煤气化渣铝硅组分活化分离应用研究
来源:用户上传
作者:陈林
摘 要：煤气化会产生大量的煤气化渣，内含的铝、硅和碳资源有极大的资源化利用价值，本文在明确煤气化渣的矿相结构、元素分布及灰渣反应活性的前提下，提出循环酸活化-稀碱脱硅制备高模数硅酸钠溶液联产聚合氯化铝的技术，进行酸浸渣稀碱脱硅过程工艺的优化，明晰煤气化渣活化及脱硅的机理，实现煤气化渣的大规模资源化利用。
关键词：煤气化渣 铝硅组分 活化 分离
随着煤炭清洁利用的发展，气化渣的产生量日趋增多，以气流床IGCC气化工艺为例，煤气化渣的生成过程是在气化炉中输入的煤或煤焦原料，通入氧气或含氧空气，煤炭不完全燃烧后沉入骤冷室底部排渣口排出粗渣，粒度较细的颗粒与黑水一同排出，压滤后形成黑水滤饼产生细渣，分析煤气化渣铝硅组分活化分离的综合利用，实现煤气化渣的资源化利用。
1 煤气化工艺及气化渣的生成概述
煤气化工艺较多，最为典型的主要包括有气流床加压气化工艺、流化床煤粉加压气化工艺、固定床碎煤工艺，在煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧的过程中，会生成煤气化粗渣和煤气化细渣，粗渣颗粒粒径为3.75～9.00mm，细渣颗粒粒径为500μm以下，含碳量高、粒径较低，主要表现为非晶态铝硅酸盐矿相，其化学成分主要为铝、硅和碳，杂质成分则包括钙、镁、铁、钠、钛等元素，粗渣中颗粒主要为铝硅酸盐矿物颗粒或碳与无机颗粒结合体，细渣中颗粒主要为铝硅酸盐矿物。
2 煤气化渣的物性分析
2.1 煤气化渣成分分析方法
在灰渣堆不同部位的气化渣取质量相近的样品，将其置于干燥箱中进行干燥，对干燥后的部分煤气化渣样品置于马弗炉中脱碳，采用XRF与溶样测定液相离子浓度的方法，分析煤气化渣样品中无机组分含量，另一部分煤气化渣置于碳-硫分析仪，反复3次测定碳含量，再根据碳含量、样品XRF分析结果、样品溶样后液相离子浓度，折算出样品各成分含量，采用X荧光光谱仪分析焙烧脱碳后样品的主量元素构成，通过加热消解、电感耦合等离子体发射光谱仪分析煤气化渣主要元素的含量。
2.2 煤气化渣矿相定量分析方法
采用X射线衍射仪分析不同样品的矿相构成，矿相定量分析方法为内标法，在待测粉末样品中添加含量恒定的标准物质，均匀混合成复合试样，测量复合待试样及内标物的某一衍射峰强度，获悉待测相的含量。
2.3 煤气化渣颗粒特性分析
采用CS-3000碳硫分析仪测定煤气化渣样品中的碳含量，并选用Mastersizer 2000的激光粒度仪进行样品的粒径分析，反复3次测试并获取平均值。选用JSM-7610F冷场发射扫面电子显微镜观察煤气化渣样品的形貌，并进行化学成分分析。选取熔融仪测定灰熔点，获取4个熔融温度：变形温度、软化温度、半球温度、流动温度。另外，选用等温热重法测定二氧化碳反应活性。
3 煤气化渣循环酸活化-稀碱脱硅工艺的应用
煤气化渣含有较高的碳，杂质含量较高，铝硅活性较低，直接酸浸活化煤气化渣的酸耗较高，难以进行煤气化渣中硅资源的回收利用。为此可以引入煤气化渣循环酸活化-稀碱脱硅的工艺，采用先酸后碱的方式，高效提取煤气化渣铝硅资源。在考察酸浸过程及循环过程对煤气化渣提铝除杂的影响特性前提下，制备聚合氯化铝产品，并以酸活化渣为原料，分析不同碱浓度、反应温度、液固比对煤气化渣脱硅效率的影响特性，合理确定最佳工艺方案。
3.1 实验准备
实验选取气流床气化炉，采用湿排渣的气化排渣方式，试验设备包括有干燥箱、电子天平、水浴、真空泵等。
3.2 实验分析方法
3.2.1 循环酸浸法
在温和条件下采用循环酸浸法活化煤气化渣，高效去除煤气化渣中的杂质，进行煤气化渣中铝的回收和再利用，并将循环后的酸液用于制备聚合氯化铝。具体流程为：均匀取样、烘干煤气化渣，由行星式球磨机进行破碎，与酸液产生反应，获悉不同盐酸浓度、反应时间、反应温度、液固比对氧化铝和氧化铁浸出率的影响，再进行真空抽滤，添加适量盐酸，使滤液达到酸浸初始条件下的酸浓度，为后续循环酸浸反应做准备。在酸液循环4次之后，添加定量铝酸钙进行聚合，分析聚合温度、聚合时间、铝酸钙添加量对聚合氯化铝产品的影响。
3.2.2 稀碱脱硅
在明确酸浸渣性质改变机理的条件下，以酸浸活化后煤气化渣为原料，采用稀碱脱除煤气化渣中的硅，并分析碱浓度、反应温度、反应时间、液固比对脱硅率和脱硅液模数的影响。
3.2.3 分析方法
（1）固体核磁。采用Si固体核磁进行原渣、酸浸渣和脱硅渣的分析，在6mm探针的旋转器中置入煤气化渣检测样品，相关参数为：分析频率119.13MHz、单脉冲旋转频率8kHz、自由感应衰减信号0.01s、脉冲6μm、循环时间5s，由此可以获悉煤气化渣中硅的化学配位结构，了解煤气化渣在酸浸过程中的变化。（2）颗粒孔道结构。可以选用Quantachrome吸附仪进行样品的N2吸附，吸附温度为77K，孔容相对压力为0.99，并采用t-plot法测试微孔及介孔的表征。
3.3 结果与讨论
（1）煤气化渣循环酸浸制备聚合氯化铝。聚合氯化铝是水溶性无机高分子聚合物，由三氯化铝和氢氧化铝水解而成，可以通过对煤气化渣的酸浸处理方式，实现铝离子、铁离子的高效浸出，确定最佳浸出条件，在循环酸浸条件下进行铝离子的高度富集，有效调控铁离子浸出率，得出浸出过程中酸浓度、反应温度、反应时间、液固比对氧化铝和氧化铁浸出特性的影响。
经考察分析可知，酸浸工艺的优化条件为：反应温度90℃、酸浓度200g/L、反应时间120min、液固比5mL/g，该优化工艺条件下的氧化铝浸出率为45%，氧化铁浸出率65%。同时，确定最佳循环酸浸次数为4次，最佳液固比为4mL/g，最佳聚合温度为80℃，最佳聚合时间为2h。在最优反应条件下，氧化铝含量可达10%，盐基度可达44%。
（2）酸活化过程机理。可以采用酸活化的方式改善煤气化渣的性质，实现煤气化渣活化后的资源化利用。由于煤氣化渣颗粒中的无机元素大多包裹于非晶态铝硅盐中，极大地影响了煤气化渣铝硅的反应活性，不利杂质元素的有效脱除。而在酸浸反应过程中，非晶态包裹结构不再完整，大量反应活性位点从颗粒孔道结构中脱离出来，提高了煤气化渣的反应活性。
（3）稀碱脱硅工艺优化。酸浸后煤气化渣的主要成分为硅、碳元素，在铝硅配位结构发生改变的条件下，能够高效脱除活性较高的铝、铁、钙等杂质，实现对硅元素的有效回收。对于稀碱脱硅工艺的优化工艺条件进行考察分析可知，考虑到碱耗的存在，因而选择最佳碱浓度为50g/L。在相同碱浓度的条件下，最佳反应温度为150℃，最佳液固比为5mL/g，反应时间设定为8h最佳。
4 结语
综上所述，煤气化渣铝硅组分活化分离可以采用循环酸活化-稀碱脱硅工艺，进行循环酸活化及聚合调控制备聚合氯化铝工艺的优化，实现铝元素的高效富集和硅元素的高效利用。后续还要开展物理法高效分离煤气化渣无机质与碳的研究，提升聚合氯化铝产品的制备性能，系统研究高模数硅酸钠溶液的应用拓展，实现对煤气化渣的资源化高效利用。
参考文献
[1] 商晓甫，马建立，张剑，等.煤气化炉渣研究现状及利用技术展望[J].环境工程技术学报，2017（6）：712-717.
[2] 刘开平，赵红艳，李祖仲，等.煤气化渣对水泥混凝土性能的影响[J].建筑科学与工程学报，2017（5）：190-195.
[3] 李刘强.浅析新形势下煤炭地下气化技术[J].能源技术与管理，2017（4）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15189411.htm
