煤氣化細(xì)渣資源化利用途徑及發(fā)展趨勢(shì)

袁傲，楊靖，張慶，楊嵐，王論偉

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

煤炭是我國(guó)最主要的能源之一，占能源生產(chǎn)和消耗的70%以上。2019年，中國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá) 37.5億t，較2018年增長(zhǎng)4.2%，而2020年原煤產(chǎn)量則達(dá)到了39億t，較2019年增長(zhǎng)1.4%[1-2]。2020年9月，中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)中提出“碳達(dá)峰”、“碳中和”的節(jié)能減排目標(biāo)，由于煤炭的燃燒引發(fā)環(huán)境持續(xù)惡化，使得煤炭的清潔生產(chǎn)和高效利用成為一項(xiàng)重要而緊迫任務(wù)，而煤氣化技術(shù)正可解決這一問題。但是隨著煤氣化技術(shù)的快速發(fā)展，煤氣化渣排放問題愈發(fā)嚴(yán)重。煤氣化渣可分為煤氣化粗渣和煤氣化細(xì)渣，煤氣化粗渣一般用于建筑材料或路基；而煤氣化細(xì)渣則因碳含量較高，含有大量重金屬元素，資源化利用受到了限制[3]。一方面，煤氣化細(xì)渣堆放或填埋會(huì)占用大量土地，產(chǎn)生的滲濾液也會(huì)對(duì)土壤、水體造成金屬污染；另一方面，煤氣化細(xì)渣具有較高的殘?zhí)己捅缺砻娣e，富含多種金屬氧化物，可利用價(jià)值高[4]。基于這樣兩方面的矛盾，眾多研究學(xué)者對(duì)煤氣化細(xì)渣的資源化利用進(jìn)行了大量研究，煤氣化細(xì)渣的有效處置和高效利用對(duì)煤化工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 煤氣化細(xì)渣的產(chǎn)生及性質(zhì)

1.1 煤氣化細(xì)渣的產(chǎn)生

煤氣化技術(shù)是清潔高效利用煤炭資源的重要途徑之一，是將經(jīng)過處理的煤炭送入氣化爐中經(jīng)過一定壓力和溫度，使得煤炭轉(zhuǎn)化氫氣、甲烷、一氧化碳等一系列化工產(chǎn)品的過程。煤氣化過程中氣化爐爐內(nèi)溫度根據(jù)原煤種類和氣化爐的類型從800～1 700 ℃ 不等[5]。煤炭在氣化爐內(nèi)部會(huì)逐漸融化在底部形成熔融狀態(tài)的粗渣，一些飛灰則跟隨產(chǎn)物進(jìn)入到凈化裝置中沉積下來，成為煤氣化細(xì)渣。

碳的轉(zhuǎn)化受到溫度、壓力和煤粒尺寸等因素的影響，不同床型氣化爐工作條件見表1。煤在氣化爐的高溫高壓下將會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的煤氣化細(xì)渣由于氣化爐的高溫灼燒，內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，含有超過20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳未被燃燒。

表1 不同床型氣化爐的工作條件

1.2 煤氣化細(xì)渣的性質(zhì)

煤氣化細(xì)渣粒徑在50～200 μm之間的質(zhì)量占比為72%，形狀一般呈球形顆粒和不規(guī)則蜂窩孔形顆粒，表面氧化嚴(yán)重，比表面積可達(dá)258.29 m2/g，粗糙度大，燃燒特性與劣質(zhì)煙煤相當(dāng)，著火溫度在601.6 ℃左右，由于含有較多堿金屬氧化物，因此煤氣化細(xì)渣pH值大多為堿性[6]。煤氣化細(xì)渣一般為灰黑色粉末狀，細(xì)渣成分與煤種、生產(chǎn)工藝以及運(yùn)行工況相關(guān)，主要取決于煤中的無機(jī)、有機(jī)組分，煤氣化細(xì)渣中的無機(jī)組分主要由鈣鐵鋁硅酸鹽和礦物質(zhì)熔體組成，有機(jī)組分主要為未充分燃燒的殘?zhí)疾⑶曳稚⒃跓o機(jī)組分中。

表2列出了我國(guó)部分產(chǎn)煤地區(qū)煤氣化細(xì)渣化學(xué)組成，煤氣化細(xì)渣主要由C、SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O組成，重金屬元素Zn、Cu、Mn和Cr大多集中在煤氣化細(xì)渣中且含量都>50 μg/g。盡管煤氣化細(xì)渣化學(xué)組成基本相同，但由于煤氣化細(xì)渣的產(chǎn)地、爐型不同，因而煤氣化細(xì)渣的組分含量有顯著差異。

表2 部分產(chǎn)煤地區(qū)煤氣化細(xì)渣化學(xué)組成

2 煤氣化細(xì)渣資源化利用途徑及研究進(jìn)展

如何對(duì)煤氣化過程中產(chǎn)生的煤氣化細(xì)渣進(jìn)行合理的處置實(shí)現(xiàn)其資源化利用是目前面臨的難點(diǎn)，煤氣化細(xì)渣的性質(zhì)和可利用組分決定了煤氣化細(xì)渣具有很大的利用潛力。解決好煤氣化細(xì)渣資源化利用的問題，對(duì)我國(guó)今后建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展型社會(huì)具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外煤氣化細(xì)渣的研究集中在以下幾個(gè)方面，包括用于建筑領(lǐng)域、摻燒利用、制備新型改性材料、改良土壤、分選利用等。

2.1 用于建筑領(lǐng)域

目前不同地區(qū)的煤氣化細(xì)渣性質(zhì)有較大差異，因此煤氣化細(xì)渣在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用要考慮煤氣化細(xì)渣性質(zhì)和所需產(chǎn)品的要求，選擇滿足要求的煤氣化細(xì)渣進(jìn)行利用，如應(yīng)用于水泥時(shí)，需選擇較低含碳量的煤氣化細(xì)渣。煤氣化細(xì)渣可充當(dāng)水泥細(xì)骨料或添加劑。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，結(jié)果發(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，但會(huì)消耗額外的能源；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。

煤氣化細(xì)渣也可作為原材料燒制磚塊或者制備陶瓷。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的比例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(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)等級(jí)規(guī)范；Yin等[11]將煤氣化細(xì)渣和炭黑混合物在1 400 ℃下進(jìn)行熱合成，合成Ca-α-Sialon-SiC 粉末在1 650 ℃，125 MPa的壓力下熱壓2 h制備了Ca-α-Sialon-SiC復(fù)相陶瓷，制備的Ca-α-Sialon-SiC復(fù)相陶瓷的維氏硬度達(dá)到了18.6 GPa；王守飛[12]以安慶石化殼牌粉煤氣化爐的粗渣和細(xì)渣作為原材料制備泡沫陶瓷，研究了泡沫陶瓷材料制備的最佳工藝條件，細(xì)渣和粗渣質(zhì)量比為1∶1，實(shí)現(xiàn)了氣化渣的100%利用，制備的泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度達(dá)到了8.6 MPa。煤氣化細(xì)渣用于建筑材料是一種常見的利用方式，由于煤氣化細(xì)渣殘?zhí)己枯^高，導(dǎo)致燒失量較大，在GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中規(guī)定，燒失量超過10.0%不能用于建筑材料，因此煤氣化細(xì)渣在建筑材料方面的應(yīng)用受到了局限。

2.2 摻燒利用

一般認(rèn)為，煤氣化細(xì)渣在氣化爐內(nèi)停留時(shí)間較短，原煤中的碳未充分與氧接觸燃燒，導(dǎo)致細(xì)渣中未燃碳含量較高。煤氣化細(xì)渣具有高殘?zhí)肌⒏邿嶂档奶攸c(diǎn)，因此可以與原煤按一定比例進(jìn)行摻燒。史兆臣等[13]指出將煤氣化細(xì)渣與燃煤按照一定比例在循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行摻燒，煤氣化細(xì)渣在溫度高于900 ℃時(shí)殘?zhí)紟缀跬耆急M，驗(yàn)證了將干燥后的煤氣化細(xì)渣用于煤粉爐燃燒的可行性；Liu等[14]研究了煤氣化細(xì)渣著火和燃盡特性，研究發(fā)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣和無煙煤的著火特性相似，隨著氧濃度從5%增加到15%，煤氣化細(xì)渣中的未燃碳含量從17%降到了0，與純無煙煤燃燒相比，主燃燒區(qū)的中心溫度提高了50 ℃，證明了煤氣化細(xì)渣摻燒的可行性；Liu等[15]研究了煤氣化細(xì)渣對(duì)水煤漿氣化的影響，研究發(fā)現(xiàn)水煤漿的表觀粘度和穩(wěn)定性隨著煤氣化細(xì)渣的含量增加而上升，少量煤氣化細(xì)渣可以促進(jìn)水煤漿氣化，當(dāng)煤氣化細(xì)渣含量達(dá)到峰值后繼續(xù)加入會(huì)導(dǎo)致氣化速率降低；徐文靜[16]研究了煤氣化細(xì)渣與原煤混合燃燒的特性，發(fā)現(xiàn)原煤和煤氣化細(xì)渣按一定比例摻燒具有一定的協(xié)同效應(yīng)，建議煤氣化細(xì)渣摻燒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%左右；Wang等[17]利用煤氣化細(xì)渣的高殘?zhí)迹芯苛松袢A煤和煤氣化細(xì)渣的混合燃燒的效果，結(jié)果表明煤氣化細(xì)渣的加入可以一定程度上改善混合煤的燃燒特性，當(dāng)煤氣化細(xì)渣的混合量為50%時(shí)，獲得最小表觀活化能。煤氣化細(xì)渣用于摻燒利用可以節(jié)約能源，充分利用煤氣化細(xì)渣的熱值，但煤氣化細(xì)渣的摻燒會(huì)使得鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性降低，且由于摻燒比例較小，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益有待進(jìn)一步研究。

2.3 制備新型改性材料

在煤氣化過程中煤氣化細(xì)渣中部分碳被高溫裂解，孔道得到了極大的疏通，形成一種類似于活性炭的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還擁有活性炭不具備的優(yōu)勢(shì)即富含氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵等成分，并且含有多種稀有金屬元素，這些優(yōu)勢(shì)使得煤氣化細(xì)渣在制備新型材料領(lǐng)域有著廣闊的研究和應(yīng)用前景。

2.3.1 制備吸附材料 煤氣化細(xì)渣比表面積較大，具有活性炭的性質(zhì)，可通過改性后增大其比表面積和吸附容量制備吸附材料，改性后的煤氣化細(xì)渣可用于處理廢水中的染料或重金屬離子，也可去除其他污染物質(zhì)。一部分學(xué)者研究了以煤氣化細(xì)渣作為原材料制備染料吸附劑。Deng等[18]以煤氣化渣為原料，制備了負(fù)載有鈰的吸附劑并確定了最佳制備條件，載鈰吸附劑對(duì)剛果紅的去除率達(dá)到了95.87%；Liu等[19]通過酸浸煤氣化細(xì)渣，制備了比表面積為364 m2/g的介孔二氧化硅微球，介孔二氧化硅微球用于吸附亞甲基藍(lán)染料取得了良好的效果，最大吸附量達(dá)到140.57 mg/g；Wu等[20]利用煤氣化細(xì)渣中豐富的碳和硅作為碳源和硅源，在堿性條件下通過原位轉(zhuǎn)換制備了一種P型沸石/碳復(fù)合材料，研究了P型沸石/碳復(fù)合材料對(duì)濃度為 1 000 mg/L 結(jié)晶紫溶液的吸附效果，研究結(jié)果表明P型沸石/碳復(fù)合材料對(duì)結(jié)晶紫的最大吸附量為 625.0 mg/g。

另一部分學(xué)者使用煤氣化細(xì)渣制備重金屬離子吸附劑。Duan等[21]研究了煤氣化細(xì)渣的吸附性能，用煤氣化細(xì)渣處理低濃度含汞廢水，結(jié)果顯示煤氣化細(xì)渣對(duì)汞的吸附效果在1.96～2.27 mg/g之間，吸附在煤氣化細(xì)渣上的汞浸出非常緩慢，在工業(yè)應(yīng)用中具有很大的潛力；Ji等[22]采用中國(guó)寧東煤化工基地的煤氣化細(xì)渣(CGFS)作為原料，通過固相堿熔變的方法制備高結(jié)晶度單相A型沸石，用于去除模擬廢水中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子，通過實(shí)驗(yàn)確定了制備高結(jié)晶度單相A型沸石的最佳條件，對(duì)模擬廢水中的Pb2+和Cu2+的去除率可以達(dá)到99%以上。

2.3.2 作為填料 橡膠樹脂材料具有卓越的性價(jià)比，為了進(jìn)一步提高其性能，通常加入各種無機(jī)添加劑，煤氣化細(xì)渣性質(zhì)較為穩(wěn)定，可以作為橡膠樹脂填料改善橡膠樹脂的物化性質(zhì)。Ai等[25]研究了一種新型填料，將煤氣化細(xì)渣在600 ℃下煅燒7 h制備煤氣化細(xì)渣玻璃珠(CGFSGB)來替代碳酸鈣，將煤氣化細(xì)渣玻璃珠融入聚丙烯(PP)中制備了PP/CGFSGB材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明引入煤氣化細(xì)渣提高了聚丙烯材料的抗拉強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性能。以煤氣化細(xì)渣制備的煤氣化細(xì)渣玻璃珠具有球形表面，比CaCO3的方形表面更有利于提高界面粘合強(qiáng)度。Zhang等[26]以煤氣化細(xì)渣為原料，去除細(xì)渣中的殘?zhí)己笾苽淞嗣簹饣?xì)渣除臭劑(FSD)，將除臭劑填充到聚丙烯樹脂中研究對(duì)聚丙烯樹脂中揮發(fā)性有機(jī)物的吸附效果，研究結(jié)果表明除臭劑的加入減少了一半以上的揮發(fā)性有機(jī)物，同時(shí)提高了聚丙烯樹脂的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。煤氣化細(xì)渣作為橡膠樹脂填料具有較高的應(yīng)用潛力，但其制備工藝較為復(fù)雜。

2.3.3 作為載體 煤氣化細(xì)渣中含有多種微量元素，其表面具有眾多活化點(diǎn)位，對(duì)煤氣化細(xì)渣表面進(jìn)行修飾和改性以后可作為催化劑載體或其他金屬氧化物的載體。催化劑理想的載體包括一系列的金屬氧化物，如氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈦和氧化鎂。而煤氣化細(xì)渣主要由氧化鋁和二氧化硅組成，并且提供了理想的熱穩(wěn)定性，因此煤氣化細(xì)渣是一種非常有應(yīng)用前景的催化劑載體。Wu等[27]研究了煤氣化渣無機(jī)成分的特性及催化作用，研究中發(fā)現(xiàn)煤氣化渣中的鈣、鐵氧化物對(duì)碳的氣化有著促進(jìn)作用。Han等[28]以煤氣化細(xì)渣為原料通過浸漬方法制備了負(fù)載釩的催化劑，研究了催化劑還原NH3的催化效果，研究結(jié)果表明制備的催化劑在240～290 ℃溫度范圍內(nèi)具有良好的催化活性，隨著溫度的升高，NO轉(zhuǎn)化率從60%增加到100%。Zhang等[29]將摻銻氧化錫(Sb-SnO2)通過化學(xué)沉積的方法負(fù)載在煤氣化細(xì)渣多孔微珠(CMs)上，制備了煤氣化細(xì)渣多孔微珠復(fù)合導(dǎo)電粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤氣化細(xì)渣多孔微珠被結(jié)晶良好的摻銻氧化錫納米顆粒(ATCM)所包覆，ATCM粉末的體積電阻率達(dá)到2.60×103Ω·cm。目前以煤氣化細(xì)渣為載體的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，煤氣化細(xì)渣作為載體還需進(jìn)一步的研究。

2.4 改良土壤

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，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了農(nóng)用地土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻的風(fēng)險(xiǎn)管制值，因此煤氣化細(xì)渣在土壤改良中的應(yīng)用受到限制。煤氣化細(xì)渣作為土壤改良劑的應(yīng)用可分為兩個(gè)方面，一方面煤氣化細(xì)渣可作為土壤改良劑直接用于改良土壤，相微微等[30]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，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(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，研究發(fā)現(xiàn)大豆苗葉中鉛、汞、鎳和鉻含量超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值要求；Zhu等[31]將煤氣化細(xì)渣經(jīng)過酸、堿、鹽、研磨、煅燒等處理后，將5%煤氣化細(xì)渣加入土壤中能夠顯著促進(jìn)水稻生長(zhǎng)；Xiang等[32]用污泥衍生的氨基酸改性磁性爐渣，將磁性爐渣(AMS)用于改良土壤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%的磁性爐渣可以吸附土壤中的重金屬，保留土壤酶的活性，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

另一方面煤氣化細(xì)渣可用于改性土壤改良劑，Xiang等[33]用煤氣化細(xì)渣和電子輻照改性污泥用于種植駱駝刺，結(jié)果表明改性后污泥對(duì)葉片生長(zhǎng)有積極影響，當(dāng)改性污泥添加量為50%時(shí)，能夠明顯促進(jìn)駱駝刺生長(zhǎng)；Liu等[34]通過揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、腐熟度等參數(shù)對(duì)煤氣化細(xì)渣作為豬糞堆肥添加劑進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，添加10%煤氣化細(xì)渣可提高腐熟度和C/N比，提高堆肥質(zhì)量。煤氣化細(xì)渣pH值通常為堿性，適合酸性土壤的改良，并且表面多孔，能夠儲(chǔ)存植物所需的水分、營(yíng)養(yǎng)和空氣，促進(jìn)有機(jī)物的分解，起到供肥和保肥的作用，但煤氣化細(xì)渣中含有有毒的重金屬元素，用于農(nóng)用地顯然會(huì)引起人們的憂慮，作為土壤改良劑之前可以通過某種方式進(jìn)行處理去除重金屬元素，或者將其用于景觀綠地或土壤。

2.5 分選利用

隨著資源逐漸枯竭，世界各國(guó)逐漸重視煤氣化細(xì)渣資源化利用。煤氣化細(xì)渣主要由大量非晶態(tài)鋁硅酸鹽以及少量晶態(tài)礦物質(zhì)組成，其化學(xué)組成主要由碳、硅、鋁、鈣等元素的氧化物、硫酸鹽或碳酸鹽組成，一些金屬元素在煤氣化的過程中在煤氣化細(xì)渣中富集，但由于高溫熔融混雜在一起，如果能夠通過經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方法將碳和氧化物分選出來，將大大提高煤氣化細(xì)渣資源化利用的價(jià)值。

2.5.1 碳的分選利用 煤氣化細(xì)渣中碳含量過高，一方面可以通過浮選從煤氣化細(xì)渣中脫除碳粒，實(shí)現(xiàn)碳的回收利用。Fan等[35]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；Guo等[36]利用泡沫浮選從煤氣化細(xì)渣中回收殘?zhí)?，?%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的殘?zhí)技尤氲缴镉椭猩a(chǎn)出一種新型殘?zhí)忌镉?RCBS)燃料，實(shí)現(xiàn)了煤氣化細(xì)渣殘?zhí)己蜕镔|(zhì)能的綜合利用。另一方面可以利用煤氣化細(xì)渣中的殘?zhí)贾苽洳牧稀e等[37]將Fe3O4納米粒子通過化學(xué)沉淀法修飾在煤氣化細(xì)渣中殘?zhí)忌?，成功制備了四氧化三鐵摻雜氮的殘?zhí)紡?fù)合材料(Fe3O4@NRC)，研究結(jié)果表明Fe3O4@NRC復(fù)合材料表現(xiàn)出出色的電磁波吸收能力，促進(jìn)了煤氣化副產(chǎn)物的利用；Gou等[38]通過直接酸蝕刻和氨活化處理富含碳的細(xì)渣來制備新的多孔碳，這種多孔碳被用作鋅-空氣電池的空氣陰極，在電流密度為154.9 mA/cm2的情況下多孔碳空氣陰極的電極功率密度達(dá)到 88 mW/cm2。煤氣化細(xì)渣通過浮選產(chǎn)生的尾礦灰分含量高可用于建筑材料，精礦可用于制備吸附材料或者用于回爐摻燒達(dá)到價(jià)值的最大化利用。煤氣化細(xì)渣中碳的分選在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要考慮細(xì)渣的性質(zhì)特點(diǎn)選擇經(jīng)濟(jì)合理的方法進(jìn)行分選回收。

2.5.2 氧化物的分選利用 煤氣化細(xì)渣中富含多種金屬和非金屬氧化物，如果能夠分選利用將極大開發(fā)煤氣化細(xì)渣的利用潛力。發(fā)達(dá)國(guó)家煤氣化細(xì)渣利用率較高，如荷蘭已經(jīng)達(dá)到98%以上，一些國(guó)家采用磁選、篩分等技術(shù)從煤氣化細(xì)渣中將Fe2O3、Fe3O4等磁性礦物質(zhì)分選出來。由于我國(guó)鋁土礦資源不足，國(guó)內(nèi)2019年鋁土礦進(jìn)口量突破1億t，僅2020年上半年鋁土礦進(jìn)口量約為5 830萬t，對(duì)外依存度較高。因此，可以將含鋁超過30%的煤氣化細(xì)渣進(jìn)行鋁再生，利用其中的鋁元素生產(chǎn)聚合氯化鋁、硫酸鋁、聚合氯化鋁鐵、氫氧化鋁等十幾種鋁系產(chǎn)品。胡文豪等[39]通過循環(huán)富鋁酸液以氣化渣為原料酸浸液制備了聚合氯化鋁絮凝劑，確定了最佳工藝條件為反應(yīng)溫度90 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min，酸濃度300 g/L，液固比為5；煤氣化細(xì)渣中含有超過30%的SiO2，可作為制備白炭黑的優(yōu)質(zhì)原材料，將煤氣化細(xì)渣與純堿混合高溫冶融后用硫酸酸浸，再經(jīng)過濾洗滌、烘干、分選后可得到白炭黑。煤氣化細(xì)渣中的多種氧化物含量達(dá)到可以回收利用的標(biāo)準(zhǔn)，但如何將其高效率回收利用是目前研究的一個(gè)難點(diǎn)，其原因主要是回收成本較高、工藝復(fù)雜并且雜質(zhì)較多。

3 煤氣化細(xì)渣減量化途徑

煤氣化技術(shù)是為了滿足社會(huì)對(duì)清潔高效能源的需求而發(fā)展起來的一種清潔煤技術(shù)，由于煤炭中灰分占有一定比例，因此細(xì)渣的大量產(chǎn)生不可避免，雖然煤氣化細(xì)渣的利用途徑眾多，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因不能大規(guī)模應(yīng)用，如何不產(chǎn)生或少產(chǎn)生煤氣化細(xì)渣是解決問題的關(guān)鍵。目前有兩種途徑可以解決這個(gè)問題，一是開發(fā)新的煤氣化工藝。Xie等[40]提出了一種地下煤氣化技術(shù)(UCG)，在原煤層中建造了煤氣化反應(yīng)器用于生產(chǎn)可燃?xì)怏w，生產(chǎn)的氣體熱值3.92～10.68 MJ/m3之間，地下煤氣化技術(shù)(UCG)是一種安全性高、效率高的新型煤炭利用技術(shù)，但是，地下煤氣化技術(shù)殘留物中有害微量元素進(jìn)入地下環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)重要問題。二是在原有工藝上進(jìn)行改進(jìn)。李水龍等[41]概述了華亭甲醇公司改進(jìn)多元料漿氣化技術(shù)，改進(jìn)利用系統(tǒng)和灰水烘爐后有效提高了碳的利用率，降低了煤氣化細(xì)渣產(chǎn)出；西安熱工所研究的兩段式氣流床氣化爐將煤經(jīng)過氣化和凈化后，除去煤氣中99%以上的硫化氫和接近100%的粉塵，將固體燃料轉(zhuǎn)化成燃用的清潔氣體燃料，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到了98.9%，大大降低了煤氣化細(xì)渣的產(chǎn)生[42]。煤氣化細(xì)渣的減量化是解決煤氣化細(xì)渣的根本途徑，但目前煤氣化細(xì)渣的減量化面臨新工藝?yán)碚摬煌晟?，而改造舊工藝成本較高的問題。

4 結(jié)束語

在環(huán)境惡化、重視低碳、環(huán)保的背景下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣化細(xì)渣資源化、高效化的利用對(duì)我國(guó)煤炭化工產(chǎn)業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。目前我國(guó)煤氣化細(xì)渣的資源化利用還處在起步階段，煤氣化細(xì)渣的利用多用于建筑材料、摻燒或分選利用，煤氣化細(xì)渣的深度開發(fā)利用的仍然存在很多問題。技術(shù)、成本、距離等因素制約了煤氣化細(xì)渣資源化利用的發(fā)展，煤氣化細(xì)渣的資源化利用應(yīng)遵循因地制宜、量材適用、就近利用的原則，加大對(duì)煤氣化細(xì)渣資源化利用研究的投入，依靠煤氣化工廠建立一套煤氣化細(xì)渣利用的配套設(shè)施來實(shí)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣從廢棄物向商品的轉(zhuǎn)化。當(dāng)下煤氣化細(xì)渣資源化利用的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：

(1)將煤氣化細(xì)渣進(jìn)行處理去除重金屬元素后制備土壤改良劑或肥料，用于調(diào)節(jié)酸性土壤pH，改善土壤的理化性質(zhì)。

(2)對(duì)煤氣化細(xì)渣進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)調(diào)控，使其孔道疏通，比表面積大幅度提高，將煤氣化細(xì)渣從廢棄物轉(zhuǎn)變成為吸附材料用于處理污水或廢氣，實(shí)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣的商品化開發(fā)。

(3)煤氣化細(xì)渣產(chǎn)生的根本原因是煤炭中的碳未被充分利用，開發(fā)煤氣化新技術(shù)或改進(jìn)煤氣化工藝，通過改變工藝原理或流程，使得煤氣化過程中不產(chǎn)生煤氣化細(xì)渣，實(shí)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣減量化。