煤氣化廢渣高值化利用途徑

王 飛，任夢(mèng)翔

（陜西榆能化學(xué)材料有限公司，陜西榆林 719100）

我國煤氣化廢渣年產(chǎn)超 3 000萬t（濕渣），排放量巨大的同時(shí)，簡單的填埋和堆存處理對(duì)土壤、水體和大氣造成了嚴(yán)重的污染和破壞[1]。為解決氣化廢渣的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效處理這個(gè)煤氣化企業(yè)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(fā)，深入論述煤氣化廢渣資源化利用可行性技術(shù)，以期對(duì)我國煤化工行業(yè)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(yīng)過程中會(huì)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(nèi)反應(yīng)生成粗合成氣，而煤中所含的其他無機(jī)礦物質(zhì)則在氣化反應(yīng)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(nèi)產(chǎn)生的熔渣流入氣化爐激冷室冷卻后產(chǎn)生的，粗渣粒徑為4~9 mm，約占排渣總量的80%；細(xì)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(xì)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(duì)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(duì)環(huán)境危害較大，不僅造成灰塵飛揚(yáng)，還會(huì)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(tǒng)，造成水土污染，使大量土地?zé)o法復(fù)耕。而滲入地表水的有害物質(zhì)和重金屬元素則會(huì)隨著水循環(huán)滲透到地下水，污染飲用水。通過對(duì)氣化廢渣中包含的重金屬化學(xué)形態(tài)分析結(jié)果表明，Cd 和Cr 對(duì)周圍生態(tài)環(huán)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(dá)到60%以上[4]。此外，還存在CaO、MgO 和TiO 等無機(jī)物。這是煤氣化廢渣可以進(jìn)行高值化開發(fā)利用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。鑒于煤氣化廢渣的大量排放，目前已有諸多的學(xué)者對(duì)煤氣化廢渣的結(jié)構(gòu)特征與理化性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。Huang 等[5]研究發(fā)現(xiàn)氣化廢渣中的殘余碳含量較高，晶體結(jié)構(gòu)組織較差，總體活性位點(diǎn)相對(duì)較少。Wu 等[6]通過對(duì)氣化廢渣中無機(jī)組分的形態(tài)、礦物相組成和元素分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，氣化廢渣中含有 Si、Ca、Fe 等元素，渣樣中無機(jī)成分主要有硅酸鹽，硅酸鋁鹽等含結(jié)晶組分及玻璃組分。

2 煤氣化廢渣的高值化利用

結(jié)合上述氣化廢渣的固有屬性，國內(nèi)外對(duì)于氣化廢渣資源化利用的相關(guān)研究主要集中于以下4個(gè)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(fù)添加物；④功能材料制備：改性復(fù)合材料、水處理吸附材料、復(fù)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(xì)渣與水泥反應(yīng)的機(jī)理，研究結(jié)果表明細(xì)渣可以與水泥進(jìn)行反應(yīng)，但細(xì)渣中較高的殘?zhí)紩?huì)形成一層憎水膜阻礙細(xì)渣與水泥的凝結(jié)；Luo等[8]研究了脫碳煤氣化細(xì)渣作為水泥材料外加劑的可行性，發(fā)現(xiàn)脫碳后的煤氣化細(xì)渣滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，煤氣化細(xì)渣的加入會(huì)降低氫氧化鈣含量，提高水泥強(qiáng)度。Li 等[9]對(duì)循環(huán)流化床燃燒后的灰渣進(jìn)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(qiáng)度隨著研磨時(shí)間增加而顯著增加，當(dāng)含量超過10%，強(qiáng)度增加較為明顯。Chen 等[10]將集成氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）系統(tǒng)的煤氣化細(xì)渣與黏土按質(zhì)量比為 1 ∶4 制成了滿足使用要求的標(biāo)準(zhǔn)磚塊，磚塊的顏色和質(zhì)地與常規(guī)燒制磚塊相似，并且其吸水性能符合美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）等級(jí)規(guī)范。

2.2 用作土壤、水體恢復(fù)材料

煤氣化細(xì)渣中含有與作物生長有關(guān)的成分主要是二氧化硅和氧化鈣，能夠調(diào)節(jié)土壤酸堿度，促進(jìn)植物生長，但煤氣化細(xì)渣中含有較多重金屬元素，在土壤改良中的大規(guī)模應(yīng)用受到限制。相微微等[11]系統(tǒng)評(píng)價(jià)了榆林煤氣化細(xì)渣作為土壤改良劑的重金屬生物有效性，發(fā)現(xiàn)煤氣化細(xì)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(xì)渣培養(yǎng)大豆苗葉，發(fā)現(xiàn)大豆苗葉中鉛、汞、鎳和鉻含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化廢渣碳組分進(jìn)行有效分離，使其可以實(shí)現(xiàn)高值化、減量化、無害化利用。

浮選法主要用于對(duì)煤氣化細(xì)渣進(jìn)行脫碳利用。Fan 等[12]利用廢機(jī)油作為浮選劑，通過氣浮將煤氣化細(xì)渣分選為精礦和尾礦兩種清潔產(chǎn)品，浮選的精礦燒失量達(dá)到 88.86%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而尾礦的燒失量低于10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可直接用于建筑材料中。此外，Charah 等[13]開發(fā)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(jīng)水力旋流器分選出的富碳燃料產(chǎn)品（燒失量30%左右），以及高碳細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品（燒失量＞60%）。

2.4 高附加值材料制備

研究發(fā)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣和活性炭的性質(zhì)類似，可用于制備吸附材料。鮑超等[14]對(duì)煤氣化灰渣進(jìn)行HF 改性，并對(duì)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(jié)果表明，HF 改性煤氣化灰渣對(duì) Pb2+、Cu2+和 Cd2+廢水的吸附可在50 min 內(nèi)達(dá)到平衡，靜態(tài)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?jiān)嗫滋沾伞２?duì)不同燒結(jié)溫度得到的多孔陶瓷進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明在1 100℃時(shí)具有高強(qiáng)度（8.96 MPa）、高通量［2 452.6 m3/（m2·h）］以及高孔隙率（49.2%）的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

目前我國煤化工行業(yè)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(lǐng)域。未來應(yīng)著重開發(fā)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(fù)、吸附材料、陶瓷材料及殘?zhí)祭玫确矫孢M(jìn)行深入研究。