中國(guó)煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄

為解決煤氣化細(xì)渣持水性強(qiáng)、反應(yīng)活性差、殘?zhí)己扛叩入y處理利用的技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)了煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用成套技術(shù)。通過(guò)濃縮預(yù)分機(jī)和碳灰分離篩的有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)灰固廢源頭減量50%，提取的高碳組分碳含量≥70%。采用超細(xì)活化技術(shù)將細(xì)灰顆粒研磨至10μm，提高了氣化殘?zhí)嫉谋缺砻娣e，實(shí)現(xiàn)灰碳包覆鑲嵌的有限解離，提高了氣化爐內(nèi)碳組分與氣化劑接觸面積，通過(guò)高摻比制漿回爐再氣化，實(shí)現(xiàn)碳組分有效轉(zhuǎn)化；建成了300 m3/h氣化灰水定向碳富集提取碳組分及超細(xì)活化與煤協(xié)同制漿示范線，具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第7期“中國(guó)煤科科技創(chuàng)新10大成果專欄”

作者簡(jiǎn)介：孫海勇，副研究員，現(xiàn)任中煤科工清潔能源股份有限公司化工事業(yè)部總經(jīng)理，主要從事煤炭清潔高效利用的相關(guān)研究工作。E-mail：sunhiayong@cctegce.com

作者單位：中煤科工清潔能源股份有限公司

引用格式：孫海勇. 煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(7)：68-71.

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煤化工對(duì)緩解我國(guó)石油和天然氣對(duì)外依存度，保障國(guó)家能源安全具有重要意義。煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的龍頭技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣化灰水。氣化灰水經(jīng)絮凝沉降脫水后的產(chǎn)物稱為氣化細(xì)渣（含水率40%~60%）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2024年，我國(guó)氣流床氣化用煤量約3億t，每年產(chǎn)生氣化細(xì)灰超過(guò)4 000萬(wàn)t，且數(shù)量呈逐年增加趨勢(shì)。氣化細(xì)灰具有一定熱值和資源屬性，但因具有持水性強(qiáng)、殘?zhí)驾^高等共性問(wèn)題，難以處理和直接利用，成為制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的典型難處理固廢。

由于資源稟賦及能源結(jié)構(gòu)不同，國(guó)外煤化工項(xiàng)目少且規(guī)模小，關(guān)于氣化細(xì)灰處置利用的研究不多，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)研究集中在飛灰/粉煤灰處置技術(shù)領(lǐng)域，主要采取衛(wèi)生填埋、干化焚燒等處置方式。國(guó)內(nèi)煤氣化細(xì)灰的主要處理方式仍以堆積填埋、直接摻燒為主，隨著環(huán)保政策不斷加強(qiáng)，傳統(tǒng)處理方式已不能滿足煤化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，開(kāi)發(fā)氣化細(xì)灰減量化與資源化利用技術(shù)迫在眉睫。

基于此，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)不同氣化爐型、不同進(jìn)料方式產(chǎn)生的氣化細(xì)灰進(jìn)行了基礎(chǔ)屬性解析及共性特征研究，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)，開(kāi)發(fā)了成套工藝包，建設(shè)成了300 m3/h氣化灰水提碳與煤協(xié)同制漿示范裝置。煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工業(yè)示范，形成氣化細(xì)灰源頭減量化、資源化利用，減少了企業(yè)固廢的排放，降低了企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

煤氣化灰水碳灰分離技術(shù)原理

煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)由煤氣化灰水定向碳富集技術(shù)和煤氣化細(xì)灰高碳組分超細(xì)活化協(xié)同制漿技術(shù)2個(gè)部分組成。煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)工藝流程

1.1 煤氣化灰水定向碳富集技術(shù)

依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“固廢資源化”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目，以不同原料、不同爐型的氣化細(xì)灰為原料，開(kāi)展了包括理化特征、礦相組成、粒度分布等在內(nèi)的系列基礎(chǔ)研究，綜合分析探明了氣化細(xì)灰中碳灰結(jié)構(gòu)形式、形成機(jī)制及碳灰賦存規(guī)律。研究表明氣化細(xì)灰粒度分布-碳含量分布規(guī)律呈現(xiàn)一致性，主要特點(diǎn)呈現(xiàn)為粒度從1 mm逐漸降低至0.045 mm以下的過(guò)程中，氣化細(xì)灰粒度分布呈現(xiàn)啞鈴矮-單峰形態(tài)，碳含量隨粒徑減小逐漸降低；碳含量在粒度分布范圍內(nèi)存在突變點(diǎn)，碳含量突變點(diǎn)為0.15 mm，當(dāng)粒徑≤0.15 mm時(shí)，氣化細(xì)灰中的可燃物含量開(kāi)始顯著下降。

通過(guò)物理分級(jí)的方式，以突變點(diǎn)為分級(jí)粒徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)灰中碳組分的定向富集。在研發(fā)的技術(shù)中，以氣化灰水為原料，通過(guò)濃縮預(yù)分機(jī)，對(duì)氣化灰水進(jìn)行初步的碳灰分離，碳含量較高的灰水進(jìn)入碳灰分離篩進(jìn)行分級(jí)高效篩分，富集得到的高碳組分（碳含量>70%）即目標(biāo)產(chǎn)品；副產(chǎn)的低碳灰及水繼續(xù)送往沉降槽進(jìn)行絮凝、沉降、壓濾處理。氣化灰水定向碳富集技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 煤氣化灰水定向碳富集技術(shù)原理

1.2 煤氣化細(xì)灰高碳組分超細(xì)活化協(xié)同制漿技術(shù)

通過(guò)氣化灰水定向碳富集技術(shù)得到了高碳組分（碳含量>70%），實(shí)現(xiàn)碳“吃干榨盡”的前提是提取的碳組分實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)化，但氣化細(xì)灰已經(jīng)經(jīng)過(guò)氣化爐高溫、純氧氣化反應(yīng)，其內(nèi)在揮發(fā)分、易反應(yīng)的活性組分基本已完全釋放，孔隙結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明氣化細(xì)灰擁有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，煤中原有的微孔、閉孔均暴露出來(lái)，表面已產(chǎn)生晶格缺陷，出現(xiàn)類石墨化現(xiàn)象，回用進(jìn)行二次反應(yīng)需要較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間（氣化爐燃燒室停留時(shí)間）。

針對(duì)上述難題，以提取的氣化細(xì)灰高碳組分為原料，利用超細(xì)磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)研磨活化，研磨為粒徑約10 μm的超細(xì)高碳煤漿，返混至棒磨機(jī)制備為合格的氣化水煤漿。超細(xì)活化助力碳組分有限轉(zhuǎn)化直觀體現(xiàn)為4個(gè)方面。

（1）隨著粒徑迅速減小，表層類石墨化結(jié)構(gòu)破碎，降低了其反應(yīng)所需的活化能。

（2）孔隙結(jié)構(gòu)破碎，將孔隙結(jié)構(gòu)束縛的部分結(jié)合水釋放為自由水，同時(shí)避免了制漿過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)制漿用水的復(fù)吸，影響煤漿濃度及流變性等。

（3）比表面積大幅增加，增加了其與氧氣（氣化劑）接觸反應(yīng)面積。

（4）超細(xì)化粒徑，實(shí)現(xiàn)了碳組分-灰分解離，提高了碳組分和氣化劑的直接接觸概率，超細(xì)活化提高碳組分和氣化劑接觸概率示意如圖3所示。

圖3 超細(xì)活化提高碳組分和氣化劑接觸概率示意

煤氣化灰水碳灰分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)煤氣化細(xì)灰的碳灰分離困難、浮選效果差且效率低等問(wèn)題，解析氣化細(xì)灰的碳賦存規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)及表面特性，提出氣化細(xì)灰精準(zhǔn)分級(jí)-分質(zhì)回收的工藝路線，解決碳灰難以高效定向富集問(wèn)題；開(kāi)發(fā)氣化細(xì)灰定向碳富集工藝包，得到碳含量大于70%的高碳細(xì)灰產(chǎn)品。

配套工藝通過(guò)重力分選和粒度分級(jí)的有機(jī)組合，集成了灰水濃縮和精準(zhǔn)分級(jí)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)典型煤化工廠氣化灰水及氣化細(xì)灰的特性，研發(fā)了氣化細(xì)灰高效碳富集裝置，建成了300 m3/h 的氣化灰水中固體物定向碳灰分離裝置，通過(guò)分選，回收目標(biāo)粒度>95%的產(chǎn)品。與其他應(yīng)用技術(shù)相比，主要具備以下3個(gè)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（1）技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)

研發(fā)的氣化灰水提碳及超細(xì)活化技術(shù)，得到的高碳組分產(chǎn)品碳含量>70%；回收率約50%（高碳組分干基/氣化細(xì)灰總干基）；超細(xì)活化后高碳細(xì)灰漿平均粒徑約10 μm；在不降低現(xiàn)有水煤漿濃度的前提下，全部回用摻混制漿，減少約50%氣化細(xì)灰固廢排放量，且全工藝流程無(wú)需額外添加藥劑。

（2）原料選取優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有技術(shù)多以真空帶式壓濾機(jī)壓濾完的氣化細(xì)渣為原料，進(jìn)行下一步分級(jí)/浮選/深度脫水/真空干燥等工序。煤氣化灰水碳灰分離技術(shù)充分利用碳灰分離篩進(jìn)料特征，直接以煤氣化灰水為原料，依次進(jìn)入濃縮預(yù)分機(jī)和碳灰分離篩提取碳組分（總量占?xì)饣?xì)灰干基量50%），該部分物料不進(jìn)入后續(xù)水系統(tǒng)，降低后續(xù)工序能耗的同時(shí)，減少絮凝劑等藥劑使用量。

（3）能耗優(yōu)勢(shì)

氣化細(xì)灰資源化利用技術(shù)難以產(chǎn)業(yè)化的主要原因在于深度脫水/干化過(guò)程能耗較高，且為間接式進(jìn)料，無(wú)法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，整體經(jīng)濟(jì)性較差。煤氣化灰水碳灰分離技術(shù)結(jié)合水煤漿氣化濕式進(jìn)料特征，以提取的高碳組分為原料，制備為氣化水煤漿，通過(guò)減少生產(chǎn)用水達(dá)到水平衡，整個(gè)過(guò)程無(wú)需脫水干化，其中關(guān)鍵設(shè)備濃縮預(yù)分機(jī)為無(wú)動(dòng)力裝置，300 m3/h處理量碳灰分離篩裝機(jī)功率僅為4.4 kW。

實(shí)踐應(yīng)用及成效分析

3.1 300 m3/h示范裝置建設(shè)及運(yùn)行效果

目前，煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)，已在中煤陜西能源化工集團(tuán)有限公司完成科技成果轉(zhuǎn)化。該公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)180萬(wàn)t甲醇，60萬(wàn)t烴，氣化裝置采用 GE 水煤漿氣化技術(shù)，共8臺(tái)氣化爐，6開(kāi)2備。

煤漿制備系統(tǒng)以榆林煤為制漿原料，由7條?4.3×6.0 m棒磨機(jī)，6開(kāi)1備，4臺(tái)細(xì)磨和2臺(tái)超細(xì)磨組成，2級(jí)真空閃蒸罐氣化灰水產(chǎn)生量約900 m3/h，全部進(jìn)入沉降槽，沉降后經(jīng)壓濾機(jī)壓濾，送入附近工業(yè)渣場(chǎng)處置。

為降本增效，依托三峰級(jí)配提濃裝置擬通過(guò)氣化灰水碳富集、氣化細(xì)灰高碳組分與煤協(xié)同制漿研究，資源化利用氣化細(xì)灰，回收氣化細(xì)灰中的可燃組分用于制漿，建成了1套300 m3/h氣化灰水提取高碳組分與煤協(xié)同制漿研究及示范裝置，氣化灰水定向碳富集裝置如圖4所示。

圖4 氣化灰水定向碳富集裝置

氣化灰水定向碳富集裝置于2023年11月中旬通過(guò)72 h性能考核驗(yàn)收和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃績(jī)效核查驗(yàn)收，取得了5個(gè)方面應(yīng)用效果。

（1）濃縮預(yù)分機(jī)組和碳灰分離篩等設(shè)備全部一次性順利開(kāi)車成功，各項(xiàng)工藝和設(shè)備參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)備平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

（2）氣化細(xì)灰碳富集系統(tǒng)投運(yùn)后，300 t/h負(fù)荷下，可回收4.84 t/h（含水50%）碳含量為81.70%的高碳細(xì)灰。

（3）氣化細(xì)灰高碳組分回收率平均值為51.15%，熱值為6 369.17 kcal，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（4）氣化細(xì)灰高碳組分煤協(xié)同制漿系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：在保證煤漿濃度>63%，黏度<1 000 mPa·s的條件下，高碳組分（含水50%）/干煤摻比10.09%。

（5）用煤量減少2.75萬(wàn)t/a（全水12%），減少固廢氣化細(xì)灰外排5萬(wàn)t/a，節(jié)約水資源2.5萬(wàn)t/a。

3.2 煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)成果鑒定

2024年9月19日，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家對(duì)中煤科工清潔能源股份有限公司自主完成的煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)行科技成果鑒定，形成以下3條鑒定意見(jiàn)。

（1）揭示了水煤漿氣化細(xì)灰的粒度-碳-灰分布特征及形成機(jī)制，研究了氣化細(xì)灰精準(zhǔn)分級(jí)碳富集及分質(zhì)回收技術(shù)。

（2）開(kāi)發(fā)了水煤漿氣化細(xì)灰高碳組分超細(xì)活化與煤協(xié)同制備高濃度水煤漿成套技術(shù)裝備；研究了高碳細(xì)灰制備活性炭技術(shù)；研發(fā)出低碳細(xì)灰協(xié)同活化/礦相重構(gòu)制備多孔功能材料；形成了氣化細(xì)灰的梯級(jí)高值利用，建立了氣化細(xì)灰源頭減量新工藝與資源化利用新途徑。

（3）該成果已在中煤陜西能源化工集團(tuán)有限公司成功應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益顯著，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，建議加快該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

結(jié) 語(yǔ)

煤氣化灰水碳灰分離與資源化高效利用技術(shù)成果的成功轉(zhuǎn)化，解決了氣化細(xì)灰資源化規(guī)?；玫募夹g(shù)難題，通過(guò)精準(zhǔn)解析氣化細(xì)灰的粒度-碳-灰分布特征及形成機(jī)制，突破了傳統(tǒng)處理方式的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)灰從難處理固廢到高值原料的轉(zhuǎn)變。核心優(yōu)勢(shì)為定向碳富集提取碳組分與超細(xì)活化協(xié)同制漿的全流程創(chuàng)新，降低了企業(yè)固廢排放壓力與產(chǎn)品綜合成本，并通過(guò)源頭減量和資源化利用，提升了能源轉(zhuǎn)化效率，推進(jìn)了煤化工行業(yè)環(huán)保技術(shù)升級(jí)。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

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