? 我国2 020年能源消费结构中煤炭占比56.7%，煤炭消费量同比保持增长态势。随着煤化工行业的快速发展，行业耗煤逐年增加，同时煤气化渣排放量逐年增加，在2019年已达3300万吨/年，国内外对气化渣的应用研究主要有以下几个方向：浮选分离、燃烧设备掺烧、土壤改良、制备材料、水处理，浮选分离是将气化细渣中的灰分和未燃固定碳分离后进行分级利用，灰分作建材等添加材料，未燃碳进入燃烧设备掺烧；由于气化细渣固定碳含量高，气化细渣可以直接在燃烧设备掺烧，但由于含水率高，大规模掺烧时，燃烧效率不高，易对锅炉设备造成磨损，需先对气化细渣进行干燥；气化细渣中硅铝成分高，孔隙发达，比表面积大，能够成为调节剂和肥料改善盐碱地和沙地的土质，但需针对不同土壤配制不同配方，不利用推广；利用气化细渣制备建筑材料及合成复合材料，尚处于试验阶段；利用气化细渣孔隙发达，比表面积大可以作为吸附剂对污水进行处理，但工艺复杂，工业化风险高。上述应用方向都存在各种各样的瓶颈，尚无法进行大规模工业化综合利用。目前气化渣只能大量外送至渣场进行填埋，处置过程中会对生态环境造成严重的破坏，如扬尘、水体及土壤污染等。气化细渣残碳和热值很高，填埋也造成了资源的大量浪费。随着各地化工园区环保力度的提高，气化细渣堆放和填埋费逐年高昂。煤气化细渣的大规模无害化处理和资源化利用已成为国内外煤化工行业亟待解决的行业痛点。
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我国2 020年能源消费结构中煤炭占比56.7%，煤炭消费量同比保持增长态势。随着煤化工行业的快速发展，行业耗煤逐年增加，同时煤气化渣排放量逐年增加，在2019年已达3300万吨/年，国内外对气化渣的应用研究主要有以下几个方向：浮选分离、燃烧设备掺烧、土壤改良、制备材料、水处理，浮选分离是将气化细渣中的灰分和未燃固定碳分离后进行分级利用，灰分作建材等添加材料，未燃碳进入燃烧设备掺烧；由于气化细渣固定碳含量高，气化细渣可以直接在燃烧设备掺烧，但由于含水率高，大规模掺烧时，燃烧效率不高，易对锅炉设备造成磨损，需先对气化细渣进行干燥；气化细渣中硅铝成分高，孔隙发达，比表面积大，能够成为调节剂和肥料改善盐碱地和沙地的土质，但需针对不同土壤配制不同配方，不利用推广；利用气化细渣制备建筑材料及合成复合材料，尚处于试验阶段；利用气化细渣孔隙发达，比表面积大可以作为吸附剂对污水进行处理，但工艺复杂，工业化风险高。上述应用方向都存在各种各样的瓶颈，尚无法进行大规模工业化综合利用。目前气化渣只能大量外送至渣场进行填埋，处置过程中会对生态环境造成严重的破坏，如扬尘、水体及土壤污染等。气化细渣残碳和热值很高，填埋也造成了资源的大量浪费。随着各地化工园区环保力度的提高，气化细渣堆放和填埋费逐年高昂。煤气化细渣的大规模无害化处理和资源化利用已成为国内外煤化工行业亟待解决的行业痛点。
气化细渣来源于原料煤与氧化剂发生不完全燃烧反应生成合成气过程中，煤中矿物质和残碳在高温高压环境中经过复杂的物化反应形成的。残碳颗粒与矿物质颗粒结合后经过水浴洗涤从黑水出口排出，经过多级闪蒸后进入澄清槽，再经过真空带式或板框过滤机进行脱水处理后得到了气化细渣，脱水处理后含水率通常为40%～60%，含水率仍过高，虽然干基残碳和热值较高，但燃烧过程中水分会先吸热汽化，如无法降低含水率，残碳热值不足以维持自身的燃烧，即无法在煤粉炉和循环流化床锅炉中自稳定燃烧，从而限制了气化细渣大规模掺烧利用。
循环流化床锅炉燃料品种多，燃烧效率高，床内传热不随负荷变化，能够利用劣质燃料。如果解决了气化细渣的含水率过高的问题，虽然其热值相对于原料煤低，但在CFB锅炉中大规模掺烧已具有较强的可行性。本文针对陕西某集团水煤浆气化炉气化细渣进行特性分析，对经过深度脱水干化含水率降低到30%以下后，掺烧进240t/hCFB锅炉的运行情况进行研究，并对掺烧进行经济性分析，得出CFB锅炉掺烧是解决煤气化细渣的有效途径，利用渣中残碳产生蒸汽实现节能的同时避免了污染问题，为今后气化细渣如何进行工业化规模掺烧利用提供参考。
目前，不同煤气化工艺气化细渣的化学组成、矿相性质、形状特征等已被充分研究。煤气化渣主要由大量的非晶态物质和少量的矿物结晶组成。宋瑞领等对多种气流床气化细渣的矿物组成进行了汇总，如表1所示，气化细渣中非晶态玻璃体结构和残碳质量分数远超过矿物结晶。气化细渣的矿物组成是与气化炉内的转化过程、炉内反应温度、灰渣停留时间等密切相关的。高旭霞等研究得出，气化细渣相对于粗渣在炉内停留时间短。气流床气化炉中多相流动模型介于平推流反应器和全混流反应器之间，原料煤气化反应经过返混停留时间长，碳转化率高于固定床和流化床气化炉，而煤中难燃灰分和未燃残碳共同组成了灰渣，其中渣通过附着在耐火砖热壁面或水冷壁面形成流动渣层向下渣口流动，经过激冷水浴后形成粗渣进入捞渣机；灰跟随合成气快速通过下渣口进入水浴，少量跟随合成气进入下游，大部分留在水中形成黑水，再经过闪蒸工艺和澄清槽后脱水形成细渣，因此细渣在炉内停留时间短，由于未进行充分燃烧渣中残碳含量高，也为后续能在锅炉中掺烧利用提供了基础。气化细渣的化学组成除了固定碳外以SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3为主，与原煤相比，其灰分占比较高，几乎无挥发分，属于相对难以燃烧的燃料，N元素和S元素低于原煤，因此将气化细渣脱水后掺 烧进 CFB 锅炉不会对脱硫脱硝装置产生不利影响。
表 1 气流床气化细渣矿物学组成
Table 1 Mineralogical composition of entrained-flow gasi fication fine slag
本文针对水煤浆气流床气化细渣的可能会影响到掺烧的特性进行研究了如下分析。
对不同项目不同炉型水煤浆气化细渣比表面积和孔容积特性进行分析，见表2，序号1为针对陕西某集团水煤浆气化细渣取样分析的结果，与序号2~6文献中的分析结果进行对比，可知不同炉型不同煤种的气化炉，产生的气化细渣比表面积和孔容积也各不相同，但都处于同等数量级，比表面积都大于100m2/g，孔容积都大于0.14cm3/g，而较高的比表面积和孔容积在掺烧过程中能够与氧气接触的更充分。
表 2 水煤浆气化细渣比表面积和孔容积分析
Table 2 Analysis of specific surface area and pore volume of fine slags from coal water slurry gasification
对陕西某集团水煤浆气化细渣进行扫描电镜观察，其显微结构见图1(a)~(d)，图(a)为放大1000倍后气化细渣表面形状，图(b~c)为放大2000倍后气化细渣表面细节处形状，图(d)为针对多孔微团表面放大20000倍后的形状。由图a、图b可知气化细渣中玻璃体多为规则的球形。经过EDS分析，玻璃体主要元素为Si,Al,Ca,O及少量Fe等。由图c、图d可知条状微团为多孔结构，且表面不规则，凹凸不平，这也解释了气化细渣比表面积大和孔容积高的原因。原煤参与气化反应中挥发分从颗粒内部和表面中析出，形成多孔通道，颗粒内部未燃碳残留于多孔微团中。由于存在多孔微团，孔隙密集，吸水性好，故气化细渣即使经过带式过滤机脱水后含水率仍有40%~60%，资源化利用难度大，不过如果与原煤掺烧前能够脱除大部分水分，多孔微团在锅炉中也能与氧气接触的更充分。不同煤种不同炉型的水煤浆气化细渣的结构特性类似，都具有丰富的孔隙和较高的比表面积，这已成为共识，也为不同地区的锅炉大规模掺烧深度脱水后的气化细渣的技术路线提供了有利条件。
水煤浆气化细渣脱除大部分水分后残碳质量分数高，对应热值也高，再利用的经济价值较大。不同煤种不同炉型的水煤浆气化细渣的干基残碳和热值如表3所示。表中选取宁东、陕西、内蒙古、浙江及中石化系统中具有代表性的水煤浆气化细渣的残碳，由表可知，虽然各地所用原料煤和气化工艺有所不同，但气化细渣的干基残碳均比较高，较低的都有20.6%，部分区域细渣残碳等为主。掺烧细渣后灰成分高达53%。经过脱水至含水率30%以下不同气化细渣热值测得从7.55到11.8MJ/kg，接近于褐煤，超过CFB锅炉低热值燃料的最低可利用热值6.92MJ/kg，即水煤浆气化细渣干化至含水率降到30%以下后，理论上能够在CFB锅炉中自稳定燃烧，但是这种燃烧工况是不经济的，无法将锅炉热效率提升至最佳。因此从使锅炉装置运行更稳定可靠和系统经济性最佳两方面考虑，实际运行工况中应将气化细渣和原煤按一定比例掺烧入CFB锅炉。
水煤浆气化系统气化细渣经真空带式或板框过滤机过滤后含水率一般在40%~60%。高含水率是影响气化细渣进入锅炉掺烧的关键，从1.2章节可知，含水率降至30%后水煤浆气化细渣的热值已能够在锅炉中自稳定燃烧，燃烧过程中产生的热量除了满足自身水分汽化吸热外，还足以使锅炉产出合格蒸汽。理论上对于不同地区不同煤种的气化细渣都有一个能满足自身自稳定燃烧对应的最高含水率，对于残碳含量低的细渣，需要将含水率控制到很低才能维持自稳定燃烧，但是干化成本很高，不够经济，对于类似上述水煤浆气化细渣残碳很高，含水率可能还比较高时已足以在锅炉中稳定燃烧，然而高含水率必然导致掺烧锅炉前输运困难，造成频繁堵煤堵渣，影响锅炉给料稳定，且尾部烟道中烟气温度升高，水分质量分数高，又由于气化细渣灰含量较原煤高，导致换热面积灰堵塞风险增高，影响换热效率。综合来看含水率高的气化细渣掺烧易对CFB锅炉的运行产生风险，降低气化细渣的含水率，不仅可以有效提高气化细渣热值和锅炉热效率，也更利于锅炉长周期稳定运行。
针对陕西某集团水煤浆气化细渣，其与原料煤单独燃烧及按比例混燃后的煤灰矿物组成如表4所示，由表可知，煤灰成分差异不大，以SiO2、 CaO、Fe2O3、Al2O3 等为主。掺烧细渣后灰成分质量分数介于原料煤灰分和气化细渣单独燃烧灰分之间。气化细渣灰分中MgO、Na2O、K2O等碱金属比原料煤灰中略高，如果气化细渣掺烧比例过大，碱金属有可能在炉膛换热面上冷凝，加速固体颗粒的富集和污垢的形成，对锅炉高效换热和安全运行带来一定风险。
表5和图2~3分别给出了原料煤、气化细渣及按比例混燃后的热重分析曲线、着火温度及燃尽温度数据等等。热重实验结果表明，气化细渣的着火温度为513℃，燃尽温度为677℃，明显高于原料煤的着火温度355℃和燃尽温度603℃，主要是由于气化细渣与原煤相比，水分含量高，气化细渣燃烧过程中需要克服更多的水分气化潜热，另外气化细渣的挥发分含量比原煤低，而挥发分的着火温度比固定碳低，当原煤中少量水分蒸发后挥发分很快析出燃烧，又为原煤中固定碳的引燃提供了基础，因此气化细渣的燃烧特性差于原煤。由TG-DTG曲线可以看出，气化细渣、原煤、按不同比例的掺混料都仅有一个明显的失重峰。气化细渣曲线中快速反应段与原煤相差不大，而由表5可以看到气化细渣反应时间甚至短于原煤，说明气化细渣一旦着火燃烧，其燃烧活性及反应速度也比较好。气化细渣峰值温度范围约为500~700℃，原煤是300~600℃，按不同比例的掺混料的峰值范围几乎与原煤曲线一致，表明与原煤按不同比例（不超过20%时）混合后的着火温度和燃尽特性与原煤接近，但原煤的DTG曲线的峰尖更低，说明其燃烧速度最快，同样说明了原煤中水分析出后，挥发分开始快速燃烧，在达到表5中最大反应速率温度后开始引燃固定碳，挥发分的存在加快了固定碳的着火和燃尽。同理，掺混后原煤首先着火并引燃气化细渣中固定碳，使其着火温度下移，促进了气化细渣的着火与燃尽。热重反应表明，气化渣与煤的直接混合燃烧具有可行性，掺混比例在不超过20%时，掺混物料的可燃性和综合燃烧特性接近于原煤。
循环流化床锅炉能够燃烧的燃料种类多，适用燃料热值范围很广，基本可以利用目前所有的燃料。巩李明等对CFB锅炉低热值燃料的研究表明最低可利用燃料热值6.92MJ/kg，低热值燃料热值范围为12.5~14.6MJ/kg时最经济，本文研究的水煤浆气化细渣与原煤掺混时应保证热值满足上述要求。杜杰等对气化细渣基础燃烧特性的研究表明：气化细渣由于挥发分含量过低，无法 实现在锅炉中维持自身稳定燃烧，但在与原煤掺混后混煤的燃烧特性与原煤比未显著下降。徐文静等针对气化细渣与原煤混燃的燃烧特性的实验研究也表明，两者按一定比例混燃时存在显著的协同效应，气化细渣掺加量在30%时，混煤燃烧动力学参数与原煤相比差别不大。朱玉龙等针对宁夏煤粉和气化细渣进行的掺烧实验表明：原煤与气化细渣掺烧反应活性和燃烧效率在质量比为85/15时达到最大。何腾蛟针对CFB锅炉掺烧低热值燃烧的研究表明，原煤与其他燃料混合后综合含水率不超过15%且热值满足要求后，锅炉能满足稳定运行。吴枫等对滤饼在CFB锅炉中掺烧的探讨表明在气化细渣含水率50%以下其发热量大于水分吸热量，掺烧时为放热反应，但掺烧比例高时，烟气中含灰量增加，会加剧锅炉磨损。董永波采用沉降离心机将气化细渣含水率降到30%以下，通过皮带输送至锅炉掺烧，得到了一级粉煤灰。白振波等将气化细渣掺烧入CFB锅炉，通过调整受热面等措施以及将掺烧比例控制在30%以下，锅炉仍在设计参数范围内运行。马国伟等发现，性能差异较大的煤种混煤燃烧时，各组分煤会发生强烈的协同交互作用，当难燃煤比例超过50%时，混煤的燃尽特性将大幅下降。高继光对水煤浆气化渣掺烧CFB锅炉后的效益进行了分析，表明气化细渣的掺烧对过锅炉的发热量起到积极作用。上述研究表明，只要控制好综合含水率、热值以及掺烧比例，CFB锅炉掺烧气化细渣在技术上是可行的，但目前多进行了实验研究，未进行大规模工业装置验证。本文针对陕西某集团水煤浆气化细渣经过深度脱水后掺烧进CFB锅炉，通过对运行结果的分析，验证气化细渣通过大规模掺烧实现资源化利用的可行性。
为了实现大规模掺烧的目的，首先解决气化细渣含水率高的问题，如含水率过高，不仅混煤的综合热值得不到保证，锅炉的运行也可能偏离设计参数范围，且混煤的输运和投煤过程也可能造成架桥堵塞，使得装置频繁停车检修，无法长周期运行。宁夏神耀科技有限责任公司联合开发了气化细渣深度脱水干化后掺烧锅炉自动化系统 （流程图如图4所示），对澄清槽中的气化细渣进行深度干化脱水，使得含水率从90%左右降低到28%左右，保证通过皮带顺利输送到锅炉掺烧过程中不会造成堵煤堵渣。
干化装置自2022年4月开始连续稳定运行至今，运行过程中含水率波动情况见图5，由图可知，含水率最高为31.9%，最低为24.4%，平均含水率约28.5%，波动范围不大，输送至原煤仓的皮带未产生任何堵渣断煤情况，能够CFB锅炉长周期稳定运行的要求。
在解决了含水率高的问题后，陕西某集团共在下属3个分厂内实施了掺烧。以一个分厂为例，原煤为建庄煤和陕北煤的混煤，气化炉为Texaco水煤浆气化炉。从澄清槽底部经灰浆泵打入气化细渣脱水干化系统中，干化后的气化细渣产量约100吨/天（含水率<30%），分成6个批次输送到锅炉进行掺烧。CFB锅炉的蒸汽产量设计值为240t/h，炉膛温度在900~950℃之间，该温度远高于气化炉渣的着火温度，在此温度下气化细渣容易着火燃烧，采用尾部半干法烟气脱硫和SNCR脱硝。掺烧前原煤、气化细渣相关分析数据如表6所示。由表可知，原煤粒径主要分布在2~10mm，掺烧前锅炉飞灰残碳质量分数在10%~20%之间，气化细渣干基残碳质量分数在约35%。
将气化装置每天产生的气化细渣掺烧进锅炉前后运行数据如表7所示。由表可知锅炉运行稳定，床层温度、烟气含氧量、排烟温度、床层差压等变化不大，由于加入气化细渣，吨煤产汽量下降，蒸汽产量未变化，说明气化渣中残碳已燃烧产生了蒸汽。SO2、NOX浓度数据略有波动，未超过标准规范允许范围，气化细渣经高温气化后所含可燃硫、氮元素低，掺烧后不会增加烟气中SO2和NOX原始排放浓度，根据现场DCS画面，密相区至炉膛出口的温度分布均匀，说明燃烧状况良好，床层温度随含水率变化略有下降，仍处于锅炉设计运行温度范围内，故不会造成烟气中NOx含量剧烈变化。掺烧前飞灰含碳量在10%~20%，掺烧气化细渣后，飞灰含碳量降低到5%~10%，经过分析，气化细渣中挥发分含量低，含碳量高类似于无烟煤，但内水的水分含量高又类似于褐煤，根据郑航麟对于不同水分褐煤低温着火行为的研究，我们推测，由于气化细渣颗粒的水分比原煤颗粒高，造成爆裂型着火的比例高于其他方式的着火，导致爆裂成更小的颗粒，另外细渣因为水分含量高而黏度更高，与原煤混合后造成颗粒之间的聚合作用增强，使得更多的小颗粒附着在相对大颗粒上，增大了颗粒的粒径，延长了燃烧停留时间；又由于气化细渣颗粒表面具有丰富的孔隙和较高的比表面积，在炉膛密相高温区水分很快蒸出后，能够与氧化剂接触的更充分，增大反应速率，导致燃烧的更充分，因此导致锅炉飞灰含碳量进一步降低，说明添加一定比例气化细渣能够促进混煤燃烧，存在显著的协同效应。
针对28%含水率的水煤浆气化细渣进入锅炉掺烧的经济性进行分析，如表8所示。由表可知掺烧5%、10%、15%气化细渣后锅炉燃烧空气量和烟气量不会明显增加，因为根据工业和元素分析，气化细渣的灰分含量显著高于原煤，挥发分和固定碳总和占比低于原煤，经热力计算，掺烧一定比例含水率28%的气化细渣，会增加烟气中水蒸气含量，而气化细渣的挥发分和固定碳含量低，所需的空气量略低于原煤，产生的三原子气体量也低于原煤，总的来说掺烧一定比例（如小于15%时）细渣产生的烟气量并不会随着掺烧比例的升高而线性增加。掺烧后，由于细渣灰分较高，故进入尾部烟道的飞灰量将增加，需要审查布袋除尘器的设计裕量是否可以满足，本装置满足，无需做调整。从目前陕西某集团的实际掺烧情况看，原煤发热量约24.2MJ/kg，气化细渣发热量约7.5MJ/kg，每个厂掺烧气化细渣约80~100吨/天，掺烧比例超过10%，装置整体运行稳定。
气化细渣掺烧至CFB锅炉，首先可节约原本经过带式过滤机处理后含水率60%气化细渣的运输费和填埋费，总处理费约100元/吨；其次掺烧后利用细渣内约35%的残碳产生蒸汽，可以节约原煤用量，动力原煤按670元/吨；燃烧后增加的灰渣可用作建材原料。随着掺烧比例增加，掺烧产生的经济收益也增加，高达每年千万元，且符合我国节能减排的环保政策。
通过对水煤浆气化细渣的特性分析及陕西某集团水煤浆气化细渣掺烧进CFB锅炉的运行情况进行分析，可以得出如下结论：
1）水煤浆气化细渣比表面积大于100m2/g，孔容积大于0.14cm3/g。微观结构表面以多孔絮状微团和玻璃体组成，颗粒内部未燃碳残留于多孔微团中。不同地区的水煤浆气化细渣的残碳质量分数都较高，热值也较高，为进行CFB锅炉掺烧提供了基础。
2）高含水率是影响气化细渣进入锅炉掺烧的关键，在含水率降至30%以下后水煤浆气化细渣的热值已普遍超过CFB锅炉低热值燃料的最低可利用热值6.92MJ/kg，已理论上能够在锅炉中自稳定燃烧。为保证锅炉长周期稳定运行，将气化细渣和原煤掺烧，掺混比例在不超过20%时，掺混物料的可燃性和综合燃烧特性接近于原煤。
3）以陕西某集团水煤浆气化细渣经过深度脱水后掺烧进CFB锅炉为例，气化细渣深度脱水干化至含水率28%左右，以超过10%的比例进行掺烧，锅炉参数运行稳定，床层温度、烟气含氧量、排烟温度、床层差压等变化不大；烟气中SO2和NOX原始排放浓度未剧烈变化。锅炉飞灰含碳量经过掺烧后出现了明显降低，说明添加一定比例气化细渣促进了混煤燃烧，存在显著的协同效应。
4）将气化细渣掺烧至循环流化床锅炉，节约了气化细渣的运输费和填埋费数百万元，且掺烧利用细渣残碳产生蒸汽，减少了原料煤的用量，节约原煤价值数百万元；掺烧后的灰渣可用作建材原料，经济收益和环保收益非常可观，实现了煤气化细渣的无害化处理和资源化利用。
杜常宗,刘宏林,马涛等.CFB锅炉掺烧水煤浆气化细渣的研究和运行分析[J/OL].煤炭学报:1-8[2023-07-26].
