中國煤氣化渣建筑材料資源化利用現(xiàn)狀綜述

武立波， 宋牧原， 謝 鑫， 馬英杰

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 銀川 750021)

中國已探明的能源儲(chǔ)備中，煤炭、石油和天然氣分別占94%、4%和2%[1]，富煤貧油少氣的特點(diǎn)使得煤炭在未來相當(dāng)長段的時(shí)期內(nèi)仍將是中國的主要能源，粉煤灰和煤氣化渣是中國煤炭能源利用過程中產(chǎn)生的兩種典型燃煤固體廢物。煤氣化是指煤通過與氣化劑作用發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，從而將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣和少量殘?jiān)倪^程。隨著煤氣化技術(shù)在中國的蓬勃發(fā)展，在煤氣化過程中不可避免地產(chǎn)生大量氣化殘?jiān)?019年中國年生產(chǎn)氣化渣超過 3 300萬t[2]。作為國家規(guī)劃建設(shè)的六大煤化工基地之一的寧夏寧東能源化工基地，僅2018年的煤氣化渣排放量就達(dá)710萬t[3]，占當(dāng)年該基地工業(yè)固廢產(chǎn)生總量1 725.2萬t的41.2%。但由于受各種因素限制，目前中國煤氣化渣的處理方式主要為堆存和填埋，這樣的處理方式不僅嚴(yán)重地污染環(huán)境，而且造成巨大的土地資源浪費(fèi)，因此，如何消除煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的廢渣污染，實(shí)現(xiàn)煤化工廢棄物科學(xué)處置、變廢為寶，是煤氣化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要突破的重要課題[4]。

與此同時(shí)，隨著中國基建行業(yè)的飛速發(fā)展，當(dāng)前中國土木工程建設(shè)所需的天然原材料十分緊缺，工業(yè)固體廢物在大宗土木工程材料中的資源化利用，是消耗大量固體廢物的重要途徑[5]。鑒于工業(yè)固廢資源化利用的重要性，眾多學(xué)者已開展諸多的研究[6-10]，其中，關(guān)于粉煤灰的資源化利用已取得了諸多重要研究成果，且工藝技術(shù)相對成熟[11-14]。

對于產(chǎn)量逐年增多的煤氣化渣，許多單位對其化學(xué)成分、具體性能及回收利用進(jìn)行了研究，取得了不少有益的成果。曲江山等[2]對煤氣化渣的綜合利用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，研究表明煤氣化渣的主要化學(xué)成分是硅、鋁、鈣的氧化物以及殘?zhí)?，分為粗渣與細(xì)渣，粗渣產(chǎn)生于氣化爐的排渣口，占60%～80%；細(xì)渣產(chǎn)生于合成氣的除塵裝置，占20%～40%。近年來煤氣化渣的建筑材料資源化利用也已引起較廣泛的關(guān)注，但和粉煤灰的資源化利用程度相比，仍處在起步的研究階段，尚有諸多方面需進(jìn)行更深入和廣泛的研究，尤其是專門針對煤氣化渣的建筑材料資源化利用的綜述研究還鮮見報(bào)道。對已有研究成果進(jìn)行綜合評述是進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)和前提。因此，通過梳理總結(jié)中國目前煤氣化渣建筑材料資源化利用的已有研究，分析出目前的主要利用方向，對相應(yīng)的研究現(xiàn)狀、利用方法，利用方式與利用效果進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié)，并探討了煤氣化渣建筑材料資源化利用目前存在的問題與研究的不足，同時(shí)提出進(jìn)一步研究的建議與展望，為深化煤氣化渣建筑材料資源化利用研究提供借鑒和參考。

1 煤氣化渣建筑材料資源化利用的研 究現(xiàn)狀與研究方法

1.1 煤氣化渣制備砌體材料

1.1.1 研究現(xiàn)狀

尹維新等[15]將煤氣化渣與粉煤灰等膠凝材料混合，研究得出當(dāng)?shù)唾|(zhì)粉煤灰和煤渣的摻量分別為 30%和40% 時(shí)采用常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)可制備出MU10等級的墻體磚；焦淑俠[16]將80%的煤氣化渣加入石膏和復(fù)合外加劑壓制成石膏煤渣空心磚，在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)該空心磚抗壓強(qiáng)度較好，并且其隔熱保溫性能明顯增強(qiáng)；張成等[17]將煤氣化渣作為主材料，當(dāng)煤氣化渣、水泥、粉煤灰比例為6∶3∶1時(shí)，以石膏作為激發(fā)劑在溫度為100 ℃的條件下蒸養(yǎng)18 h制備出滿足要求的免燒磚，并指出煤氣化渣的顆粒粒徑會(huì)影響這種蒸壓磚的強(qiáng)度，制備時(shí)需要破碎較大顆粒的氣化渣；云正等[18]在溫度為950 ℃的條件下向尾礦中添加部分煤氣化渣和少量黏土進(jìn)行燒結(jié)后擠壓制備出抗壓強(qiáng)度超過30 MPa的墻體材料；李國友等[19]用氣化爐渣取代粉煤灰和水泥，制備出輕質(zhì)隔墻板，探究了其最佳原料配比，并指出在最佳原料配比(水泥∶0～3 mm氣化爐渣∶氣化爐渣粉∶低品質(zhì)礦渣=0.8∶0.2∶0.5∶2)條件下制備的輕質(zhì)隔墻板能滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；章麗萍等[20]為制備免燒磚，采用各原輔材料的質(zhì)量配比為：氣化渣35.6%、鍋爐渣32.4%、除塵灰14%、石灰8%、石膏4%、水泥6%，這樣制備的免燒磚其吸水率、抗壓強(qiáng)度、凍融后抗壓強(qiáng)度等均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；彭紅濤等[21]發(fā)明了一種含有煤氣化爐渣的日光溫室墻體，分為室外地坪以下墻體(14～15份水，12～13份復(fù)合硅酸鹽水泥、17～18份電石渣、54～58份煤氣化爐渣)和室外地坪以上墻體(13～14份水，10～12份復(fù)合硅酸鹽水泥、15～17份電石渣、50～53份煤氣化爐渣、0～8份添加劑)。

1.1.2 利用方法

綜合上述煤氣化渣應(yīng)用于砌體材料的研究可得出，目前煤氣化渣制備砌體材料的利用方法是將煤氣化渣作為主要原料通過單摻或復(fù)摻水泥、粉煤灰、黏土、石膏、石灰等膠質(zhì)的活性原料優(yōu)化其孔隙結(jié)構(gòu)使得制品更加密實(shí)。將各組分充分的混合、消化、養(yǎng)護(hù)后采用擠壓、蒸壓、燒結(jié)等物理方法制備建筑用磚、粉煤灰磚、燒結(jié)灰磚、煤灰水浸磚、免燒磚等性能良好的砌體材料。與傳統(tǒng)的砌體材料制備相比，用煤氣化渣制備砌體材料的過程更節(jié)能環(huán)保，因而具有良好的發(fā)展前景。

總之，煤氣化渣的分選價(jià)值極高，若將細(xì)渣中大比例的殘?zhí)挤蛛x出以后，富集后得到的低碳粉煤灰可充分應(yīng)用于建材化生產(chǎn)利用。但若煤氣化渣的殘?zhí)己扛?，?huì)引起其孔隙結(jié)構(gòu)疏松進(jìn)而增強(qiáng)了其吸水能力，導(dǎo)致制品易干縮變形。因此，煤氣化渣制備砌體材料時(shí)為避免砌體制品產(chǎn)生干縮變形，其適用條件是使用殘?zhí)己康偷拿簹饣?/p>

1.2 煤氣化渣摻制水泥和混凝土

1.2.1 研究現(xiàn)狀

趙永彬等[22]對寧煤集團(tuán)的煤氣化渣的特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，表明SiO2含量為50.59%的煤氣化渣可替代硅質(zhì)原料制備水泥熟料，玻璃相含量為90%左右的煤氣化渣可替代礦渣作為混凝土的礦物摻合料；鄒定華等[23]用煤氣化渣和陶粒作為集料摻制輕質(zhì)泡沫混凝土，蒸壓后抗壓強(qiáng)度達(dá)7 MPa，并且煤渣的摻量對混凝土的流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響很大；魯永明等[24]的研究發(fā)現(xiàn)用同樣 20% 摻量的磨細(xì)灰渣的7 d和28 d 的抗壓強(qiáng)度都高于 20% 摻量的Ⅱ級粉煤灰配制的泡沫混凝土；李志博等[25]研究發(fā)現(xiàn)石灰石與煤氣化渣以1∶3的比例混合后制備的水泥抗壓強(qiáng)度高達(dá)60 MPa；景國等[26]通過生產(chǎn)試驗(yàn)證明了煤氣化渣等固體廢渣可以生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的水泥熟料。Li等[27]研究發(fā)現(xiàn)煤氣化粗渣與水泥之間存在正相互作用，更有利于膠凝反應(yīng)并提高砂漿強(qiáng)度，石灰能有效地活化粗渣中的SiO2和Al2O3礦物相形成水化產(chǎn)物，方解石的水化反應(yīng)有利于提高煤氣化礦渣混凝土的強(qiáng)度；Zhao等[28]將煤氣化粗渣、水泥、石英按照最佳配比(煤氣化粗渣73%，水泥15%，石英12%)制備的抗壓強(qiáng)度達(dá)6.76 MPa和吸水率<20.12%的陶粒可作為混凝土骨料和摻合料；劉開平等[29]分別對煤氣化粗、細(xì)渣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究(圖1)，研究表明在混凝土中摻入研磨后的煤氣化粗渣，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)混凝土，摻煤氣化細(xì)渣混凝土強(qiáng)度低于普通混凝土，但摻粗渣、細(xì)渣分別使混凝土干縮率減小13%與8.4%，并推薦使用研磨后的粗渣部分替代天然砂作為混凝土的細(xì)集料；郭照恒等[30]研究了粉磨時(shí)間對山西煤氣化渣理化性能、活性、力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粉磨時(shí)間的增加，煤氣化渣粒徑減小(圖2)，但粒度分布基本保持一致；并得出煤氣化渣的摻加能夠顯著提升水泥砂漿的后期強(qiáng)度，最大可提高47.2%，提升作用明顯優(yōu)于S95礦粉和Ⅰ級粉煤灰。

圖1 煤氣化渣掃描電鏡圖[29]Fig.1 The scanning electron microscope photographs of coal gasification slag[29]

1.2.2 利用方法

煤氣化渣中SiO2、Al2O3等物質(zhì)與混凝土中膠凝材料相似，經(jīng)高溫高壓的熔融重塑后其中游離的CaO和SO3含量低[31]。由于煤氣化細(xì)渣中的玻璃相含量高，在火山灰活性作用下易發(fā)生反應(yīng)而形成新物相，因而，可用煤氣化渣摻制水泥和混凝土，目前其利用方法主要包括摻制煤氣化渣的細(xì)渣、粗渣，或是細(xì)渣、粗渣的混合摻制。

煤氣化渣在水泥窯中經(jīng)二次燃燒后殘?zhí)己康?，熱值極高，所以用細(xì)渣來替代礦渣、硅質(zhì)原料、作為集料可以提高材料的預(yù)燒性從而提升水泥熟料的產(chǎn)量與質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)約能耗和燃料的目的。并且煤氣化細(xì)渣經(jīng)研磨后比表面積大、黏附性強(qiáng)有利于減小制品干縮性[32]。因此，煤氣化細(xì)渣是優(yōu)良的水泥原料。同時(shí)煤氣化渣具有一定的顆粒級配，可作為混凝土的骨料或摻合料，而且上述研究表明混凝土中摻入煤氣化粗渣后其抗壓強(qiáng)度能明顯地得到提高，尤其是摻入研磨后的煤氣化粗渣既能提高抗壓強(qiáng)度又能更好地降低干縮率。

煤氣化渣摻制水泥和混凝土的適用條件主要有：煤氣化細(xì)渣更適合制備水泥或特殊的混凝土(如泡沫混凝土)，而煤氣化粗渣更適用于制備混凝土。但是，目前受工藝限制等因素的影響，煤氣化細(xì)渣的高熱值特性還未得到充分的開發(fā)應(yīng)用，同時(shí)煤氣化細(xì)渣的利用程序相比于粗渣而言過于繁雜，尚需進(jìn)一步的研究和簡化，這些都影響了煤氣化細(xì)渣的利用率。

1.3 煤氣化渣作為道路材料

1.3.1 研究現(xiàn)狀

趙永彬等[22]發(fā)現(xiàn)寧煤集團(tuán)氣化殘?jiān)辛酱笥? mm的小甲醇?xì)饣拖N氣化渣分別占67.03%和48.39%，這種煤氣化渣用作路基材料可滿足道路的基本性能要求；張向東等[33]在路基材料中摻入15%左右的煤氣化渣，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)60 d后路基材料具有較好的抗凍性；李冠杰等[34]用煤氣化渣對環(huán)氧樹脂砂漿道路進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻入環(huán)氧樹脂質(zhì)量的40% 煤氣化渣制備的改性砂漿，1 d 抗壓強(qiáng)度提高74%，28 d 抗壓強(qiáng)度提高33.3%，并且有利于縮短道路修補(bǔ)的時(shí)間，而煤氣化渣的最佳摻入量應(yīng)控制在環(huán)氧樹脂質(zhì)量的40%～60%；雷彤[35]探討了煤氣化渣在懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)與骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)半剛性基層中的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣不適合應(yīng)用于半剛性基層材料中，而煤氣化粗渣則可以應(yīng)用，并確定出懸浮密實(shí)與骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的最佳水泥、石灰和煤氣化粗渣的摻量分別為 4%、3%和 25%、20%；盛燕萍等[36]發(fā)現(xiàn)摻20%煤氣化渣的煤氣化渣水泥穩(wěn)定碎石抗收縮性能明顯提高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下其 7 d和28 d 收縮應(yīng)變比 PC32.5水泥分別低約9%和10%，雖然煤氣化渣水泥基層材料的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度略低于 PC32.5水泥基層材料的強(qiáng)度，但仍滿足道路基層的性能要求；高鵬等[37]通過依托實(shí)體公路修筑了200 m水泥穩(wěn)定煤氣化渣路面底基層試驗(yàn)段，鉆芯取樣結(jié)果表明煤氣化渣路面基層材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá) 2.2～6.8 MPa(圖3)，并且經(jīng)歷冬季-15 ℃的冰凍，春季消融后未見凍融破壞現(xiàn)象，而90 d 強(qiáng)度增長至11.9 MPa，表明煤氣化渣路面基層材料不僅可滿足各等級公路基層材料強(qiáng)度要求而且抗凍性良好。

圖3 煤氣化爐渣路面基層7 d鉆芯樣[37]Fig.3 The 7-day core drilling sample of coal gasification slag pavement base[37]

1.3.2 利用方法

結(jié)合上述文獻(xiàn)可知，煤氣化渣作為道路材料的利用方法目前主要包括煤氣化渣作為路基材料和煤氣化渣作為路面基層材料兩種，并且研究表明路基材料摻入煤氣化渣不僅強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且抗凍性良好。

作為道路材料的煤氣化渣主要是粗渣，因?yàn)榻?jīng)篩分、磁選[13]后可得到粒徑較大的煤氣化粗渣，其結(jié)構(gòu)密實(shí)、穩(wěn)定性高，與骨料、砂漿等材料混合后可確保工程的質(zhì)量，粗渣的殘?zhí)己肯鄬^低，在一定程度上抑制了硅酸鹽等礦物在粗渣中的聚合[38]，并且粗渣不具有水硬性，從而提高制品的強(qiáng)度和耐久性?？偟膩碚f，煤氣化渣顆粒較穩(wěn)定且基本無毒無害，與路石材料相比粒徑更小，在拌合過程中可以填充孔隙從而增大密實(shí)度，其外形呈球狀[30]，表面光滑，在外力作用下起到緩沖作用，能降低和延緩材料裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，從而可以改善路面的抗裂性、耐久性，并且能增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度和密實(shí)性。同時(shí)煤氣化粗渣可以作為填料改性特殊的道路材料、用作石油瀝青鋪面混合物或者取代水泥中的礦物成分制備道路材料。

總之，上述煤氣化渣作為道路材料的研究表明，由于煤氣化粗渣的殘?zhí)己勘燃?xì)渣的低，且具有一定的級配，很適宜于作為路基材料，并且諸多研究表明煤氣化粗渣經(jīng)過簡單的處理即可達(dá)到道路材料的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，本身不存在明顯的缺陷，因此，煤氣化粗渣作為路基材料具有很好的發(fā)展前景。但細(xì)渣由于燒失率較大一般不能用于路基材料，但從粉煤灰的研究角度出發(fā)，細(xì)渣分選后得到的低碳粉煤灰可充分應(yīng)用于路基材料，但目前尚無類似的研究。

1.4 煤氣化渣作為其他建筑材料

1.4.1 研究現(xiàn)狀

煤氣化渣的鋁含量高，通過簡單流程即可實(shí)現(xiàn)鋁礦物[39]的高度富集，可用于鋁再生技術(shù)；煤氣化渣易成漿[40]、風(fēng)險(xiǎn)低，雖含有大量的微量元素，但重金屬浸出率極低，屬于Ⅰ類固體廢物，按照一定比例與水、砂、石混合后經(jīng)含碳量鑒定符合標(biāo)準(zhǔn)后即可用于工程回填。劉娟紅等[41]研究激發(fā)劑對煤氣化渣活性的影響，并研究出單摻與復(fù)摻激發(fā)劑的最優(yōu)摻量，試驗(yàn)表明經(jīng)激發(fā)劑改性后的煤氣化渣充填體強(qiáng)度可滿足礦山充填強(qiáng)度要求；徐陽等[42]研究表明，當(dāng)煤氣化渣粉的添加量為4份時(shí)，制備的高水充填材料的單軸抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分別可達(dá)0.57 MPa和0.41 MPa，35 d的收縮率為10.5%。煤氣化渣玻璃相高，可用于制作微晶玻璃、玻璃陶瓷等材料[4]，胡曉霞等[43]利用煤氣化渣合成的?；⒅?vitrified microspheres synthesized from coal gasification slag， VM-CGS) 作為保溫骨料制備保溫砂漿，發(fā)現(xiàn)由 3～5 mm 粒徑的 VM-CGS 制備的保溫砂漿性能最優(yōu)，即利用 VM-CGS 可制備出滿足《建筑保溫砂漿》(GB/T 20473—2006)的Ⅰ型保溫砂漿；盛燕萍等[44]將煤氣化渣粉磨后以20%的摻量配制煤氣化渣復(fù)合膠凝材料，其強(qiáng)度可達(dá)到PC32.5水泥的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，干縮特性也低于PC32.5水泥砂漿；康健[45]研究也表明，復(fù)合膠凝材料的細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間以及力學(xué)特性均隨煤氣化渣摻量的變化而有明顯變化，但綜合起來煤氣化渣最佳摻量為20%；地質(zhì)聚合物是一種新型膠凝材料，其同時(shí)兼具有機(jī)物、水泥、陶瓷的特點(diǎn)，并且具備耐腐蝕、耐高溫、硬化快等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而有望在未來替代水泥。Chen等[46]以氣化渣和鋼渣為原料合成了一種新型地質(zhì)聚合物復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在最佳原料配比條件下該地質(zhì)聚合物具有較高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；煤氣化渣加水研磨浮選后孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)越，吸碘值高[47]、具備活性炭的性質(zhì)，可作為吸附劑；煤氣化渣表面多孔呈蜂窩狀[48-50]是一種很好的介孔材料，可以制備吸附材料或泡沫陶瓷。

1.4.2 利用方法

結(jié)合上面的研究現(xiàn)狀，目前煤氣化渣作為其他建筑材料的利用方法主要包括制備鋁、制備膠凝材料、制備玻璃、陶粒與陶瓷、制備地質(zhì)聚合物、用于工程回填、作為吸附劑等等。煤氣化渣通過酸溶法并嚴(yán)格控制反應(yīng)條件和時(shí)間等因素即可實(shí)現(xiàn)鋁再生[51]；煤氣化渣燃燒時(shí)熱值高、加熱加壓后具備絕緣性且與蛭石性質(zhì)相近，在特定條件下反應(yīng)可產(chǎn)生特殊材料[52-53]。尤其是用于工程回填、制備膠凝材料和制備地質(zhì)聚合物受到了較廣泛的關(guān)注，并且各種應(yīng)用都具有廣泛的應(yīng)用前景，但有待于更多與更深入的研究。

總的來說，目前通過對煤氣化渣添加激發(fā)劑、粉磨、加熱加壓等方法來制備其他建筑材料，并且煤氣化渣作為其他建筑材料具有應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，但是絕大多數(shù)應(yīng)用尤其是一些高附加值開發(fā)應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)室研究的階段，并且由于技術(shù)相對復(fù)雜，投資大，風(fēng)險(xiǎn)高，尚不能生產(chǎn)化開發(fā)利用。

2 煤氣化渣建筑材料資源化利用的方 式、方法及效果

基于上述中國目前煤氣化渣建筑材料資源化利用的研究現(xiàn)狀與利用方法的分析，進(jìn)一步概括出煤氣化渣制備砌體材料、摻制水泥和混凝土、作為路基材料以及作為其他建筑材料4個(gè)方面的利用方式、利用方法、利用效果進(jìn)行了梳理和總結(jié)，如表1、表2所示。總結(jié)表1、表2可得，煤氣化渣是通過摻入活性材料制備砌體材料的，但制備技術(shù)與工藝有待進(jìn)一步深入研究；煤氣化渣摻制水泥和混凝土，細(xì)渣由于殘?zhí)己扛?，?huì)阻礙氣化渣與水泥或石灰之間的膠凝反應(yīng)，而粗渣中豐富的活性礦物相有利于膠凝反應(yīng)，能提高砂漿強(qiáng)度[27]；煤氣化渣作為道路材料具有較多的優(yōu)勢，尤其是粗渣，需開展針對性的更廣泛與更深入的研究；煤氣化渣作為其他建筑材料具有應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

表1 煤氣化渣制備砌體材料、摻制水泥和混凝土以及作為道路材料的利用方式、方法及效果Table 1 Utilization mode, method and effect of masonry materials, mixing cement and concrete and road materials prepared by coal gasification slag

表2 煤氣化渣作為其他建筑材料的分析Table 2 Utilization routes and effect of other building materials from coal gasification slag

3 煤氣化渣建筑材料資源化利用目前 存在的問題與研究的不足

3.1 存在的問題

3.1.1 利用成本高

工藝條件的不同導(dǎo)致煤氣化渣中的殘?zhí)己扛鞑幌嗤?，并且煤氣化渣殘?zhí)己科毡檩^高，使其燒失率變高，進(jìn)而影響其綜合利用效果。在實(shí)際生產(chǎn)中由于分選富集過程受溫差、設(shè)備穩(wěn)定性、儀器精密程度、含氧量高低等因素的影響，很難保證煤氣化渣的殘?zhí)己?，目前通常通過提高反應(yīng)溫度、壓力、含氧量[25]來保證低殘?zhí)剂康囊?，但由于生產(chǎn)過程中投資高、效率一般、人工成本高等因素的影響，煤氣化渣中的殘?zhí)己枯^高的問題目前尚未得到較好的解決。同時(shí)，由于工藝復(fù)雜，現(xiàn)有的利廢企業(yè)投資大，效益低，致使利廢項(xiàng)目難以生存，綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)模還遠(yuǎn)未形成。

3.1.2 綜合利用率低

目前，中國對工業(yè)固體廢物的綜合利用技術(shù)總體上不成熟，綜合利用的產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、利用量少進(jìn)而導(dǎo)致較低的綜合利用率。以寧東能源化工基地為例，工業(yè)固體廢物的綜合利用率不到35%[8]，并且固廢的主要利用項(xiàng)目有水泥粉磨站、商品混凝土攪拌站和粉煤灰蒸壓磚生產(chǎn)線，爐渣(包括鎂渣、氣化爐渣、鍋爐渣)的綜合利用率不到30%，其中氣化渣的利用率更低。因煤氣化灰渣內(nèi)部含有大量的未燃碳，限制了其在建工建材等領(lǐng)域的規(guī)?；?。而鑒于當(dāng)前的中外碳、灰分選方法雖有發(fā)展且取得了一定的效果，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究和半工業(yè)試驗(yàn)階段，即因分選技術(shù)和分選工藝存在成本高、分選效率低等問題，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用[54]。這也進(jìn)一步限制和制約了煤氣化渣的分選利用。因此，現(xiàn)有的廢棄物綜合利用率遠(yuǎn)低于2019年國家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部的《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)聚集發(fā)展的通知》中指出的基地廢棄物綜合利用率達(dá)到 75% 以上的標(biāo)準(zhǔn)。而不斷擴(kuò)大的煤化工項(xiàng)目規(guī)模使得煤氣化渣的產(chǎn)生量日益增多，較低的資源化利用率更加劇了氣化渣的排存矛盾，使基地廢棄物資源化利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)成為急需解決的突出問題。

3.2 研究的不足

3.2.1 處在實(shí)驗(yàn)室研究的起步階段

煤氣化渣建筑材料資源化利用是煤氣化渣規(guī)模化消納的重要途徑。但綜合上述研究可知，目前中國煤氣化渣建筑材料資源化利用的4個(gè)方面基本處在實(shí)驗(yàn)室研究的起步階段，即使是研究相對較多的用煤氣化渣制備砌體材料、摻制水泥與混凝土兩個(gè)方面，也與實(shí)現(xiàn)規(guī)?；玫哪繕?biāo)還有很大的差距。因此，煤氣化渣建筑材料的資源化利用尚有諸多方面需進(jìn)一步的深入研究，尤其缺乏在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上的基于實(shí)體工程的研究與驗(yàn)證。

3.2.2 煤氣化渣的分類利用研究不足，尤其是專門針對粗渣的利用研究明顯不足

分析可知，煤氣化渣的殘?zhí)己恐苯佑绊懢C合利用的效果。諸多研究表明煤氣化粗渣與細(xì)渣的性質(zhì)差別較大，例如，相比與細(xì)渣，粗渣中的殘?zhí)己坎粌H更低，而且粗渣中的殘?zhí)季哂休^低的孔表面積和孔容積，石墨化程度也比細(xì)渣的低，使得粗渣殘?zhí)細(xì)饣磻?yīng)活性高于細(xì)渣[48]。此外，煤氣化粗渣的強(qiáng)度高、穩(wěn)定性高，獲取方式簡單，本身不存在明顯的不足，更適宜于在較低成本條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)化的開發(fā)利用。煤氣化細(xì)渣含碳量高、灰分中硅鋁含量高、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，并且具有火山灰活性，細(xì)渣的熱值高，但其熱值高的特點(diǎn)也未被充分開發(fā)利用。

鑒于煤氣化粗渣、細(xì)渣的性質(zhì)差異，對這二者展開專門的分類研究十分有必要，并且將煤氣化粗渣與細(xì)渣分開研究與利用已成為目前及以后的趨勢，但目前的研究大多以煤氣化細(xì)渣的相關(guān)研究為主[55-61]，而對于占煤氣化渣總量70%左右的煤氣化粗渣的研究十分不足。因此，根據(jù)煤氣化粗渣與細(xì)渣的不同特點(diǎn)與性質(zhì)，開展針對性的專門的分類利用研究，將更有利于加快煤氣化渣的資源化利用進(jìn)程[62-65]。

4 結(jié)論與展望

煤氣化渣作為建筑材料資源化利用既有利于保護(hù)環(huán)境，又能解決基建行業(yè)原材料緊缺的難題，有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的共贏。為加快煤氣化渣建筑材料資源化利用的進(jìn)程，通過文獻(xiàn)綜述梳理總結(jié)了中國目前煤氣化渣建筑材料資源化利用的研究現(xiàn)狀，利用方法以及目前存在的問題與不足，得出如下結(jié)論。

(1)目前中國煤氣化渣作為建筑材料的資源化利用主要包括煤氣化渣制備砌體材料、煤氣化渣摻制水泥和混凝土、煤氣化渣作為道路材料和煤氣化渣作為其他建筑材料4個(gè)利用方向。

(2)目前有關(guān)煤氣化渣制備砌體材料與摻制水泥和混凝土方面的研究相對較多，但總體上煤氣化渣作為建筑材料的資源化利用的4個(gè)方向均處在實(shí)驗(yàn)室研究的起步階段，綜合利用率低于30%，遠(yuǎn)達(dá)不到國家提出的綜合利用率標(biāo)準(zhǔn)75%以上，因此，目前煤氣化渣作為建筑材料的資源化利用與實(shí)現(xiàn)規(guī)?；玫哪繕?biāo)還有很大的差距，尤其缺乏在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上的基于實(shí)體工程的研究與驗(yàn)證。

(3)中國煤氣化渣建筑材料資源化利用尚有諸多方面需要更廣泛和更深入的研究，將煤氣化粗渣與細(xì)渣分類研究與利用已成為目前及以后的發(fā)展趨勢，但是對于占煤氣化渣總量70%左右的煤氣化粗渣的研究不足。

(4)煤氣化渣建筑材料資源化利用的4個(gè)方向都具有很好的應(yīng)用前景，但由于資源化利用的工藝大多偏復(fù)雜，利用成本高，導(dǎo)致利廢企業(yè)投資高，環(huán)保壓力大卻收益低，這會(huì)直接影響煤氣化渣的資源化利用率與利用進(jìn)程，建議國家與政府加強(qiáng)這方面的政策與資金扶持，同時(shí)工程與科研人員也要加強(qiáng)煤氣化渣資源化利用的工藝研究與成本控制研究。

(5)含碳量高、碳-灰難以分離、利用成本高等難題是實(shí)現(xiàn)煤氣化渣綠色、清潔、高值化資源利用的瓶頸問題，是制約煤氣化渣實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)化利用的主要因素。同樣地，煤氣化渣作為建筑材料資源化利用這一領(lǐng)域的難點(diǎn)也集中在煤氣化渣的碳-灰分離、脫碳技術(shù)上。隨著中國“固廢資源化”戰(zhàn)略目標(biāo)的逐步實(shí)施，以及煤基固廢治理研究的深入開展，上述瓶頸問題已日益引起各界的重視，未來煤氣化渣作為建筑材料資源化利用的研究方向有：在基礎(chǔ)研究方面，煤氣化粗渣與細(xì)渣的分類研究與利用不足。包括煤氣化粗渣占比大，用來摻制混凝土、作為道路材料以及作為其他建筑材料都有良好的應(yīng)用前景，尤其是煤氣化粗渣作為道路材料具有成本低、工藝相對簡單等諸多優(yōu)勢，對其開展進(jìn)一步的研究既緊迫又重要；煤氣化細(xì)渣熱值高的特點(diǎn)也需進(jìn)一步深入地進(jìn)行開發(fā)利用。在利用工藝方面，由于碳-灰分離是煤氣化渣分質(zhì)綜合利用的前提與基礎(chǔ)[53]，因而基于建材應(yīng)用的碳-灰分離技術(shù)、碳-灰分選效果需加大研究的力度，以提高煤氣化渣的綜合利用率。