煤化工氣化爐渣綜合利用的現狀與發展趨勢

徐會超 袁本旺 馮俊紅（航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

煤化工氣化爐渣綜合利用的現狀與發展趨勢

徐會超 袁本旺 馮俊紅（航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

煤氣化產生的氣化爐渣固體廢棄物的處理利用是目前企業面臨的重要難題。本文介紹了煤化工氣化爐渣的基本性能，論述了爐渣綜合利用的研究現狀和發展趨勢，探討了爐渣綜合利用的可行方案。

氣化爐渣；固體廢棄物；綜合利用

煤化工產業在我國的化學工業中具有重要的地位。通過“十一五”和“十二五”期間的快速發展，我國煤化工的技術裝備創新、產業規模等方面都取得了矚目的成績，技術水平總體上處于國際領先地位。與此同時，由于煤化工項目主要布局在生態較為脆弱的中西部地區，與環境保護的矛盾較為突出。

近年來，國家對煤化工產業的節能環保日益重視，密集出臺了《關于加快推進生態文明建設的意見》、《現代煤化工建設項目環境準入條件（試行）》（環辦[2015]111號）等政策，指導和規范煤化工建設項目的環境保護工作，對煤化工產業的發展提出了新的要求。隨之，煤化工企業所面臨的環保壓力也越來越大，資源綜合利用、“三廢”治理問題日益突出。因此，目前對煤化工污染物、廢棄物的處理措施、途徑與技術的需求非常迫切。

1 氣化爐渣排放分析

煤氣化技術是煤在高溫下氣化制得合成氣的過程，是煤化工的基礎。煤化工項目中，廢渣主要由氣化灰渣、污水廠三泥、廢催化劑、雜鹽等組成，氣化灰渣占廢渣總量的比例超過90%以上[1]。氣化爐渣是煤在氣化爐中燃燒氣化后的固體殘留物，是煤中礦物質在煤氣化過程中經過一系列分解、化合反應生成的產物。氣化爐渣的成分受原料煤的組成、灰分含量及氣化工藝等因素的影響，主要由SiO2、Al2O3、CaO和殘炭等組成，屬于一般固體廢棄物[2]。

大型煤氣化裝置產生的爐渣總量十分龐大，而目前相對于廢水、廢氣，煤化工固體廢物的管理相對滯后[3]。氣化爐渣目前應用比較單一，有效處理程度不高，其處理不但增加運輸成本，而且會造成侵占土地、揚塵污染等環境問題。由于爐渣綜合利用的途徑有限，目前在新疆等地區，一般對其進行填埋處理，若選址不合理或防滲措施不到位，爐渣中的重金屬元素可能對水體和土壤造成污染。

2 氣化爐渣的基本性能

尹洪峰等[4]與李國友[5]分別對Texaco爐爐渣和Lurgi爐爐渣的巖相成分進行了研究。X-射線衍射分析表明，Texaco爐和Lurgi爐爐渣的巖相主要以玻璃相和不定型物質為主。氣化爐爐渣中主要化學成分均為硅、鋁、鈣的氧化物，殘余碳量較高。顯微鏡觀察顯示氣化爐渣為多孔結構，殘余炭多為海綿狀多孔結構。

3 氣化爐渣的綜合利用

3.1 吸附材料

煤氣化過程中，燃燒生成的大量氣體從煤中逸出，因此在爐渣內部形成了氣體甬道，使氣化爐渣具有疏松多孔的結構，比表面積大，殘炭的存在使其具有和活性炭近似的性能，因此可對污染物質進行物理吸附、化學吸附和交換吸附。普煜等[6]對魯奇爐爐渣處理氣化廢水的性能進行了研究。結果表明，爐渣對煤氣廢水中的CODCr、酚有明顯的去除效果，CODCr的去除率可達41.9%，酚類物質的去除率達71.2%。

對氣化爐渣進行酸性或堿性改性可進一步增強爐渣的吸附作用。一方面，改性使爐渣比表面積增大，另一方面，改性后的爐渣有利于水中膠體或絮凝物的形成。劉轉年等[7]采用酸堿浸漬方法對爐渣殘渣進行改性，研究表明，堿性改性的爐渣對溶液中苯酚的吸附性能較好，苯酚吸附量為7.236mg/g。Yue Xiu等[8]采用酸化以及堿化等方法晶化處理爐渣，研究發現，處理后的爐渣對磷酸鹽和CODCr的去除效率分別可達99.9%和66.7%。

目前，氣化爐渣在廢水、廢氣處理領域內應用研究較少。在工業應用中，需要注意若對吸附飽和的爐渣處置不當，將可能造成二次污染。

3.2 水泥基混凝土與泡沫混凝土材料

3.2.1 水泥基混凝土建筑材料

水泥基混凝土的制備中，因為爐渣的粒徑具有一定級配，且粉煤灰的成分相近，可作為混凝土生產過程中的骨料和摻和料。但是，由于氣化爐渣含碳量高、吸水性強，不宜作為較高強度混凝土的原材料。作為集料或摻合料制備混凝土制品時，可引起漿體稠度增大、流動性差、凝結時間延長、強度降低，并可能影響混凝土制品的耐久性能。

3.2.2 泡沫混凝土保溫材料

為減少采暖或制冷所需的能耗，常采用在建筑物上增加保溫層的方式。保溫層將使墻體免受冷熱橋的影響，減少主體結構所受的溫度應力。泡沫混凝土是一種新型建筑節能材料，具有防火性能優良、輕質、隔熱效果較好、施工方便等特點。

氣化爐渣中含有大量的含硅玻璃體(Al2O3·2SiO2)和活性SiO2、活性Al2O3，具有潛在的火山灰活性，可作為混凝土生產過程中的骨料和摻和料。鄒定華等[8]以爐渣和陶粒組成細/粗集料體系制備蒸壓自密實泡沫混凝土。結果表明，新拌混凝土可達到自密實土的要求，以爐渣和陶粒作為集料的自密實泡沫混凝土蒸壓后抗壓強度可達7MPa以上，表觀干密度900kg/m3左右。魯永明等[9]采用爐渣磨細灰渣，制備出抗壓強度約6MPa的泡沫混凝土，表觀干密度740kg/m3左右。

工業生產中，泡沫混凝土性能要求符合建筑行業標準JG/ T266-2011，泡沫混凝土砌塊技術指標要求符合JC/T1062-2007的規定。從長期發展來看，泡沫混凝土建筑保溫領域具有廣闊的市場。

3.3 砌體材料

隨著新型住宅樓群等建設項目的不斷增加和資源綜合利用要求的不斷嚴格，近年來，基于固體廢棄物的節能建材得到了長足發展。氣化爐渣具有和粉煤灰相近的性質，應用于制備新型砌體材料是常見且切實可行的應用途徑，具備節能、利廢、環保的特性。

尹維新等[10]利用低質粉煤灰和爐渣制備墻體磚，研究表明，采用常壓蒸養工藝，可制得MU10等級的磚。焦淑俠等[11]利用石膏和爐渣在自然養護條件下，制備了7d抗壓強度為11.08MPa空心磚。章麗萍等[12]利用氣化爐渣、除塵灰為原材料，生石灰、水泥為輔料，石膏為激發劑，蒸養條件下制備出符合國家標準的免燒磚。

工業生產中，砌體材料的生產應符合JC/T422-2007和GB11945-1999的要求。同時，必須達到《磚瓦工業大氣污染物排放標準》規定的排放要求。

3.4 硅酸鹽水泥

氣化爐渣與硅酸鹽水泥具有相近的化學成分。因此，可利用氣化爐渣取代部分水泥制備硅酸鹽水泥。此外，由于爐渣中殘炭的含量較高，水泥生料中爐渣的摻入可提高物料的預燒性，進而使熟料的產量和質量提高。

景國等[12]采用工業爐渣、粉煤灰等固體廢渣生產礦渣硅酸鹽水泥，抗壓強度可達38.5MPa。閆秀清[13]采用氣化爐渣代替部分黏土配料生產硅酸鹽水泥，水泥的抗折強度、抗壓強度分別達到了6.8、38.6MPa。李志博[14]等利用氣化爐渣與石灰石，生產出28d抗壓強度達60MPa的復合水泥。

在工業生產中，水泥性能需要滿足GB175-2007的技術要求。

3.5 鋁再生

我國鋁土礦資源不足，氧化鋁進口依存度高，根據中國產業信息網數據，國內2016年鋁土礦進口量約為5000萬噸，對外依存度約43%。因此，應用高鋁粉煤灰再生生產氧化鋁，在減少爐渣對土地占用與水體污染的同時，有利于鋁工業的可持續發展。一般情況下，鋁含量高于30%的爐渣可應用于鋁再生，內蒙古中西部、陜北及山西煤質一般可滿足要求，開發價值較高。

近年來，應用高鋁粉煤灰進行鋁再生工藝有了較大突破，蒙西石灰石燒結法工藝及大唐預脫硅-堿石工藝均已商業化[15]。至2014年，國內擬建、在建高鋁粉煤灰鋁再生裝置約12套，主要分布于內蒙古與山西省[16]。

在目前的研究中，較為成熟的生產工藝有燒結法和酸溶法。燒結法又分為石灰石燒結法和堿石灰燒結法，主要由燒結、浸出、脫硅、碳化等步驟組成。燒結法適合大規模生產，介質利用率高。但能耗高，成本高，排渣量大。酸法主要采用硫酸或鹽酸溶解高鋁粉煤灰，生產相應的鋁鹽，再將鋁鹽凈化后使之分解制得氧化鋁。流程簡單，能耗較低，但產品質量較低，酸耗量較大。

氣化爐渣在鋁再生處理領域應用存在廢渣量大、成本高、規模小的問題。

4 結語

爐渣是煤氣化裝置的主要三廢排放物，實現爐渣的有效利用，對我國煤化工產業綠色低碳、循環發展具有重要的意義。由于爐渣應用范圍廣泛，其綜合利用有望促進產業協同的機會。爐渣綜合開發利用，從防治固廢、資源集成的角度，迫在眉睫。

針對目前報道中爐渣的利用多處于商業化初級階段，實際利用中存在利用率低、工藝不成熟、產品單一等諸多問題，我國應在稅收、技術研發等方面加以扶持，企業應當重視新技術的開發及工藝的結合。

[1]王強,步學朋,王明華.現代煤化工產業環保問題分析[J].神華科技,2016,14(5):91-94

[2]吳大剛,趙代勝,魏江波.煤化工過程氣化廢渣和廢堿液的產生及處理技術探討[J].煤化工,2016(6):56-59

[3]冉麗君;梁鵬;羅霂;崔積山.我國現代煤化工面臨的環保困境及對策建議[J].環境保護,2017,(01):39-41.

[4]尹洪峰,湯云,任耘,等.Texaco氣化爐爐渣基本特性與應用研究[J].煤炭轉化,2009,32(4):30-33

[5]李國友,張濤,霍亮,等.Lurgi氣化爐渣基本性能與應用研究[C]//中國硅酸鹽學會固廢分會成立大會固廢處理與生態環境材料學術交流會.2015.

[6]Yue X,Li X M,Wang D B,et al.Simultaneous Phosphate and CODcr Removals for Landfill Leachate Using Modified Honey?comb Cinders as an Adsorbent[J].Journal of Hazardous Materials, 2011,190(1):553-558.

[7]普煜,馬永成,陳樑,等.魯奇爐渣在廢水凈化中的應用研究[J].工業水處理,2007,27(5):59-62.

[8]鄒定華,張浩然,張建武,等.蒸壓自密實爐渣-陶粒泡沫混凝土的研究[C]//中國硅酸鹽學會混凝土與水泥制品分會全國高性能混凝土學術研討會.2015.

[9]魯永明,李之政,李偉,等.磨細爐底渣的性質及其在泡沫混凝土中的應用研究[J].中國建材科技,2014,23(4):15-18.

[10]尹維新,孫補.利用低質粉煤灰和爐渣開發墻體磚[J].磚瓦世界,2005(10):37-38.

[11]焦淑俠.利用石膏爐渣制備空心磚的試驗研究[J].中國資源綜合利用,2010,28(3):35-36.

[12]景國,史普天.利用固體廢渣生產礦渣硅酸鹽水泥的試驗研究[J].水泥工程,2005,2005(3):83-84.

[13]閆秀清.用煤渣燒制水泥熟料的試驗研究[J].山西建筑,2009,35(15):151-151.

[14]李志博,陳平,劉榮進,等.石灰石-煤渣雙摻制備復合硅酸鹽水泥的研究[J].水泥工程,2014(3):9-11.

[15]佚名.發展改革委啟動第一個以粉煤灰為原料年產40萬t氧化鋁項目[J].鐵合金,2006(1):48-48.

[16]Yao Z T,Xia M S,Sarker P K,et al.A Review of the Alu?mina Recovery from Coal Fly Ash,with a Focus in China[J].Fuel, 2014,120(3):74-85.