煤化工氣化爐渣綜合利用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

徐會(huì)超 袁本旺 馮俊紅（航天長(zhǎng)征化學(xué)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(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

徐會(huì)超 袁本旺 馮俊紅（航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

煤氣化產(chǎn)生的氣化爐渣固體廢棄物的處理利用是目前企業(yè)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，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(chǎn)業(yè)在我國(guó)的化學(xué)工業(yè)中具有重要的地位。通過(guò)“十一五”和“十二五”期間的快速發(fā)展，我國(guó)煤化工的技術(shù)裝備創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面都取得了矚目的成績(jī)，技術(shù)水平總體上處于國(guó)際領(lǐng)先地位。與此同時(shí)，由于煤化工項(xiàng)目主要布局在生態(tài)較為脆弱的中西部地區(qū)，與環(huán)境保護(hù)的矛盾較為突出。

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)煤化工產(chǎn)業(yè)的節(jié)能環(huán)保日益重視，密集出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見(jiàn)》、《現(xiàn)代煤化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)入條件（試行）》（環(huán)辦[2015]111號(hào)）等政策，指導(dǎo)和規(guī)范煤化工建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境保護(hù)工作，對(duì)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了新的要求。隨之，煤化工企業(yè)所面臨的環(huán)保壓力也越來(lái)越大，資源綜合利用、“三廢”治理問(wèn)題日益突出。因此，目前對(duì)煤化工污染物、廢棄物的處理措施、途徑與技術(shù)的需求非常迫切。

1 氣化爐渣排放分析

煤氣化技術(shù)是煤在高溫下氣化制得合成氣的過(guò)程，是煤化工的基礎(chǔ)。煤化工項(xiàng)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(guò)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(zhì)在煤氣化過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系列分解、化合反應(yīng)生成的產(chǎn)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?zhí)康冉M成，屬于一般固體廢棄物[2]。

大型煤氣化裝置產(chǎn)生的爐渣總量十分龐大，而目前相對(duì)于廢水、廢氣，煤化工固體廢物的管理相對(duì)滯后[3]。氣化爐渣目前應(yīng)用比較單一，有效處理程度不高，其處理不但增加運(yùn)輸成本，而且會(huì)造成侵占土地、揚(yáng)塵污染等環(huán)境問(wèn)題。由于爐渣綜合利用的途徑有限，目前在新疆等地區(qū)，一般對(duì)其進(jìn)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(duì)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(guó)友[5]分別對(duì)Texaco爐爐渣和Lurgi爐爐渣的巖相成分進(jìn)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(zhì)為主。氣化爐爐渣中主要化學(xué)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(jié)構(gòu)，殘余炭多為海綿狀多孔結(jié)構(gòu)。

3 氣化爐渣的綜合利用

3.1 吸附材料

煤氣化過(guò)程中，燃燒生成的大量氣體從煤中逸出，因此在爐渣內(nèi)部形成了氣體甬道，使氣化爐渣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，比表面積大，殘?zhí)康拇嬖谑蛊渚哂泻突钚蕴拷频男阅?，因此可?duì)污染物質(zhì)進(jìn)行物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。普煜等[6]對(duì)魯奇爐爐渣處理氣化廢水的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，爐渣對(duì)煤氣廢水中的CODCr、酚有明顯的去除效果，CODCr的去除率可達(dá)41.9%，酚類物質(zhì)的去除率達(dá)71.2%。

對(duì)氣化爐渣進(jìn)行酸性或堿性改性可進(jìn)一步增強(qiáng)爐渣的吸附作用。一方面，改性使?fàn)t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(zhuǎn)年等[7]采用酸堿浸漬方法對(duì)爐渣殘?jiān)M(jìn)行改性，研究表明，堿性改性的爐渣對(duì)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(fā)現(xiàn)，處理后的爐渣對(duì)磷酸鹽和CODCr的去除效率分別可達(dá)99.9%和66.7%。

目前，氣化爐渣在廢水、廢氣處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用研究較少。在工業(yè)應(yīng)用中，需要注意若對(duì)吸附飽和的爐渣處置不當(dāng)，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?yàn)闋t渣的粒徑具有一定級(jí)配，且粉煤灰的成分相近，可作為混凝土生產(chǎn)過(guò)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(qiáng)，不宜作為較高強(qiáng)度混凝土的原材料。作為集料或摻合料制備混凝土制品時(shí)，可引起漿體稠度增大、流動(dòng)性差、凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)、強(qiáng)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(jié)構(gòu)所受的溫度應(yīng)力。泡沫混凝土是一種新型建筑節(jié)能材料，具有防火性能優(yōu)良、輕質(zhì)、隔熱效果較好、施工方便等特點(diǎn)。

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(chǎn)過(guò)程中的骨料和摻和料。鄒定華等[8]以爐渣和陶粒組成細(xì)/粗集料體系制備蒸壓自密實(shí)泡沫混凝土。結(jié)果表明，新拌混凝土可達(dá)到自密實(shí)土的要求，以爐渣和陶粒作為集料的自密實(shí)泡沫混凝土蒸壓后抗壓強(qiáng)度可達(dá)7MPa以上，表觀干密度900kg/m3左右。魯永明等[9]采用爐渣磨細(xì)灰渣，制備出抗壓強(qiáng)度約6MPa的泡沫混凝土，表觀干密度740kg/m3左右。

工業(yè)生產(chǎn)中，泡沫混凝土性能要求符合建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/ T266-2011，泡沫混凝土砌塊技術(shù)指標(biāo)要求符合JC/T1062-2007的規(guī)定。從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，泡沫混凝土建筑保溫領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)。

3.3 砌體材料

隨著新型住宅樓群等建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加和資源綜合利用要求的不斷嚴(yán)格，近年來(lái)，基于固體廢棄物的節(jié)能建材得到了長(zhǎng)足發(fā)展。氣化爐渣具有和粉煤灰相近的性質(zhì)，應(yīng)用于制備新型砌體材料是常見(jiàn)且切實(shí)可行的應(yīng)用途徑，具備節(jié)能、利廢、環(huán)保的特性。

尹維新等[10]利用低質(zhì)粉煤灰和爐渣制備墻體磚，研究表明，采用常壓蒸養(yǎng)工藝，可制得MU10等級(jí)的磚。焦淑俠等[11]利用石膏和爐渣在自然養(yǎng)護(hù)條件下，制備了7d抗壓強(qiáng)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(fā)劑，蒸養(yǎng)條件下制備出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的免燒磚。

工業(yè)生產(chǎn)中，砌體材料的生產(chǎn)應(yīng)符合JC/T422-2007和GB11945-1999的要求。同時(shí)，必須達(dá)到《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)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(xué)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?zhí)康暮枯^高，水泥生料中爐渣的摻入可提高物料的預(yù)燒性，進(jìn)而使熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量提高。

景國(guó)等[12]采用工業(yè)爐渣、粉煤灰等固體廢渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，抗壓強(qiáng)度可達(dá)38.5MPa。閆秀清[13]采用氣化爐渣代替部分黏土配料生產(chǎn)硅酸鹽水泥，水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了6.8、38.6MPa。李志博[14]等利用氣化爐渣與石灰石，生產(chǎn)出28d抗壓強(qiáng)度達(dá)60MPa的復(fù)合水泥。

在工業(yè)生產(chǎn)中，水泥性能需要滿足GB175-2007的技術(shù)要求。

3.5 鋁再生

我國(guó)鋁土礦資源不足，氧化鋁進(jìn)口依存度高，根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)2016年鋁土礦進(jìn)口量約為5000萬(wàn)噸，對(duì)外依存度約43%。因此，應(yīng)用高鋁粉煤灰再生生產(chǎn)氧化鋁，在減少爐渣對(duì)土地占用與水體污染的同時(shí)，有利于鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。一般情況下，鋁含量高于30%的爐渣可應(yīng)用于鋁再生，內(nèi)蒙古中西部、陜北及山西煤質(zhì)一般可滿足要求，開(kāi)發(fā)價(jià)值較高。

近年來(lái)，應(yīng)用高鋁粉煤灰進(jìn)行鋁再生工藝有了較大突破，蒙西石灰石燒結(jié)法工藝及大唐預(yù)脫硅-堿石工藝均已商業(yè)化[15]。至2014年，國(guó)內(nèi)擬建、在建高鋁粉煤灰鋁再生裝置約12套，主要分布于內(nèi)蒙古與山西省[16]。

在目前的研究中，較為成熟的生產(chǎn)工藝有燒結(jié)法和酸溶法。燒結(jié)法又分為石灰石燒結(jié)法和堿石灰燒結(jié)法，主要由燒結(jié)、浸出、脫硅、碳化等步驟組成。燒結(jié)法適合大規(guī)模生產(chǎn)，介質(zhì)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(chǎn)相應(yīng)的鋁鹽，再將鋁鹽凈化后使之分解制得氧化鋁。流程簡(jiǎn)單，能耗較低，但產(chǎn)品質(zhì)量較低，酸耗量較大。

氣化爐渣在鋁再生處理領(lǐng)域應(yīng)用存在廢渣量大、成本高、規(guī)模小的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

爐渣是煤氣化裝置的主要三廢排放物，實(shí)現(xiàn)爐渣的有效利用，對(duì)我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)綠色低碳、循環(huán)發(fā)展具有重要的意義。由于爐渣應(yīng)用范圍廣泛，其綜合利用有望促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同的機(jī)會(huì)。爐渣綜合開(kāi)發(fā)利用，從防治固廢、資源集成的角度，迫在眉睫。

針對(duì)目前報(bào)道中爐渣的利用多處于商業(yè)化初級(jí)階段，實(shí)際利用中存在利用率低、工藝不成熟、產(chǎn)品單一等諸多問(wèn)題，我國(guó)應(yīng)在稅收、技術(shù)研發(fā)等方面加以扶持，企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及工藝的結(jié)合。

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