一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法
阅读说明：本技术 一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法 (Method for recycling carbon residue from gasified black water fine slag and reducing calcium and magnesium in tailings ) 是由 刘广学 彭团儿 邵伟华 张艳娇 郭珍旭 王力 冯乃琦 刘长淼 于 2021-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法,主要工艺路线为浓缩重选—精细分级—两段磁选,包括以下步骤：将气化黑水浓缩得到浓缩渣浆,浓缩渣浆进入重选作业,得到重选轻矿物和重选重矿物；重选轻矿物浓缩后进入分级作业,得到粗粒级产品和细粒级产品,将粗粒级产品浓缩、脱水得到高热值碳粉；重选重矿物和细粒级产品合并送至磁选作业,磁选作业包括一段中磁选和二段强磁选,一段中磁选和二段强磁选获得的磁性物浓缩脱水后得到富钙镁低碳尾渣,二段强磁选获得的非磁性物浓缩脱水后得到低钙镁富孔尾渣。本发明用以解决气化细渣残碳难以回收、提碳后尾渣钙镁碱性矿物含量高无法综合利用的技术难题。(The invention provides a method for recycling carbon residue of gasified black water fine slag and reducing calcium and magnesium in tailings, which mainly comprises the following steps of concentration and reselection, fine classification and two-stage magnetic separation: concentrating the gasified black water to obtain concentrated slag slurry, and performing gravity separation operation on the concentrated slag slurry to obtain gravity separated light minerals and gravity separated heavy minerals; concentrating gravity light minerals, performing grading operation to obtain coarse fraction products and fine fraction products, and concentrating and dehydrating the coarse fraction products to obtain high-heat-value carbon powder; heavy minerals and fine fraction products are reselected and are merged and sent to magnetic separation operation, the magnetic separation operation comprises first-stage medium magnetic separation and second-stage strong magnetic separation, magnetic substances obtained by the first-stage medium magnetic separation and the second-stage strong magnetic separation are concentrated and dehydrated to obtain calcium-magnesium-rich low-carbon tailings, and non-magnetic substances obtained by the second-stage strong magnetic separation are concentrated and dehydrated to obtain low-calcium-magnesium-rich pore tailings. The invention is used for solving the technical problems that the carbon residue of the gasified fine slag is difficult to recover, and the tailings after carbon extraction has high content of calcium and magnesium alkaline minerals and cannot be comprehensively utilized.)
技术领域
本发明涉及固体废弃物综合利用技术领域，特别是指一种煤化工气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法，尤其是一种德士古炉气化黑水细渣中残碳回收及提碳后尾渣降低钙镁含量的方法。
背景技术
我国14个亿吨级大型煤炭基地、4大煤化工基地气化渣固废年增量约7500万吨，由于产量大、残碳高、含水高、难利用、成本高等问题制约，气化渣综合利用进展缓慢，综合利用率低，目前主要采用集中清运，渣场堆存方式处置，堆存后为黑色粉状，土地占压、环境污染、资源浪费问题突出。
煤气化是煤化工领域将固态煤转为气体清洁能源的先导与核心技术，是煤炭资源和能源利用的重要方向。在煤气化技术体系中，原煤中伴生的无机矿物组分、加入的催化剂以及气化不彻底剩余的炭质均会以残渣(煤气化渣)形式被排出。因排出方式的不同，煤气化渣又分为粗渣及细渣。粗渣即浆化煤炭颗粒在气化炉高温高压条件下经熔融、水淬、激冷、凝结等流程，并由气化炉底部排渣锁斗排出的含水渣，残碳量随煤种、气化炉种类、气化炉操作条件波动较大，一般在10％-30％，粒径集中分布在16目至4目之间，产生量约占气化渣排量的60-80％。细渣即通过气化炉顶部由粗煤气气流携出并经初步洗涤净化后气化黑水中固相杂质沉淀、压滤得到的含水渣，残碳量较高，一般可达30％以上，粒径均小于16目，其中约三分之一小于200目，产生量约占气化渣排量的20-40％。
气化渣主要特征为：(1)残碳含量高,具有一定热值，碳粉颗粒结构疏松，空隙丰富、比表面积大，吸附性强，脱水困难；(2)无机相主要由硅铝基矿物组成：SiO2、Al2O3和Fe2O3三者合量>70％，其次CaO、MgO含量较高。富含硅、铝、碳资源的化学组成特点和特殊的矿相构成是煤气化渣回收利用的基础，残碳含量高严重影响气化渣材料化消纳掺量及产品性能，基于铝硅基气化渣材料化利用必须进行碳灰分离。其次由于灰渣中钙镁等碱金属矿物含量高，用于建筑材料等，容易降低材料化利用产品强度、稳定性及表观属性。
现有技术中，CN110976075A公开了一种煤气化渣粗粒抛尾-细粒浮选提炭降灰的方法，虽实现了碳灰分离，但是存在以下问题：一是由于气化渣富孔结构特征，比表面积大，对药剂吸附性强，浮选法药剂用量大、成本高；二是由于药剂的使用增加矿浆粘度，增加产品脱水难度；三是工艺用水引入选矿药剂造成回水率低，水处理成本增加。
CN111644264A公布了一种气化渣重-磁联合分选工艺，CN111644263A公开了一种实现气化渣碳-灰分离的联合分选工艺，上述工艺提出使用水介旋流器及分级旋流器实现碳灰分离，优点是通过重磁联合工艺实现高碳、富碳、高灰产品的有效分离，但是存在以下问题：一是由于灰渣硬度高、棱角锋利，给料压力大，分别为0.14MPa、0.2MPa，造成输送设备、分选设备磨损大，能耗高；二是造成软质碳粉二次粉碎降低碳粉回收率；三是该方案中虽然使用磁选方法提碳降灰，但未涉及如何对尾渣中高钙镁组分进行分离及综合利用。
另外，现有技术使用气化细渣，通常为汽化炉黑水经强力絮凝、浓缩、真空带式压滤脱水后，进行二次造浆、解聚分散等预处理措施后再进行综合利用。缺点：一是汽化炉黑水直接添加强力絮凝剂，絮凝剂用量大，一般为150g/t左右，而且对絮凝剂的品质种类要求加高，增加了生产成本，另外絮凝浓缩造成残碳与无定形絮状玻璃体团聚，造成碳灰分离综合利用分选效果差；二是先絮凝、脱水，使用时在解聚、造浆，气化渣综合处置流程长，软质碳粉颗粒在处置过程中造成破碎泥化无法回收，导致残碳回收率低，系统运行成本高，综合经济性差。
发明内容
本发明提出一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法，用以解决气化细渣残碳难以回收、提碳后尾渣钙镁碱性矿物含量高无法综合利用的技术难题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法，包括以下步骤：
(1)将气化黑水浓缩得到浓缩渣浆，浓缩渣浆进入重选作业，得到重选轻矿物和重选重矿物，重选轻矿物为预富集碳浆，重选重矿物为富硅低碳尾渣；
(2)步骤(1)中的重选轻矿物浓缩后进入分级作业，得到粗粒级产品和细粒级产品，将粗粒级产品浓缩、脱水得到产品1高热值碳粉；
(3)步骤(1)中的重选重矿物和步骤(2)中的细粒级产品合并送至磁选作业，磁选作业包括一段中磁选和二段强磁选，一段中磁选的非磁性物进入二段强磁选，一段中磁选和二段强磁选获得的磁性物浓缩、脱水后得到产品2富钙镁低碳尾渣，二段强磁选获得的非磁性物浓缩、脱水后得到产品3低钙镁富孔尾渣。
进一步地，步骤(3)中，一段中磁选采用磁场强度为218-557KA/m的半逆流式滚筒式磁选机，二段强磁选采用磁场强度为636-796KA/m的板磁磁选机或磁场强度为637-1195KA/m高梯度强磁选机。
进一步地，步骤(1)中，重选作业根据细渣残碳含量高低及原渣组分差异选择一段重选或两段重选，两段重选工艺包括一次重选和二次重选，一次重选的轻矿物进入二次重选；步骤(2)中，分级作业包括一段分级或者两段分级，两段分级包括一次分级和精细分级，一次分级的粗粒级物进入精细分级，，一次分级和精细分级的细粒级物合并为细粒级产品，一次重选和二次重选的重矿物合并为重选重矿物。
进一步地，二次重选为螺旋溜槽精选，得到精选轻矿物、精选中矿物和精选重矿物，精选轻矿物采用高频筛分，精选中矿物采用摇床精选，摇床精选和高频筛分的细粒级物以及精选重矿物和一次重选的重矿物合并进入步骤(3)的磁选作业。
进一步地，步骤(1)中，浓缩渣浆先进行隔渣均化，然后进入重选作业，隔渣均化具体方法为：将浓缩渣浆通过振动隔渣筛分离出粗渣或异物杂质，隔渣筛筛网孔径为0.5-2.5mm，同时通过隔渣对浓缩过程中局部沉淀结块的气化细渣进行打散均化。
进一步地，步骤(1)中，浓缩的溢流水添加絮凝剂进行净化，得到沉淀渣浆和净化水，絮凝剂的添加量为30-50g/t；步骤(2)和(3)中浓缩后的溢流水以及沉淀渣浆均返回步骤(1)中浓缩作业。
进一步地，絮凝剂为电石渣或石灰。
进一步地，一次分级的粒度范围为0.074-0.2mm，精细分级的粒度范围为0.1-0.35mm。
本发明的有益效果：
1、本发明适用于德士古气化细渣残碳回收或高钙镁含量气化渣，具有以下优势：(1)回收碳精粉烧失量高、回收率高，易于高值化利用；(2)提碳后灰渣残碳低，钙镁含量低，满足材料化利用要求；(3)工艺过程绿色无污染；(4)工艺简单、适应性强，成本低，便于规模化推广应用；(5)固废资源最大程度综合利用；(6)避免黑水细渣原料准备过程中絮凝解聚，脱水加水等不必要的工艺消耗。
2、本发明处置工艺流程短，回收率高，主要体现在该工艺在制备产品的主流程过程中不需要经过絮凝、脱水、压滤、沥水，中转外运渣场处置，有效节约絮凝剂消耗使用，避免碳粉与无定形絮状灰渣团聚影响分选效果，保护软质碳粉颗粒避免长流程加工过程中造成的二次粉碎泥化无法回收等问题；只需要在步骤(1)气化黑水浓缩得到的浓缩溢流水中添加絮凝剂，用量减少了70％-80％，而且种类廉价，对絮凝剂的品质要求低，降低了生产成本；
3、该工艺从气化黑水细渣中综合回收高热值碳精粉，烧失量>80％,回收率>65％，气化细渣干基残碳>35％，气化渣碳原料含水约为40-50％，碳含量一般以气化细渣烘干后干物质中碳的重量比表示。因气化渣为经高温处理，一般以气化细渣干基烧失量表示碳含量；
4、通过两段磁选工艺实现富钙镁矿物成分有效分离，获得富钙镁低碳尾渣及低钙镁富孔尾渣。富钙镁低碳尾渣，烧失量<5％，CaO+MgO含量>14％，回收率>55％；低钙镁富孔尾渣烧失量约为40-45％，CaO+MgO含量<7％；
5、用该工艺进行碳粉回收、尾渣分级利用，实现气化渣固废全资源综合利用。富钙镁低碳尾渣可用于酸性土壤调理剂，分解板结土壤,增加土壤透气性，或基于低碳高硅铝基成分利用其高温物相重构熔融体强度高特征及孔隙丰富特征制高强保温材料，满足建材产品对产品强度等性能的使用要求；低钙镁富孔尾渣可以与有机肥、化肥复合后用作缓释肥或用于掺烧、制备轻质建材或陶粒支撑剂原料；
6、气化渣残碳回收采用两段螺旋溜槽重选配合中矿摇床精选联合工艺，螺旋溜槽设备结构简单，没有运动部件，节能降耗，且占地面积小，处理量大，适合工业化推广应用，采用上述配合，有利于进一步提高残碳产品富集比及回收率,优于其他工艺方案。
7、全流程不使用化学药剂，为全物理无污染工艺；
8、全流程废水经二次净化处理后全部循环利用，实现废水零排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图；
图2为实施例1的工艺流程图；
图3为实施例2的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种气化黑水细渣残碳回收-尾渣降钙镁的方法，包括以下步骤：
(1)将气化黑水浓缩得到浓缩渣浆，浓缩渣浆进入重选作业，得到重选轻矿物和重选重矿物，重选轻矿物为预富集碳浆，重选重矿物为富硅低碳尾渣；
黑水中气化细渣浓缩：细渣固含量为1-2％的煤气化黑水经耙式浓密机自然沉淀浓缩，底流浓缩至固含量10-25％，浓密机溢流水添加絮凝剂进行二次沉淀净化，得到沉淀渣浆和净化水，净化水返回水煤浆调浆工序循环使用，絮凝剂的添加量为30-50g/t，絮凝剂为电石渣或石灰。
浓缩渣浆隔渣均化预处理：步骤(1)获得浓缩渣浆通过振动隔渣筛分离出粗渣或异物杂质，隔渣筛筛网孔径为0.5-2.5mm，避免输送过程中磨损设备、堵塞管道，同时通过隔渣对浓过程中局部沉淀结块气化渣进行打散均化。
重选作业：将经过步骤(1)获得隔渣处理的气化细渣矿浆，经渣浆泵输送进入重选作业给料搅拌桶，该重选作业的设备为离心力场盘式分选机、复选螺旋溜槽、摇床、重介质分级机、重液选矿机中的一种或几种。
重选作业根据细渣残碳含量高低及原渣组分差异选择一段重选或二段重选工艺。二段重选工艺包括一次重选和二次重选，一次重选的轻矿物进入二次重选，二次重选作业轻矿物为预富集碳浆，两次重选作业重矿物为富硅低碳尾渣。
(2)步骤(1)中的重选轻矿物浓缩后进入分级作业，得到粗粒级产品和细粒级产品，将粗粒级产品浓缩、脱水得到产品1高热值碳粉；
预富集碳浆分级提质：将步骤(2)获得重选轻矿物矿浆浓缩到固含量10-25％后，经渣浆泵输送至分级作业进行粗细分级分选，所用分级设备为高频震动筛、滚筒筛、直线筛或旋流器中的一种或几种，精细分级粒度范围0.074-0.35mm。
根据处理物料规模不同，可根据工况特征，分级作业包括一段分级或者二段分级，二段分级包括一次分级和精细分级，一次分级的粗粒级物进入精细分级，一次分级粒度范围为0.074-0.2mm，精细分级粒度范围为0.1-0.35mm。分级作业获得粗粒级产品经浓缩、脱水得到产品1：高烧失量精碳粉。
特别地，一段重选采用离心力场高速盘式分选机，二段重选采用螺旋溜槽，螺旋溜槽中矿采用摇床精选，螺旋溜槽轻矿物采用高频细筛分选工艺组合，不仅获得精碳粉烧失量高>80％，且回收率>65％，优于其他工艺方案。
(3)步骤(1)中的重选重矿物和步骤(2)中的细粒级产品合并调整至合适浓度作为低碳尾渣中间产品，送至磁选作业，磁选作业包括一段中磁选和二段强磁选，一段中磁选的非磁性物进入二段强磁选，一段中磁选和二段强磁选获得的磁性物浓缩、脱水后得到产品2富钙镁低碳尾渣，二段强磁选获得的非磁性物浓缩、脱水后得到产品3低钙镁富孔尾渣。
磁选分离钙镁组分：将低碳尾渣中间产品经渣浆泵输送至磁选作业，一段中磁选采用磁场强度为218-557KA/m的半逆流式滚筒式磁选机，二段强磁选采用磁场强度为636-796KA/m的板磁磁选机或磁场强度为637-1195KA/m高梯度强磁选机，两次磁选作业获得的磁选性物合并，浓缩、脱水后作为产品2：富钙镁低碳尾渣，二段强磁选获得的非磁性物浓缩、脱水后得到产品3低钙镁富孔尾渣。
基于提碳后尾渣基于高钙镁组分与含铁矿物密切伴生工艺矿物学研究成果，提出利用磁选方法实现富钙镁组成分离及综合利用。其中，产品1采用真空带式压滤机，产品2和3采用真空盘式过滤机或脱水筛等设备脱水。
全流程工艺废水集中输送至步骤(1)中的浓密机，浓密机溢流水经二次沉淀净化后获得产品5净化水返回水煤浆调浆工序循环使用。
回收产品综合利用方案：
产品1高热值碳精粉，烧失量>80％，通过以下三种方式进行综合利用：利用方式1，经浓缩脱水后与气化原料煤混合均匀制成水煤浆，循环气化利用，提高资源利用率；利用方式2，高热值碳精粉经浓缩脱水后，采用回转窑利用煤化工装置余热进行烘干，控制出料产品水分<20％，产品与燃料煤均匀混合，用于热电锅炉掺烧；利用方式3，回收碳粉烘干后用于制备活性炭等吸附材料；
产品2：富钙镁低碳尾渣与有机肥复后，作为酸性土壤改良剂使用，分解板结土壤，增加土壤透气性，或基于低碳高硅铝基成分用于制砖及水泥掺料；
产品3：低钙镁富孔尾渣可以与有机肥、化肥复合后用作缓释肥或用于掺烧、制备轻质建材或陶粒支撑剂原料。
实施例1
内蒙某化工企业气化黑水细渣原矿烧失量为48.48％，CaO和MgO含量合计为7.08％，其他化学成分主要为二氧化硅、氧化铝、氧化铁。采用图2所示工艺流程，高频筛分作业获得+0.2mm粗粒级产品和-0.2mm细粒级产品，中磁选采用磁场强度为477KA/m的半逆流式滚筒式磁选机，强磁选采用磁场强度为716KA/m的板磁磁选机。本实施例共获得了三种产品，其中产品1：产率为40.98％，烧失量为81.31％、氧化钙和氧化镁总含量为2.07％、碳回收率为67.36％的高品质精碳粉，该产品经脱水、烘干处理可实现循化气化、热电掺烧或二次销售；产品3：产率为38.32％，烧失量为43.09％，CaO+MgO含量为6.24％的低钙镁产品，该产品与有机肥、化肥复合后用作缓释肥或用于掺烧、制备轻质建材或陶粒支撑剂原料；产品2：产率为20.70％，烧失量为5.55％，CaO+MgO含量为14.88％的富钙镁低碳尾渣，可用于酸性土壤调理剂，分解板结土壤,增加土壤透气性，或基于低碳高硅铝基成分用于制砖及水泥掺料。
细渣原矿化学多项分析结果
成分
烧失量
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SiO<sub>2</sub>
含量/％
48.48
8.30
6.35
0.73
43.00
成分
Al2O3
SO3
K2O
Na2O
含量/％
9.50
1.70
0.96
1.16
气化细渣回收残碳—尾渣高钙镁组分分离产品方案及指标
实施例2
宁夏某化工企业气化黑水细渣原矿烧失量为36.40％，CaO和MgO含量合计为6.35％，其他化学成分主要为二氧化硅、氧化铝、氧化铁，采用图3所示工艺流程，一次分级的高频筛分作业获得+0.074mm粗粒级产品和-0.074mm细粒级产品，精细分级的的高频筛分作业获得+0.2mm粗粒级产品和-0.2mm细粒级产品，中磁选采用磁场强度为557KA/m的半逆流式滚筒式磁选机，强磁选采用磁场强度为1195KA/m高梯度强磁选机。本实施例共获得了三种产品，其中产品1：产率为30.07％，烧失量为82.11％，回收率为67.02％的碳精矿，其中氧化钙和氧化镁总含量为1.57％，该产品经脱水、烘干处理可实现循化气化、热电掺烧或二次销售；产品3：产率为43.45％，烧失量为26.05％，CaO+MgO含量为4.39％的低钙镁产品，可利用该产品低钙镁高铝硅成分特征用于制备轻质建材或陶粒支撑剂原料，残碳作为烧结材料补充热源；产品2：产率为26.46％，烧失量为1.57％，CaO+MgO含量为15.01％的富钙镁低碳尾渣，可用于酸性土壤调理剂，分解板结土壤,增加土壤透气性，或基于低碳高硅铝基成分用于制砖及水泥掺料。
细渣原矿化学多项分析结果
成分
烧失量
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
SiO<sub>2</sub>
含量/％
36.40
7.28
5.48
0.87
30.38
成分
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>O
Na<sub>2</sub>O
含量/％
13.94
1.42
1.29
1.05
气化细渣回收残碳—尾渣高钙镁组分分离产品方案及指标
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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