李慧澤，董連平，鮑衛(wèi)仁，王建成，樊盼盼，樊民強(qiáng)

（1 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2 太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024）

煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的核心技術(shù)。我國每年產(chǎn)生超過3300 萬噸的氣化渣[1]，目前其處置方式主要是堆存與填埋，尚未進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)利用，這不僅帶來了巨大的環(huán)保壓力，還給企業(yè)帶來很多的處理費(fèi)用，嚴(yán)重制約煤氣化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

氣化渣主要由殘?zhí)亢突椅镔|(zhì)組成。殘?zhí)烤邆涠嗫滋攸c(diǎn)，是制備吸附材料的理想原料，可用于制備活性炭、處理造紙廢水[2]和洗煤廢水[3]、改良土壤[4]、重金屬降解[5]、制備催化劑[6]、制備除臭劑[7]和生物種群控制等[8]，也可作為橡膠填料中的一種成分來改善其固化性能和力學(xué)性能[9]。灰物質(zhì)主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，是制備傳統(tǒng)建工建材產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料，也可用于制備高強(qiáng)度的聚合物復(fù)合材料[10]、陶瓷[11]、改性聚乙烯復(fù)合材料[12]和介孔玻璃微球等[13]。

煤氣化渣的利用途徑主要集中在灰物質(zhì)的利用或殘?zhí)康睦脙蓚€方面，但殘?zhí)康拇嬖跁拗苹椅镔|(zhì)的利用，灰物質(zhì)的存在也同樣限制殘?zhí)康睦?。因此，煤氣化渣的?灰分離是實(shí)現(xiàn)其分質(zhì)利用的基礎(chǔ)。

目前炭-灰分離的方法研究以浮選為主，研究對象主要為煤氣化渣中殘?zhí)亢枯^高的細(xì)渣。張曉峰等[14]從氣化渣特性角度對氣化渣浮選的可行性進(jìn)行了綜述。劉冬雪等[15]在利用浮選精炭制備活性炭的研究中利用煤油和2 號油浮選得到了燒失量85.03%的精炭，產(chǎn)率為21.81%（本文均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。胡俊陽等[16]在利用浮選精炭處理染色廢水的研究中利用2號油和煤油浮選得到了含碳量88.92%的精炭，產(chǎn)率為16.12%。趙世永等[17]研究了超聲波預(yù)處理礦漿、捕收劑與起泡劑用量對Texaco 氣化渣浮選的影響，其可燃體回收率最高可達(dá)7.33%。葛曉東[18]對比研究了浮選機(jī)和浮選柱對氣化細(xì)渣的分選影響，結(jié)果顯示浮選柱的浮選完善指標(biāo)高于浮選機(jī)，浮選柱所得精礦灰分可達(dá)23.66%（本文均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），產(chǎn)率可達(dá)54.91%。Guo 等[19]研究了三段泡沫浮選法對氣化渣分選的影響，并對浮選殘?zhí)亢蜌饣瓨拥奶匦赃M(jìn)行了分析。該方法最終所得精礦的碳回收率和燒失量分別為52.65%和64.47%。浮選技術(shù)對氣化渣提碳及高灰物質(zhì)脫碳具有一定分離效果，但由于氣化渣中存在一些粒度較大的顆粒，特別是殘?zhí)慷嗫紫兜仍驅(qū)е滤巹┯昧枯^大甚至浮選難以實(shí)現(xiàn)，目前尚不具備工業(yè)應(yīng)用的條件。尋求一種粒度適應(yīng)范圍寬且分離成本較低的炭-灰分離方法對煤氣化渣的分質(zhì)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文依據(jù)煤氣化渣中殘?zhí)颗c灰物質(zhì)的密度差異，提出利用水介質(zhì)旋流器對氣化渣進(jìn)行炭-灰分離的思路，通過分析煤氣化渣不同密度組分的性質(zhì)，確定氣化渣水介質(zhì)旋流炭-灰分離的可行性，試驗(yàn)研究了水介質(zhì)旋流器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對分選效果的影響規(guī)律，研究結(jié)果對于實(shí)現(xiàn)氣化渣的低成品精準(zhǔn)分離及資源化利用具有重要指導(dǎo)意義。

1 樣品物性與重選可行性分析

樣品采自寧夏寶豐能源集團(tuán)股份有限公司某氣化廠氣化黑水經(jīng)絮凝、沉降、脫水后的細(xì)渣，采回后自然風(fēng)干混均，供后續(xù)試驗(yàn)和分析用。

1.1 粒度分布

對樣品進(jìn)行濕法篩分，其粒度組成見表1。

表1 試驗(yàn)物料粒度組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

寶豐氣化細(xì)渣以細(xì)粒為主，＜0.074mm 粒級含量占81.87%，灰分75.86%；＞0.074mm 粒級灰分53.70%，存在分選的必要性及價值。本文主要考查＞0.074mm 粒級重力分選的可行性及水介質(zhì)旋流分選的效果。

1.2 樣品物性分析

將＞0.074mm 粒級烘干后樣品利用密度為2.2g/cm3的重液進(jìn)行浮沉，分為浮物與沉物，浮物產(chǎn)率為58.23%。為了解原樣、浮物、沉物的礦物質(zhì)組成成分，為后續(xù)煤氣化渣的分質(zhì)利用提供基礎(chǔ)，對原樣、浮物、沉物進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、灰成分分析以及XRD 分析。結(jié)果見表2、表3，XRD分析結(jié)果如圖1所示。

表2 工業(yè)和元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

表3 灰成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 單位：%

圖1 樣品XRD分析

由工業(yè)與元素分析結(jié)果可知浮物灰分29.28%、碳元素含量66.05%、沉物灰分95.98%、碳元素含量4.34%，初步證明了按密度實(shí)現(xiàn)炭-灰分離的可行性。

由灰成分分析可知，樣品灰分組成均以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 為主，以灰分含量折合到原樣、浮物與沉物時，Si、Al、Fe、Ca四種元素在沉物中得到富集，浮物中相對較少。XRD 圖中標(biāo)出的均為晶體結(jié)構(gòu)的礦物質(zhì)，其中20°～30°之間存在的寬峰為非晶體物質(zhì)，以無定形碳為主[20]。原樣中以石英、鉀長石、方解石、方沸石、硬石膏和無定形碳為主；沉物中以石英和方解石為主，無定形碳幾乎沒有；浮物中無定形碳含量明顯增多。通過灰成分分析與XRD 分析同樣證明了氣化渣可以通過密度差異實(shí)現(xiàn)炭-灰分離。

使用ASAP-2460 比表面積測定儀對原樣、浮物與沉物的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，結(jié)果見表4與圖2。3種物料的吸附-脫附曲線如圖3所示。

表4 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 孔徑分布

圖3 吸附-脫附曲線

從孔徑分布圖可以看出3種物質(zhì)均以中微孔為主。原樣和浮物的吸附-脫附曲線屬于Ⅳ類等溫曲線，反映出其中存在中孔結(jié)構(gòu)。浮物的孔隙體積和比表面積均遠(yuǎn)大于沉物，浮物的吸附性能較原樣有較大提高，沉物基本無吸附性。從后續(xù)利用角度，浮物可作為制備活性炭的前體，而沉物可作為建材使用，為煤氣化渣分質(zhì)利用提供了可能。

1.3 視密度分選可行性

由于低密度浮物具有較大的孔體積而沉物基本不存在孔體積，當(dāng)二者浸于水中時，其視密度的差異較真密度差異增大，致使重力分選評定系數(shù)變大，使在水介質(zhì)中分選更容易實(shí)現(xiàn)。

煤氣化渣在水介質(zhì)中的視密度計算見式(1)，物料重力分選可選性評定系數(shù)計算見式(2)。

式中，ρ水為水介質(zhì)密度；V孔為固體孔體積；δ固為固體真密度；m固為固體質(zhì)量；δ1為低密度物的密度；δ2為高密度物的密度；ρ為分選介質(zhì)密度。

對煤氣化渣原樣、浮物、沉物進(jìn)行真密度測定，結(jié)合其孔體積計算浮物與沉物在水介質(zhì)中的重力分選可選性評定系數(shù)見表5。

表5 煤氣化渣可選性分析

由測定與計算結(jié)果可以看出，由于浮物與沉物孔體積差異的影響，重力分選可選性評定系數(shù)由1.6923增加至2.0987，可選性等級由較難選改變?yōu)檩^易選，為煤氣化渣的水介質(zhì)分選創(chuàng)造了條件。

2 試驗(yàn)裝置及方法

水介質(zhì)旋流分選系統(tǒng)如圖4所示，包括水介旋流器、壓力表、流量計、渣漿泵、攪拌桶等。

在攪拌桶內(nèi)配制成一定濃度的煤氣化渣礦漿，經(jīng)攪拌混合均勻后由渣漿泵以一定壓力切向給入水介質(zhì)旋流器，不同性質(zhì)顆粒被分離成底流與溢流產(chǎn)品。入料壓力與礦漿流量可通過變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，壓力與流量由壓力表與電磁流量計在線顯示。待系統(tǒng)工況穩(wěn)定后，同時間段內(nèi)接取底流與溢流產(chǎn)品進(jìn)行篩分、過濾、烘干、稱重、化驗(yàn)，計算各粒級產(chǎn)率與灰分作為評定煤氣化渣炭-灰分離的直觀指標(biāo)，溢流可燃體回收率、灰分回收率、綜合效率作為分離效果指標(biāo)。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)

可燃體回收率是反映溢流產(chǎn)品相比原料對可燃炭的回收程度，計算公式見式(3)?；曳只厥章适欠从骋缌鳟a(chǎn)品相比原樣對不可燃灰分的回收程度，計算公式見式(4)。綜合效率是評定分選效果的一個常用指標(biāo)，是可燃體回收率與灰分回收率的差值，常用符號η表示，見式(5)。計算入料灰分的計算公式見式(6)。

式中，ε 為可燃體回收率；ε′為灰分回收率；γy為溢流產(chǎn)率；Ay為溢流灰分；Ai為計算入料灰分；Ad為底流灰分。

3 結(jié)果與分析

旋流器內(nèi)流體的流動形式為典型的三維雙螺旋運(yùn)動，不同密度與粒度的顆粒在其中的分離主要受流場中靜態(tài)壓力、湍流強(qiáng)度、切向速度、軸向速度等因素的影響。密度大或粒度粗的顆粒由于受到的離心力較大，進(jìn)入外旋流向下運(yùn)動從底流口排出，而密度小或粒度細(xì)的顆粒由于受到的離心力較小，難以克服旋流器內(nèi)液體向心曳力作用，集中在旋流器中心區(qū)域跟隨內(nèi)旋流從中心溢流管排出[21]。水介質(zhì)旋流器入料壓力的增大會導(dǎo)致靜態(tài)壓力和切向速度的增大，并對不同徑向范圍的軸向速度產(chǎn)生影響。溢流管插入深度的增加對靜態(tài)壓力和切向速度影響微小，但引起軸向速度和湍流強(qiáng)度的增加。溢流口直徑和底流口直徑的增大會造成靜態(tài)壓力的減小，最大切向速度點(diǎn)附近切向速度和不同徑向范圍軸向速度的變化，并引起湍流強(qiáng)度降低。錐體角度越大，流體向下流動受到的阻礙越大，從而產(chǎn)生更多的溢流。上述諸因素在煤泥分選過程中對分選效果均有較明顯的影響[22]。

本文試驗(yàn)研究包括單因素影響試驗(yàn)與響應(yīng)曲面試驗(yàn)兩部分。單因素試驗(yàn)確定入料壓力、溢流管插入深度、溢流口直徑、底流口直徑及旋流器錐體角度對氣化渣炭-灰分離的影響規(guī)律；響應(yīng)曲面試驗(yàn)用于確定各因素的交互作用及對分選指標(biāo)影響的定量關(guān)系。

3.1 單因素試驗(yàn)

在其他參數(shù)不變情況下，分別改變?nèi)肓蠅毫?、溢流管插入深度、溢流口直徑、底流口直徑與錐體角度，考察各因素對炭-灰分離效果的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見表6。由試驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論如下所述。

（1）入料壓力對分選效果的影響不大，溢流灰分在24%左右，底流灰分在90%以上，在壓力0.10MPa時可燃體回收率與灰分回收率略大，綜合效率最高。

（2）隨溢流管插入深度增加，溢流灰分增加，溢流產(chǎn)率增加，底流灰分變化不大，可燃體回收率變化不大的情況下，灰分回收率顯著增加，導(dǎo)致分選綜合效率下降，所以溢流管插入深度不宜過大。

（3）隨溢流口直徑增加，溢流灰分與底流灰分增加，在溢流口直徑45mm 時，底流灰分小于90%，可燃體回收率與綜合效率均較低，因此溢流口直徑不宜過小。

（4）隨底流口直徑增加，溢流灰分與底流灰分明顯下降，分選綜合效率提高，在底流口直徑22mm 時，溢流灰分較低為23.19%，底流灰分93.52%，綜合效率較高，因此底流口直徑不宜太小。

（5）隨錐體角度增大，溢流灰分與底流灰分明顯增加，分選綜合效率先增加而后降低，在錐體角度為60°時，分選綜合效率最高。

表6 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.2 曲面響應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，水介質(zhì)旋流器錐體角度、底流口直徑及溢流管插入深度對煤氣化渣炭-灰分離效果影響明顯，所以采用這3 個參數(shù)作為因素，利用Design-Expert軟件設(shè)計了13組試驗(yàn)，不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表7。通過軟件分析因變量溢流灰分（Y1）、底流灰分（Y2）、溢流產(chǎn)率（Y3）、綜合效率（Y4）與結(jié)構(gòu)參數(shù)自變量錐體角度（A）、底流口直徑（B）、溢流管插入深度（C）的定量關(guān)系。

選用二階多項(xiàng)式模型，對分選結(jié)果進(jìn)行擬合，未剔除不顯著項(xiàng)時響應(yīng)曲面圖形如圖5～圖8所示。

由圖5可見，隨溢流管插入深度增加，溢流灰分增加；在溢流管插入深度較淺時，錐體角度與底流口直徑對溢流灰分的影響不明顯，在溢流管插入深度較深時，錐體角度與底流口直徑對溢流灰分的影響明顯；隨錐體角度的增大及底流口直徑的減小，溢流灰分增加。

表7 曲面響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 溢流灰分影響曲面

圖6 底流灰分影響曲面

圖7 溢流產(chǎn)率影響曲面

圖8 分選綜合效率影響曲面

由圖6可見，隨溢流管插入深度增加，底流灰分增加；在溢流管插入深度較深時，錐體角度與底流口直徑對溢流灰分的影響更明顯，隨錐體角度的增大及底流口直徑的減小，底流灰分增加。

由圖7可見，隨溢流管插入深度增加，溢流產(chǎn)率增加；在溢流管插入深度較深時，錐體角度與底流口直徑對溢流產(chǎn)率的影響更明顯，隨錐體角度的增大及底流口直徑的減小，溢流產(chǎn)率增加。

由圖8 可見，在溢流管插入深度較淺時，各結(jié)構(gòu)下的分選綜合效率均較高，錐體角度與底流口直徑的影響不明顯。在溢流管插入深度較深時，隨錐體角度的變小和底流口直徑增大，綜合效率增加。

響應(yīng)面回歸模型及各項(xiàng)的可靠性評判依據(jù)分別為R2（可決系數(shù)）和P。擬合優(yōu)度檢驗(yàn)中，R2越接近1 代表模型越顯著，響應(yīng)面與實(shí)際值間差異越小。P是檢驗(yàn)各因子顯著程度的標(biāo)準(zhǔn)。P＜0.05表示顯著，P＜0.01表示非常顯著[23]。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式多元回歸擬合得到各模型方程，并依據(jù)P對不顯著項(xiàng)逐項(xiàng)剔除，得到各因變量與自變量的模型方程和對應(yīng)的R2如式(7)～式(10)。各響應(yīng)面模型及各項(xiàng)的P見表8。

表8 響應(yīng)面模型P值

從R2來看，各模型的方程擬合程度較高。Y1、Y2、Y3、Y4方程的P 均小于0.05，說明各個模型的方程均是顯著的。

通過模型方程與表8可知，錐體角度、底流口直徑與溢流管插入深度各自對分選存在顯著影響。對溢流灰分Y1影響顯著的交互項(xiàng)為AC（錐體角度與溢流管插入深度）和BC（底流口直徑與溢流管插入深度）；底流灰分Y2無影響顯著的交互項(xiàng)；溢流產(chǎn)率Y3無影響顯著的交互項(xiàng)；對綜合效率Y4影響顯著的交互項(xiàng)為AC （錐體角度與溢流管插入深度）。

不同底流口直徑下溢流管插入深度和錐體角度對溢流灰分的交互影響如圖9所示?？梢钥闯觯诲F體角度下，隨著溢流管插入深度的增加，溢流灰分逐漸增加。不同錐體角度下，溢流管插入深度對溢流灰分的影響程度不同。錐體角度較大時，溢流管插入深度引起的溢流灰分變化幅度大于錐體角度較小時。相同溢流管插入深度時，隨著錐體角度的增大，溢流灰分逐漸增加。溢流管插入較深時，錐體角度的增大引起的溢流灰分變化幅度大于溢流管插入較淺時。比較圖9(a)～(c)可知，底流口直徑增大時，曲面趨于平緩，溢流灰分整體降低。

不同錐體角度下底流口直徑和溢流管插入深度對溢流灰分的交互影響如圖10 所示。相同底流口時，隨著溢流管插入深度的增加，溢流灰分不斷增加。不同底流口時，溢流管插入深度的變化對溢流灰分的影響程度不同。底流口較小時，溢流管插入深度對溢流灰分的影響大于底流口較大時。相同溢流管插入深度時，隨著底流口的增大，溢流灰分逐漸降低。不同溢流管插入深度時，底流口對溢流灰分的影響程度不同。溢流管插入較深時，底流口直徑對溢流灰分的影響大于溢流管插入深度較淺時。比較圖10(a)～(c)可知，錐體角度增大時，曲面陡峭程度增加，溢流灰分整體升高。

不同底流口直徑下溢流管插入深度和錐體角度對綜合效率的交互影響如圖11 所示。不同錐體角度下，溢流管插入深度對綜合效率的影響程度不同。錐體角度較大時，溢流管插入深度對綜合效率影響程度大于錐角較小時。錐體角度90°時，隨著溢流管插入深度增加，綜合效率呈下降趨勢。不同溢流管插入深度時，錐體角度對綜合效率的影響程度和影響規(guī)律不同。當(dāng)溢流管插入175mm 時，隨著錐體角度的增加，綜合效率大幅下降；當(dāng)溢流管插入深度95mm時，隨著錐體角度的增加，綜合效率呈現(xiàn)略微上升。比較圖11(a)～(c)可知，底流口直徑增大時，曲面趨于平緩，綜合效率整體升高。

圖9 AC對溢流灰分的影響

圖10 BC對溢流灰分的影響

圖11 AC對綜合效率的影響

4 結(jié)論

（1）煤氣化渣不同密度組分性質(zhì)不同，低密度浮物固定碳含量高且孔隙發(fā)達(dá)，高密度沉物灰含量高且基本不存在孔隙。按密度分離后產(chǎn)品碳含量與吸附性能的顯著區(qū)別為氣化渣分質(zhì)利用提供了條件。由于孔隙的影響，浮物與沉物在水介質(zhì)中視密度差異大，重力分選可選性變好。

（2）浮選法本身會造成藥劑污染和費(fèi)用。氣化渣的多孔特點(diǎn)還造成了浮選藥劑消耗大及孔隙內(nèi)藥劑難回收的新問題。因此，對于煤氣化渣的分選，水介旋流分選法比浮選法更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。同時，水介旋流分選法具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、分選效率高、分選效果好等優(yōu)點(diǎn)。

（3）通過單因素試驗(yàn)確定了各參數(shù)對煤氣化渣炭-灰分離效果的影響規(guī)律，經(jīng)分析認(rèn)為溢流管直徑取51mm、溢流管插入深度取90mm、底流口直徑取22mm、錐體角度在60°時分選效果好，綜合效率可達(dá)到70%以上。

（4）水介質(zhì)旋流器對煤氣化渣＞0.074mm粒級炭-灰分離效果良好，溢流灰分可控制在25%以下，底流灰分大于95%，分選綜合效率可以達(dá)到70%以上。

（5）通過響應(yīng)曲面試驗(yàn)與分析得到了錐體角度、溢流管插入深度及底流口直徑對溢流灰分、底流灰分、溢流產(chǎn)率及綜合效率的模型方程，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的交互作用，為水介質(zhì)旋流器分選效果預(yù)測與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。