【海川化工科技前沿】中国煤科10大创新成果-01煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用技术研发及应用

煤气化灰水碳灰分离技术原理

煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用技术由煤气化灰水定向碳富集技术和煤气化细灰高碳组分超细活化协同制浆技术2个部分组成。煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用技术工艺流程如图1所示。



1.1 煤气化灰水定向碳富集技术

依托国家重点研发计划“固废资源化”重点专项项目，以不同原料、不同炉型的气化细灰为原料，开展了包括理化特征、矿相组成、粒度分布等在内的系列基础研究，综合分析探明了气化细灰中碳灰结构形式、形成机制及碳灰赋存规律。研究表明气化细灰粒度分布-碳含量分布规律呈现一致性，主要特点呈现为粒度从1 mm逐渐降低至0.045 mm以下的过程中，气化细灰粒度分布呈现哑铃矮-单峰形态，碳含量随粒径减小逐渐降低；碳含量在粒度分布范围内存在突变点，碳含量突变点为0.15 mm，当粒径≤0.15 mm时，气化细灰中的可燃物含量开始显著下降。

通过物理分级的方式，以突变点为分级粒径，进而实现气化细灰中碳组分的定向富集。在研发的技术中，以气化灰水为原料，通过浓缩预分机，对气化灰水进行初步的碳灰分离，碳含量较高的灰水进入碳灰分离筛进行分级高效筛分，富集得到的高碳组分（碳含量>70%）即目标产品；副产的低碳灰及水继续送往沉降槽进行絮凝、沉降、压滤处理。气化灰水定向碳富集技术原理如图2所示。

1.2 煤气化细灰高碳组分超细活化协同制浆技术

通过气化灰水定向碳富集技术得到了高碳组分（碳含量>70%），实现碳“吃干榨尽”的前提是提取的碳组分实现有效转化，但气化细灰已经经过气化炉高温、纯氧气化反应，其内在挥发分、易反应的活性组分基本已完全释放，孔隙结构分析结果表明气化细灰拥有发达的孔隙结构，煤中原有的微孔、闭孔均暴露出来，表面已产生晶格缺陷，出现类石墨化现象，回用进行二次反应需要较长反应时间（气化炉燃烧室停留时间）。

针对上述难题，以提取的气化细灰高碳组分为原料，利用超细磨机进行超细研磨活化，研磨为粒径约10 μm的超细高碳煤浆，返混至棒磨机制备为合格的气化水煤浆。超细活化助力碳组分有限转化直观体现为4个方面。

（1）随着粒径迅速减小，表层类石墨化结构破碎，降低了其反应所需的活化能。

（2）孔隙结构破碎，将孔隙结构束缚的部分结合水释放为自由水，同时避免了制浆过程中孔隙结构对制浆用水的复吸，影响煤浆浓度及流变性等。

（3）比表面积大幅增加，增加了其与氧气（气化剂）接触反应面积。

（4）超细化粒径，实现了碳组分-灰分解离，提高了碳组分和气化剂的直接接触概率，超细活化提高碳组分和气化剂接触概率示意如图3所示。

02、煤气化灰水碳灰分离技术优势

针对煤气化细灰的碳灰分离困难、浮选效果差且效率低等问题，解析气化细灰的碳赋存规律、微观结构形态及表面特性，提出气化细灰精准分级-分质回收的工艺路线，解决碳灰难以高效定向富集问题；开发气化细灰定向碳富集工艺包，得到碳含量大于70%的高碳细灰产品。

配套工艺通过重力分选和粒度分级的有机组合，集成了灰水浓缩和精准分级的优势，针对典型煤化工厂气化灰水及气化细灰的特性，研发了气化细灰高效碳富集装置，建成了300 m³/h 的气化灰水中固体物定向碳灰分离装置，通过分选，回收目标粒度>95%的产品。与其他应用技术相比，主要具备以下3个方面的技术优势。

（1）技术指标优势

研发的气化灰水提碳及超细活化技术，得到的高碳组分产品碳含量>70%；回收率约50%（高碳组分干基/气化细灰总干基）；超细活化后高碳细灰浆平均粒径约10 μm；在不降低现有水煤浆浓度的前提下，全部回用掺混制浆，减少约50%气化细灰固废排放量，且全工艺流程无需额外添加药剂。

（2）原料选取优势

现有技术多以真空带式压滤机压滤完的气化细渣为原料，进行下一步分级/浮选/深度脱水/真空干燥等工序。煤气化灰水碳灰分离技术充分利用碳灰分离筛进料特征，直接以煤气化灰水为原料，依次进入浓缩预分机和碳灰分离筛提取碳组分（总量占气化细灰干基量50%），该部分物料不进入后续水系统，降低后续工序能耗的同时，减少絮凝剂等药剂使用量。

（3）能耗优势

气化细灰资源化利用技术难以产业化的主要原因在于深度脱水/干化过程能耗较高，且为间接式进料，无法连续运转，整体经济性较差。煤气化灰水碳灰分离技术结合水煤浆气化湿式进料特征，以提取的高碳组分为原料，制备为气化水煤浆，通过减少生产用水达到水平衡，整个过程无需脱水干化，其中关键设备浓缩预分机为无动力装置，300 m³/h处理量碳灰分离筛装机功率仅为4.4 kW。

03、实践应用及成效分析

3.1 300 m³/h示范装置建设及运行效果

目前，煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用技术，已在中煤陕西能源化工集团有限公司完成科技成果转化。该公司设计年产180万t甲醇，60万t烃，气化装置采用 GE 水煤浆气化技术，共8台气化炉，6开2备。

煤浆制备系统以榆林煤为制浆原料，由7条ϕ4.3×6.0 m棒磨机，6开1备，4台细磨和2台超细磨组成，2级真空闪蒸罐气化灰水产生量约900 m³/h，全部进入沉降槽，沉降后经压滤机压滤，送入附近工业渣场处置。

为降本增效，依托三峰级配提浓装置拟通过气化灰水碳富集、气化细灰高碳组分与煤协同制浆研究，资源化利用气化细灰，回收气化细灰中的可燃组分用于制浆，建成了1套300 m³/h气化灰水提取高碳组分与煤协同制浆研究及示范装置，气化灰水定向碳富集装置如图4所示。


图4 气化灰水定向碳富集装置

气化灰水定向碳富集装置于2023年11月中旬通过72 h性能考核验收和重点研发计划绩效核查验收，取得了5个方面应用效果。

（1）浓缩预分机组和碳灰分离筛等设备全部一次性顺利开车成功，各项工艺和设备参数均达到设计参数，设备平稳、安全运行。

（2）气化细灰碳富集系统投运后，300 t/h负荷下，可回收4.84 t/h（含水50%）碳含量为81.70%的高碳细灰。

（3）气化细灰高碳组分回收率平均值为51.15%，热值为6 369.17 kcal，满足技术指标要求。

（4）气化细灰高碳组分煤协同制浆系统运行结果表明：在保证煤浆浓度>63%，黏度<1 000 mPa·s的条件下，高碳组分（含水50%）/干煤掺比10.09%。

（5）用煤量减少2.75万t/a（全水12%），减少固废气化细灰外排5万t/a，节约水资源2.5万t/a。

3.2 煤炭工业协会技术成果鉴定

2024年9月19日，中国煤炭工业协会组织专家对中煤科工清洁能源股份有限公司自主完成的煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用关键技术研究及应用进行科技成果鉴定，形成以下3条鉴定意见。

（1）揭示了水煤浆气化细灰的粒度-碳-灰分布特征及形成机制，研究了气化细灰精准分级碳富集及分质回收技术。

（2）开发了水煤浆气化细灰高碳组分超细活化与煤协同制备高浓度水煤浆成套技术装备；研究了高碳细灰制备活性炭技术；研发出低碳细灰协同活化/矿相重构制备多孔功能材料；形成了气化细灰的梯级高值利用，建立了气化细灰源头减量新工艺与资源化利用新途径。

（3）该成果已在中煤陕西能源化工集团有限公司成功应用，系统运行稳定，效果良好，经济及环境效益显著，总体技术达到国际领先水平，建议加快该技术的推广应用。

04、结 语

煤气化灰水碳灰分离与资源化高效利用技术成果的成功转化，解决了气化细灰资源化规模化利用的技术难题，通过精准解析气化细灰的粒度-碳-灰分布特征及形成机制，突破了传统处理方式的技术瓶颈，实现了气化细灰从难处理固废到高值原料的转变。核心优势为定向碳富集提取碳组分与超细活化协同制浆的全流程创新，降低了企业固废排放压力与产品综合成本，并通过源头减量和资源化利用，提升了能源转化效率，推进了煤化工行业环保技术升级。

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