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(guó)煤氣化廢渣年產(chǎn)超 3 000萬(wàn)t（濕渣），排放量巨大的同時(shí)，簡(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)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(guò)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(wú)機(jī)礦物質(zhì)則在氣化反應(yīng)過(guò)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(guò)程中分離出來(lái)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(guò)程[3]

目前，我國(guó)對(duì)于煤氣化廢渣的有效利用率和無(wú)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(guò)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?chē)鷳B(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(wú)機(jī)物。這是煤氣化廢渣可以進(jìn)行高值化開(kāi)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(guò)對(duì)氣化廢渣中無(wú)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(wú)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(guó)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(mǎn)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(guò)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(mǎn)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(guò)國(guó)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(wú)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(guò)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(kāi)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(lèi)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(lái)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(guó)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(jiǎn)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(lái)應(yīng)著重開(kāi)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。