在高温气流条件下，对高水分气化细渣干燥特性的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental investigation of the drying characteristics of high-moisture gasification fine slag under high-temperature gas flow

煤气化细渣通过高温气体流干燥技术可有效去除物理结合水，提升脱水效率至84.83%，同时改变渣体孔隙结构和官能团组成，氮气环境降低一氧化碳排放。

　　

张学飞|赵阳|朱志平|张思远|金柳勇

中国科学院工程热物理研究所煤炭转化国家重点实验室，北京 100190，中国

摘要

高含水量是导致煤气化细渣（CGFS）热值低的关键因素。这一低热值严重限制了其燃烧利用。由于大量水分吸附在CGFS的孔结构中，因此高效干燥变得十分困难。本研究提出了一种新型深度干燥技术，利用高温气流作为干燥介质来有效去除这些物理结合的水分。随后，从三个方面实验研究了该技术对CGFS干燥特性的影响。首先，阐明了气流温度对水分去除效率的影响；其次，揭示了干燥后CGFS中水分存在形式、孔结构及含氧官能团的变化；最后，探讨了在不同气流温度和干燥气氛下的污染物排放特性。

结果

结果表明，提高进气气流温度显著提升了脱水效率。具体而言，将温度从591°C升高到906°C后，干燥器内的脱水效率从69.89%提高到了84.83%。在初始含水量约为50%的情况下，水分以自由态、物理结合态和化学结合态存在，其中物理结合态的水分占主导。高脱水效率主要归因于这些物理结合水的有效去除。气流温度的提高增加了干燥后CGFS的孔隙率并降低了其体积密度。同时，亲水官能团（如羧基、羰基）减少，而疏水官能团（如芳香烃/烷烃）增加。温度和干燥气氛均显著影响了一氧化碳（CO）的浓度。在空气气氛下，CO浓度随温度非线性增加；而在氮气气氛下，相同温度下的CO浓度显著较低。这些发现为CGFS干燥工艺的开发奠定了坚实基础。

引言

气流床煤气化是难处理煤化工领域的核心技术。该工艺产生的气体含有大量粉尘，洗涤后会产生黑水。这些黑水的固液分离会产生煤气化细渣（CGFS）（Lv等人，2023年）。常用的固液分离技术（如带式真空过滤）被广泛采用（Guo等人，2022年）。然而，所得CGFS的含水量仍然很高，通常在40%至70%之间（Yu等人，2022年；Guo等人，2023年；Guo等人，2023年）。目前，CGFS的处理主要局限于堆放或填埋（Shu等人，2022年；Yan等人，2023年）。这些做法容易导致环境污染（Wang等人，2023年）。例如，在自然条件下干燥时，CGFS中的细颗粒容易被风吹散，从而加剧大气粉尘污染（Niu等人，2021年）。此外，雨水渗透还带来了重大风险：CGFS中的重金属可能被雨水溶解，并通过土壤渗入地下，导致土壤和地下水污染（Zhang等人，2019年；Guo等人，2022年）。

CGFS含有残留碳（Miao等人，2024年），因此具有能源回收的潜力（Jia等人，2024年；Zhang等人，2024年）。然而，高含水量是CGFS热值低的关键因素，这严重限制了其燃烧利用（Ren等人，2023年；Zhou等人，2024年）。有效脱水是CGFS能源利用的前提（Guo等人，2023年；Wu等人，2024年）。不过，CGFS具有发达的孔结构和丰富的亲水官能团（Chen等人，2024年；Zhang等人，2023年），大量水分吸附在这些孔隙中，因此传统技术难以实现高效去除（Li等人，2021年；Shi等人，2022年）。

已有大量研究探讨了CGFS中的水分存在形式、干燥机制及相关干燥过程（Rao等人，2024年；Zhou等人，2024年）。关于水分形式，Yu等人（2023年）使用低场核磁共振技术量化了自由水与结合水的比例，并建立了水分含量与LF-NMR积分面积之间的快速表征模型。Guo等人（2021年）研究了含水量为40%–60%的CGFS，发现存在两种不同类型的可冻结水，并指出去除特定类型的水分需要特定的脱水能量形式或强度。

在干燥机制方面，Guo等人（2022年）研究了在机械压力和振动场耦合条件下的脱水过程及能量消耗，同时阐明了水分的时空迁移过程及氢键的变化。Liu（2022年）采用低能量机械压缩方法对初始含水量约为50%的CGFS进行脱水，超过34%的水分在无相变的情况下被去除。此外，该研究还探讨了机械压力对脱水效率、颗粒粒径分布和形态保持的影响。Wang（2022年）研究了薄层热风干燥的动力学和热力学，发现干燥过程分为三个阶段：上升速率阶段、恒定速率阶段和下降速率阶段，并观察到干燥速率随温度升高而增加，但随层厚增加而降低。

CGFS的干燥工艺主要分为非蒸发型和蒸发型（Hou等人，2024年；Li和Guo，2025年）。非蒸发型干燥利用压力或离心等物理力，无需相变即可去除水分；而蒸发型干燥通过引入热场或其他能源实现深度脱水（Guo等人，2020年；Hou等人，2024年；Liang等人，2024年）。目前，CGFS的预脱水通常采用带式真空过滤器或板框过滤器，属于非蒸发型干燥设备（Guo等人，2023年）。Yu等人（2022年）的研究表明，经真空带式过滤后CGFS的含水量仍为69.22%，而板框压力过滤后为50.87%；高压板框过滤的脱水效果更为显著，在2.5 MPa的过滤压力下，含水量降至44.70%（Yu等人，2022年）。

为提高脱水效率，针对高含水量CGFS提出了蒸发型干燥方法，包括热风干燥和微波干燥。例如，Li和Guo（2025年）提出了一种“机械挤压-热风/微波联合干燥”系统，结果显示70 MPa的机械挤压可将CGFS的含水量从50%降至36%，随后通过热风或微波干燥（约50分钟）进一步将其降至接近零的平衡含水量。

总体而言，非蒸发型干燥只能去除有限的水分，剩余含水量较高。进一步应用蒸发型干燥技术可实现深度脱水，但这些技术往往受高运营成本和较长干燥时间的限制。例如，热风干燥过程需要超过50分钟的长时间，而微波干燥大约需要50分钟（Li和Guo，2025年）。因此，这些方法在大规模处理CGFS时可行性有限。鉴于CGFS的产量巨大，工业规模的处理需要高效、经济且可扩展的解决方案。本研究提出了一种高效深度干燥技术，旨在与工业废热回收相结合，通过消除对外部燃料的需求显著降低运营成本。该技术利用高温气流模拟废热的直接利用。

所提出的技术核心采用无内部运动部件的简化垂直干燥柱设计，高温气流可驱动颗粒在柱内的同时上升和气动分散。这种设计消除了机械复杂性，确保了工业级的可靠性，并显著增强了气固传热和传质的效率。与传统蒸发型干燥技术相比，该方法利用591°C–906°C的高温气流提供强大的热驱动力，从而在短时间内实现即时脱水。

本研究实验研究了该技术对CGFS的干燥特性，具体包括气流温度对水分去除的影响，以及干燥后水分存在形式、孔结构和含氧官能团的变化，还探讨了不同气流温度和干燥气氛下的污染物排放特性。这些发现为CGFS干燥工艺的开发奠定了坚实基础。

材料

本研究选用了来自金华气化炉的CGFS作为原料，按照中国国家标准（GB/T 212-2008、GB/T 213-2008、GB/T 30733-2014和GB/T 214-2007）进行了初步和最终分析。CGFS样品的初始含水量为49.71%（湿基）。

高温气流干燥装置

该装置包括一个干燥单元（图1）和一个样品收集与分析单元（图2），安装了五个热电偶以监测关键温度。

实验装置中的温度分布

图3展示了案例1–4中实验装置内的温度分布情况。基于这些数据分析了气流温度对水分去除的影响。如图3所示，案例1–4的干燥器入口温度（TC1）分别为591°C、693°C、808°C和906°C，而旋风分离器出口温度（TC3）分别为164°C、185°C、213°C和235°C。因此，干燥器入口与旋风分离器之间的温差...

结论

本研究提出并实验评估了一种新型的高温气流干燥技术，用于处理高含水量的CGFS。主要结论如下：

随着气流温度的升高，脱水效率显著提高。在空气气氛下，将入口气体温度从591°C升高到906°C后，干燥器内的脱水效率从69.89%提高到了84.83%。旋风分离器表现出显著的辅助脱水效果。

未引用的参考文献

(Guo等人，2022年；Guo等人，2022年)

CRediT作者贡献声明

金柳勇：研究工作、数据分析。朱志平：监督、资源调配、项目管理、资金获取。张思远：数据验证、研究工作、数据整理。张学飞：初稿撰写、方法设计、研究实施、概念构思。赵阳：稿件修订与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDA29020300）和重点科学技术研究项目（项目编号2025AB060）的财政支持。