量较低，部分分层试验结果 见表2 ，取样层高度可根据产品的质量要求灵活掌 握． 试验过程中，由于粉煤灰自生介质的粒度和粒 级搭配合理，因而在运行过程中，整个流化床区域 运行平稳，接近散式流态化，被分选的物料很快就 能在流化床中按密度分层，形成自上而下逐渐增大 的密度分布梯度．所需流化气速为0 ．1 5m ／s ，风压 为0 ．0 1 8M P a ，分层过程控制床层内部为负压状 态，无粉尘外逸，无空气污染． 万方数据 第6 期杨玉芬等流态化技术干法脱炭的理论分析与试验研究 表2 流态化分屡的实验结果 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff l u i d i z a t i o ns t r a t i f i c a t i o n 粒度／m m分层状况取样位置训 c ／％ O ．1 2 5 ～0 ．2 5良好 嚣6 上层5 8 ．0 3 00 7 4 ～025 0 良好中间层3 0 ．2 1 一一 工星 i 良好 篙 5 86 0 63 9 最终将分层后的下层高密度粉煤灰物料与分 级作业中得到的无需脱炭处理的0 ．0 7 4n l n l 以下 粒级的粉煤灰混合，最终产品的产率为8 6 ．5 5 ％， W c 为3 ．6 2 ％． 因此，采用干法筛分分级与流态化干法分层分 选相结合的工艺，能够满足肯塔基某电厂对产品的 质量要求，最终粉煤灰产品中残余z o c 低于4 ％． 3 结论 1 根据样品的粒度组成，残余炭的粒度大，容 易分级脱炭． 2 微观结构显示，残余炭与粉煤灰中氧化物 颗粒单体解离充分，易于用物理方法使二者分离． 3 粉煤灰与残余炭的密度差异较大，结合流 态化分层分选原理，采用流态化方法可以有效地分 离出0 ．0 7 41 T i m 以上粒级中的残余炭，工艺简单， 无需后续处理，控制负压操作，没有粉尘污染． 本文以美国艺利公司寄来的粉煤灰样品为研 究对象，提出了“先分级，后分选”的工艺，并实现了 采用流态化方法进行粉煤灰脱炭的分层分选结果， 希望这种方法能够有助于解决中国的粉煤灰脱炭 与综合利用问题． 参考文献 [ 1 ]何新露，常治铁，张丛香．粉煤灰选炭的试验研究 [ J ] ．粉煤灰，1 9 9 9 ，1 1 3 69 ． [ 2 ] 边炳鑫，吕一波，李哲．粉煤灰中未燃炭的分选试 验研究E J 3 ．煤炭学报，2 0 0 0 ，2 5 6 6 6 06 6 4 ． [ 3 ] Y a n gYF ，Z h a n gXX ， h e nQR ．R e s e a r c ho n e x i s t i n gp a t t e r no fc a r b o na n di t sr e m o v a lf r o mf l ya s h [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n d T e c h n o l o g y I nE n g l i s h ，2 0 0 2 ．1 2 2 1 7 2 1 7 5 ． [ 4 ] 邵靖邦，王祖讷，李浩．粉煤灰中的残余炭E J 3 ． 煤炭转化，1 9 9 7 ，2 0 4 ；2 0 一2 6 ． [ 5 ] 杨玉芬，陈清如，黎强．空气重介质流化床分选技 术的发展现状[ J ] 淮南工业学院学报，2 0 0 2 ，2 2 1 58 ． T h e o r e t i c a lA n a l y s i sa n dE x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nD r yR e m o v i n g C a r b o nw i t hF l u i d i z a t i o nM e t h o d Y A N GY u f e n l ，C H E NQ i n gr u 2 ，L U OZ h e n f u 2 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ．B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ．C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n za j 0T e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i ㈣n g 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t F l ya s hi saf i n ep o w d e r e ds o l i ds u b s t a n c ed i s c h a r g e dw i t hf l u eg a sf r o mb o t i e rc h a m b e ro fp o w e r s t a t i o na f t e rp u l v e r i z e dc o a li sb u r n e da th i g ht e m p e r a t u r e ．T h ee f f e c t i v ev a l u eo ff l ya s hd e p e n d su p o ni t s p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa sw e l la st h ec o n t e n to fu n b u r n e dc a r b o n u s u a l l y 0 ．0 7 4m m ．T h et e c h n o l o g yi so fs i m p l ep r o c e s sa n dn o e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ．T h i sp r o c e s sw i l lg i v eb e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o rs o l v i n gp o l l u t i o np r o b l e ma r o s ef r o m f l ya s h ． K e yw o r d s f l ya s h ；u n b u r n e dc a r b o n ；f l u i d i z a t i o n ；d r yb e n e f i e i a t i o n ；s e p a r a t i o nm e d i u m ；o b j e c t i v em i n e r a l 责任编辑陈其泰 万方数据