煤氣化廢渣高值化利用途徑

王 飛，任夢翔

（陜西榆能化學材料有限公司，陜西榆林 719100）

我國煤氣化廢渣年產超 3 000萬t（濕渣），排放量巨大的同時，簡單的填埋和堆存處理對土壤、水體和大氣造成了嚴重的污染和破壞[1]。為解決氣化廢渣的經濟、環保、高效處理這個煤氣化企業面臨的重大難題，本文從煤氣化廢渣的形成、組成成分和理化特性出發，深入論述煤氣化廢渣資源化利用可行性技術，以期對我國煤化工行業合理處置煤氣化廢渣提供參考。

1 煤氣化廢渣簡介

1.1 煤氣化廢渣的形成及危害

在煤的熱解、氣化和燃燒反應過程中會形成大量的煤氣化廢渣。煤中的大部分炭與氣化劑（氧氣、水蒸氣）在氣化爐內反應生成粗合成氣，而煤中所含的其他無機礦物質則在氣化反應過程中形成了熔渣[2]。如圖1所示，煤氣化粗渣是由在氣化爐燃燒室內產生的熔渣流入氣化爐激冷室冷卻后產生的，粗渣粒徑為4~9 mm，約占排渣總量的80%；細渣則是由合成氣帶出的部分熔渣在氣體凈化過程中分離出來而形成的。細渣以粉末狀存在，粒徑多在0.5 mm 以下，且碳含量普遍大于30%，含水率為50%~60%[3]。

圖1 氣化廢渣形成過程[3]

目前，我國對于煤氣化廢渣的有效利用率和無害化處理程度不高，堆存和填埋作為主要處置方式對環境危害較大，不僅造成灰塵飛揚，還會釋放出大量刺鼻的氣體造成大氣污染和影響人體健康。此外，露天堆放的煤氣化廢渣隨著雨水流入地表水系統，造成水土污染，使大量土地無法復耕。而滲入地表水的有害物質和重金屬元素則會隨著水循環滲透到地下水，污染飲用水。通過對氣化廢渣中包含的重金屬化學形態分析結果表明，Cd 和Cr 對周圍生態環境的潛在危害性最高，Cu 次之。

1.2 煤氣化廢渣的特性

煤氣化廢渣中的主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，占比達到60%以上[4]。此外，還存在CaO、MgO 和TiO 等無機物。這是煤氣化廢渣可以進行高值化開發利用的重要物質基礎。鑒于煤氣化廢渣的大量排放，目前已有諸多的學者對煤氣化廢渣的結構特征與理化性質進行了大量的研究。Huang 等[5]研究發現氣化廢渣中的殘余碳含量較高，晶體結構組織較差，總體活性位點相對較少。Wu 等[6]通過對氣化廢渣中無機組分的形態、礦物相組成和元素分布進行研究發現，氣化廢渣中含有 Si、Ca、Fe 等元素，渣樣中無機成分主要有硅酸鹽，硅酸鋁鹽等含結晶組分及玻璃組分。

2 煤氣化廢渣的高值化利用

結合上述氣化廢渣的固有屬性，國內外對于氣化廢渣資源化利用的相關研究主要集中于以下4個方面。①建工建材制備：骨料、墻體材料、免燒磚等；②脫碳利用：炭灰分離；③土壤、水體恢復添加物；④功能材料制備：改性復合材料、水處理吸附材料、復合陶瓷材料等。

2.1 用作建工建材制備材料

鑒于煤氣化廢渣中有大量的活性二氧化硅和三氧化二鋁存在，可作為水泥和混凝土的骨料和摻合料。Li 等[7]研究了煤氣化細渣與水泥反應的機理，研究結果表明細渣可以與水泥進行反應，但細渣中較高的殘碳會形成一層憎水膜阻礙細渣與水泥的凝結；Luo等[8]研究了脫碳煤氣化細渣作為水泥材料外加劑的可行性，發現脫碳后的煤氣化細渣滿足工業標準，煤氣化細渣的加入會降低氫氧化鈣含量，提高水泥強度。Li 等[9]對循環流化床燃燒后的灰渣進行研磨和活化后作為水泥的添加劑，添加了灰渣的水泥需水量明顯降低，水泥強度隨著研磨時間增加而顯著增加，當含量超過10%，強度增加較為明顯。Chen 等[10]將集成氣化聯合循環（IGCC）系統的煤氣化細渣與黏土按質量比為 1 ∶4 制成了滿足使用要求的標準磚塊，磚塊的顏色和質地與常規燒制磚塊相似，并且其吸水性能符合美國材料實驗協會（ASTM）等級規范。

2.2 用作土壤、水體恢復材料

煤氣化細渣中含有與作物生長有關的成分主要是二氧化硅和氧化鈣，能夠調節土壤酸堿度，促進植物生長，但煤氣化細渣中含有較多重金屬元素，在土壤改良中的大規模應用受到限制。相微微等[11]系統評價了榆林煤氣化細渣作為土壤改良劑的重金屬生物有效性，發現煤氣化細渣中可釋放到水體中的重金屬含量均在90%以上，在土壤中添加煤氣化細渣培養大豆苗葉，發現大豆苗葉中鉛、汞、鎳和鉻含量超過國家標準限值要求。

2.3 脫碳利用

采用浮選法、重選法、燃燒法、電選法 4 種脫碳技術可以實現對氣化廢渣碳組分進行有效分離，使其可以實現高值化、減量化、無害化利用。

浮選法主要用于對煤氣化細渣進行脫碳利用。Fan 等[12]利用廢機油作為浮選劑，通過氣浮將煤氣化細渣分選為精礦和尾礦兩種清潔產品，浮選的精礦燒失量達到 88.86%（質量分數），而尾礦的燒失量低于10%（質量分數）可直接用于建筑材料中。此外，Charah 等[13]開發了一套篩分-重選分選流程將氣化廢渣篩分為上部低碳渣，其燒失量＜5%和下部經水力旋流器分選出的富碳燃料產品（燒失量30%左右），以及高碳細粒級產品（燒失量＞60%）。

2.4 高附加值材料制備

研究發現煤氣化細渣和活性炭的性質類似，可用于制備吸附材料。鮑超等[14]對煤氣化灰渣進行HF 改性，并對改性煤氣化灰渣與原煤氣化灰渣分別用于吸附含 Pb2+、Cu2+和 Cd2+廢水。結果表明，HF 改性煤氣化灰渣對 Pb2+、Cu2+和 Cd2+廢水的吸附可在50 min 內達到平衡，靜態飽和吸附量分別為112.07 mg/g、40.18 mg/g 和 32.21 mg/g。

氣化廢渣還可作為制備高性能多孔陶瓷材料的主要原材料，趙永彬等[15]在較低溫度下利用模壓成型工藝，成功制備出一種主要成分為莫來石相和石英相的煤氣化殘渣多孔陶瓷。并對不同燒結溫度得到的多孔陶瓷進行了深入的研究，結果表明在1 100℃時具有高強度（8.96 MPa）、高通量［2 452.6 m3/（m2·h）］以及高孔隙率（49.2%）的優點。

3 結論

目前我國煤化工行業每年排出的大量氣化廢渣在綠色、清潔、高值化資源利用方面仍處于起步階段。除簡單的堆埋處理外，剩余70%的煤氣化廢渣都集中于水泥和混凝土領域。未來應著重開發煤氣化廢渣利用的新途徑，充分利用煤氣化廢渣的理化特性，在改善土壤、水體修復、吸附材料、陶瓷材料及殘碳利用等方面進行深入研究。