双流化床气化飞灰清洁排放研究_汪亚斌.pdf

双流化床气化飞灰清洁排放研究 汪亚斌, 吴升潇, 任 烨 陕西延长石油集团有限责任公司 碳氢高效利用技术研究中心, 陕西 西安 710075 摘 要 针对双流化床气化装置采用干法排灰, 气化飞灰直接下排至车厢内造成严重的粉 尘污染问题。 提出通过化学法对粉煤灰表面改性, 使其以灰泥方式排放, 降低污染的技术途 径, 并对排灰系统进行改造。 现场排灰实验结果表明, 由质量分数为 0. 5的表面活性剂与水 混合配制成飞灰润湿剂, 润湿剂阀门开度为 25、 给料器频率为 5时, 装置稳定排灰。 关键词 双流化床; 气化飞灰; 排灰; 表面活性剂; 表面改性 中图分类号 X513 X505 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202010-0065-03 收稿日期 2020-07-03 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 10. 017 作者简介 汪亚斌1991, 男, 甘肃甘谷人, 2017 年毕业于中国石油大学化学工程与工艺专业, 陕西延长石油集团碳氢高效利用技 术研究中心助理工程师。 引用格式 汪亚斌, 吴升潇, 任 烨. 双流化床气化飞灰清洁排放研究 [J]. 煤炭加工与综合利用, 202010 65-67. 双流化床煤气化装置耦合了美国 KBR 公司、 美国 南 方 电 力 公 司 SGT、 延 长 石 油 集 团 YCPC的先进煤气化技术, 采用了美国 KBR 公 司和南方电力公司共同开发的输运床气化技术和 碳氢研究中心自主开发的焦油裂解技术, 特点是 干粉进料、 干法排渣非熔渣、 粗合成气废锅流 程回收显热。 运行过程无黑水产生, 无需水冷, 水耗低, 可有效缓解我国西部地区水资源匮乏、 生态环境脆弱对煤化工发展的环境制约[1-2]。 然 而, 灰仓收集的粉煤灰外排造成的粉尘污染一直 制约着装置的清洁生产, 亟待改造灰仓排灰方 式, 并研究一种使粉煤灰表面发生改性的润湿剂 溶液达到清洁高效排灰。 1 灰仓排灰方式存在的问题 双流化床气化装置原有排灰方式为间歇式排 灰, 底部安装散装机, 在需要排灰时, 先打开一 道电磁插板阀下料, 待料位下到一定程度后打开 另一道手动插板阀, 打开灰仓下方的散装机将灰 排至灰车内, 在灰车车厢上用油布遮盖。 装置排 灰流程如图 1 所示。 灰分由竖直管道下落时有一定的落差, 产生 向下的冲击力, 卸灰时大量飞灰扬起, 污染环 境。 根据工作场所空气粉尘浓度管理标准[3], 本 图 1 灰仓原有排灰流程 装置检测短时间呼尘浓度 C 大于 16 mg/ m3, 不 符合工作场所粉尘浓度要求, 对操作人员造成危 害风险。 因此, 降低粉尘污染刻不容缓。 2 气化飞灰特性 在气化炉投煤期间, 灰仓主要接收合成气冷 却器细灰。 细灰的主要成分为 Al2O3、 Fe2O3、 SiO2等。 细灰样品的常规分析项目见表 1, 图 2 为细灰粒度分布。 由图和表可以看出, 造成粉煤 灰排放时扬尘的原因是气化煤灰粒径小、 密度 小, 煤灰从灰仓底部至车厢约 10 m, 排灰时煤灰 受到车厢的冲击, 形成云状粉尘。 另外, 干煤灰 具有一定的粘附性[4], 容易在灰仓锥部架桥。 当 出现煤灰架桥现象时, 通常采用 0. 35 MPa 氮气 对灰仓锥部进行反吹, 导致待压粉煤灰下排至车 56 煤炭加工与综合利用 No. 10, 2020 COAL PROCESSING 化学法包括耦联剂改 性[5]、 表面活性剂[6]和低分子聚合物包覆改性等, 一般根据应用高分子材料基体不同, 效果差别较 大。 本装置选择采用由南京大学提供的表面活性 剂对双流化床气化装置粉煤灰进行化学表面改性。 表面活性剂的主要成分为聚乙二醇、 十二烷基硫 酸钠、 蛋白水泥发泡剂和氨基磺酸钠盐, 利用表 面活性剂的润湿性能[6]使灰分加速溶解。 4 基于化学法表面改性对双流化床排灰系统的改造 改造后的排灰系统主要新增表面活性剂预处 理釜、 星型给料器、 双螺旋搅拌器等设备, 如图 3 所示。 表面活性剂预处理釜接收新鲜水、 表面 活性剂、 NaOH 溶液, 充分搅拌混合后形成灰分 润湿剂; 星型给料机由电机、 壳体、 转子、 叶 轮、 基座、 减速机、 轴等组成, 通过电机传动使 带有等分结构的叶轮在壳体内旋转、 将壳体上部 料仓落入的物料均匀地从下部卸出; 双轴搅拌器 主要由机壳、 螺旋轴总成、 驱动装置、 配管、 盖 板、 链罩等部件组成, 利用两根呈对称状的螺旋 轴的同步旋转, 在输送干灰物料的同时加润湿剂 搅拌, 均匀加湿干灰物料, 达到不冒干灰的目 的, 从而便于灰泥装车运输。 首先, 在灰仓排灰管线安装调节阀, 后接星 型给料器; 其次, 在星型给料器底部安装双螺杆 搅拌器。 搅拌后的灰泥经由较大口径的排灰管道 在重力作用下落入灰车, 确保整个排灰过程中灰 量可控, 气化飞灰转化为可流动性灰泥, 达到环 保目的。 图 3 改造后排灰流程 5 影响双流化床煤气化装置高效排灰的因素 5. 1 润湿剂的配比 配制的润湿剂溶液对灰分的润湿能力取决于 其气液界面张力、 飞灰组成等[7], 影响粉煤灰 润湿效果的因素主要包括润湿剂表面活性张力、 粉煤灰组成、 粉煤灰表面粒子及电荷、 粉煤灰粒 子颗粒微观形貌等[8]。 由于煤灰中含有硅、 铝等 元素的氧化物[9], 因此加入适当的 NaOH 溶液, 使混合后的溶液 pH 在 711。 分别配制润湿剂质 量分数为 0、 0. 25、 0. 5、 1, pH 在 711 的 碱溶液, 加入试验收集的细灰搅拌、 静置 5 min。 对上述不同质量分数的溶液进行激光粒度分析, 通过测定悬浮液中飞灰颗粒分布, 研究燃煤飞灰 在润湿剂中的润湿性能[10]。 润湿剂质量分数小于 0. 5时, 随着质量分 数的上涨, 溶液中的飞灰颗粒显著减少, 有效增 大飞灰的润湿程度; 润湿剂浓度从 0. 5增大到 1时, 润湿性能随浓度增大变化不明显。 因此 配制表面活性剂质量分数为 0. 5的溶液即润湿 剂能够有效溶解灰分, 避免灰尘污染。 66 煤炭加工与综合利用2020 年第 10 期 5. 2 星型给料器频率及润湿剂流量 在实际排灰操作中, 经常面临如下难点 灰 仓下灰量多时, 润湿剂量少导致部分灰分未被湿 润, 进而造成扬尘, 污染环境; 灰仓下灰量少 时, 润湿剂量多将造成结合后的湿灰分过稀, 长 时间会堵塞双螺杆搅拌器下部的排灰口。 为了避 免上述问题, 需要调试星型给料器的频率及润湿 剂溶液的给量, 使灰分与润湿剂结合后形成颗粒 状湿灰, 并且及时送至灰车。 由于现有排灰系统无润湿剂流量计, 操作时 主要以润湿剂管线的碟阀控制其流量, 根据单位 时间润湿剂预处理斧的液位下降值算出其流量。 在某次排灰期间, 标定星型给料器频率与下灰 量、 润湿剂阀门开度的关系, 见表 3、 表 4。 表 2 不同给料器频率的灰仓下灰量 给料器频率/ 5101520 蝶阀下灰量/ kgh -1 2 0003 8004 5005 300 表 3 不同给料器频率下对应的润湿剂阀门开度 给料器频率/ 5101520 润湿剂阀门开度/ 255075100 由表 2、 表 3 可看出, 给料器频率在 5、 10、 15、 20时, 对应润湿剂的阀门开度可 以保证煤灰与润湿剂结合成理想的湿灰颗粒; 给 料器频率在 20时, 润湿剂阀门开度已达 100, 因此给料器频率不能超过 20, 以避免喷灰。 5. 3 气化煤种 双流化床气化装置气化技术适用于褐煤和低 变质烟煤, 原料煤适用范围占煤炭总量的 55, 可处理灰分高达 40的劣质煤, 打破了其他气化 炉灰分含量不能超过 20的禁区。 不同煤种的气 化煤灰的特性粘附度、 粒径、 密度等各有差 异, 因此在排灰前期需针对煤灰分的特性, 选择 润湿剂的最佳配比, 调整星型给料器频率、 润湿 剂流量, 制定不同煤种时气化飞灰的排灰方案。 6 结论与讨论 1通过现场操作参数的不断调优, 总结出 本装置排灰的关键性操作。 通常控制表面活性剂 质量分数为 0. 5 的润湿剂、 润湿剂阀门开度 25、 给料器频率 5工艺参数下装置稳定排灰, 现场测得短时间呼尘浓度小于 2. 5 mg/ m3, 符合 工作场所空气粉尘浓度管理标准。 2控制润湿剂配比、 参数的调节, 并根据灰 仓不同阶段的灰分粒径、 成分及时调节操作参数。 由于现场操作中曾出现间歇性喷灰或灰泥过稀, 进 而影响有效、 清洁排灰。 因此在操作中需要频繁启 停星型给料器和双螺旋搅拌器, 重新设定给料器频 率, 以确保排灰顺畅。 频繁启停星型给料器, 会导 致叶轮卡阻, 并且存在烧坏电机的风险。 7 建 议 1星型给料器的下灰速率由变频器控制, 变频器具有集成度高、 内部结构紧凑、 散热量大 等特点[11], 变频器运行环境差容易损坏变频器 的控制原件, 致使变频器故障, 因此必须保证变 频器周围清洁、 温湿度适宜。 2润湿剂增设流量计和自控阀, 并与星型 给料器形成自控回路, 减少人员操作的滞后性。 3参考热电厂排灰装置, 改造灰仓排灰区域, 形成封闭式排灰室, 排灰室设有排风除尘系统。 4建议灰仓内设搅拌装置, 以避免内部物料 粒径不均, 影响灰仓正常下料及频繁操作参数等。 参考文献 [1] 周志英.新形势下现代煤化工发展现状及对策建议 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20203 31-34, 4. [2] 高 飞. 粉煤灰的环境污染与综合治理 [J]. 中国科技 纵横. 2013, 31 22-23 [3] 王雪涛. 我国煤矿粉尘危害防治现状 [J]. 中国安全生 产, 2016, 113 36-37. [4] 李寒旭, 梅 乐, 纪明俊, 等.褐煤 SHELL 气化飞灰 黏附影响因素的研究 [J].燃料化学学报, 2015, 43 12 1409-1413. [5] 刘永明, 李国洪, 熊紫薇, 等. 复配偶联剂用于粉煤灰 表面改性 [J]. 非金属矿, 2019, 421 97-99. [6] 谭婷婷, 郝姗姗, 赵 莉, 徐宝财. 表面活性剂的性能 与应用ⅪⅤ 表面活性剂的润湿作用及其应用 [J]. 日用化学工业, 2015, 452 72-75, 89. [7] 李海龙, 张军营, 赵永椿, 等. 燃煤飞灰物理化学特性 及其润湿机理研究 [J].工程热物理学报, 2009, 30 9 1597-1600. [8] 贾鲁涛. 粉煤灰特性及其改性方法 [J].发电与空调, 2017, 381 35-38. [9] 王 妍. 煤灰成分分析以及煤灰应用探讨 [J]. 中国高 新技术企业, 201512 161-163. [10] 马艳玲.新型煤尘润湿剂的实验研究 [D].淮南 安 徽理工大学, 2016. [11] 刘喜荣. 变频器使用中常出现的问题分析及对策 [J]. 河北化工, 2010, 333 56-57. 76 2020 年第 10 期汪亚斌, 等 双流化床气化飞灰清洁排放研究