煤化工气化炉渣综合利用的现状与发展趋势

徐会超 袁本旺 冯俊红（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州 730010）

煤化工气化炉渣综合利用的现状与发展趋势

徐会超 袁本旺 冯俊红（航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司，甘肃 兰州 730010）

煤气化产生的气化炉渣固体废弃物的处理利用是目前企业面临的重要难题。本文介绍了煤化工气化炉渣的基本性能，论述了炉渣综合利用的研究现状和发展趋势，探讨了炉渣综合利用的可行方案。

气化炉渣；固体废弃物；综合利用

煤化工产业在我国的化学工业中具有重要的地位。通过“十一五”和“十二五”期间的快速发展，我国煤化工的技术装备创新、产业规模等方面都取得了瞩目的成绩，技术水平总体上处于国际领先地位。与此同时，由于煤化工项目主要布局在生态较为脆弱的中西部地区，与环境保护的矛盾较为突出。

近年来，国家对煤化工产业的节能环保日益重视，密集出台了《关于加快推进生态文明建设的意见》、《现代煤化工建设项目环境准入条件（试行）》（环办[2015]111号）等政策，指导和规范煤化工建设项目的环境保护工作，对煤化工产业的发展提出了新的要求。随之，煤化工企业所面临的环保压力也越来越大，资源综合利用、“三废”治理问题日益突出。因此，目前对煤化工污染物、废弃物的处理措施、途径与技术的需求非常迫切。

1 气化炉渣排放分析

煤气化技术是煤在高温下气化制得合成气的过程，是煤化工的基础。煤化工项目中，废渣主要由气化灰渣、污水厂三泥、废催化剂、杂盐等组成，气化灰渣占废渣总量的比例超过90%以上[1]。气化炉渣是煤在气化炉中燃烧气化后的固体残留物，是煤中矿物质在煤气化过程中经过一系列分解、化合反应生成的产物。气化炉渣的成分受原料煤的组成、灰分含量及气化工艺等因素的影响，主要由SiO2、Al2O3、CaO和残炭等组成，属于一般固体废弃物[2]。

大型煤气化装置产生的炉渣总量十分庞大，而目前相对于废水、废气，煤化工固体废物的管理相对滞后[3]。气化炉渣目前应用比较单一，有效处理程度不高，其处理不但增加运输成本，而且会造成侵占土地、扬尘污染等环境问题。由于炉渣综合利用的途径有限，目前在新疆等地区，一般对其进行填埋处理，若选址不合理或防渗措施不到位，炉渣中的重金属元素可能对水体和土壤造成污染。

2 气化炉渣的基本性能

尹洪峰等[4]与李国友[5]分别对Texaco炉炉渣和Lurgi炉炉渣的岩相成分进行了研究。X-射线衍射分析表明，Texaco炉和Lurgi炉炉渣的岩相主要以玻璃相和不定型物质为主。气化炉炉渣中主要化学成分均为硅、铝、钙的氧化物，残余碳量较高。显微镜观察显示气化炉渣为多孔结构，残余炭多为海绵状多孔结构。

3 气化炉渣的综合利用

3.1 吸附材料

煤气化过程中，燃烧生成的大量气体从煤中逸出，因此在炉渣内部形成了气体甬道，使气化炉渣具有疏松多孔的结构，比表面积大，残炭的存在使其具有和活性炭近似的性能，因此可对污染物质进行物理吸附、化学吸附和交换吸附。普煜等[6]对鲁奇炉炉渣处理气化废水的性能进行了研究。结果表明，炉渣对煤气废水中的CODCr、酚有明显的去除效果，CODCr的去除率可达41.9%，酚类物质的去除率达71.2%。

对气化炉渣进行酸性或碱性改性可进一步增强炉渣的吸附作用。一方面，改性使炉渣比表面积增大，另一方面，改性后的炉渣有利于水中胶体或絮凝物的形成。刘转年等[7]采用酸碱浸渍方法对炉渣残渣进行改性，研究表明，碱性改性的炉渣对溶液中苯酚的吸附性能较好，苯酚吸附量为7.236mg/g。Yue Xiu等[8]采用酸化以及碱化等方法晶化处理炉渣，研究发现，处理后的炉渣对磷酸盐和CODCr的去除效率分别可达99.9%和66.7%。

目前，气化炉渣在废水、废气处理领域内应用研究较少。在工业应用中，需要注意若对吸附饱和的炉渣处置不当，将可能造成二次污染。

3.2 水泥基混凝土与泡沫混凝土材料

3.2.1 水泥基混凝土建筑材料

水泥基混凝土的制备中，因为炉渣的粒径具有一定级配，且粉煤灰的成分相近，可作为混凝土生产过程中的骨料和掺和料。但是，由于气化炉渣含碳量高、吸水性强，不宜作为较高强度混凝土的原材料。作为集料或掺合料制备混凝土制品时，可引起浆体稠度增大、流动性差、凝结时间延长、强度降低，并可能影响混凝土制品的耐久性能。

3.2.2 泡沫混凝土保温材料

为减少采暖或制冷所需的能耗，常采用在建筑物上增加保温层的方式。保温层将使墙体免受冷热桥的影响，减少主体结构所受的温度应力。泡沫混凝土是一种新型建筑节能材料，具有防火性能优良、轻质、隔热效果较好、施工方便等特点。

气化炉渣中含有大量的含硅玻璃体(Al2O3·2SiO2)和活性SiO2、活性Al2O3，具有潜在的火山灰活性，可作为混凝土生产过程中的骨料和掺和料。邹定华等[8]以炉渣和陶粒组成细/粗集料体系制备蒸压自密实泡沫混凝土。结果表明，新拌混凝土可达到自密实土的要求，以炉渣和陶粒作为集料的自密实泡沫混凝土蒸压后抗压强度可达7MPa以上，表观干密度900kg/m3左右。鲁永明等[9]采用炉渣磨细灰渣，制备出抗压强度约6MPa的泡沫混凝土，表观干密度740kg/m3左右。

工业生产中，泡沫混凝土性能要求符合建筑行业标准JG/ T266-2011，泡沫混凝土砌块技术指标要求符合JC/T1062-2007的规定。从长期发展来看，泡沫混凝土建筑保温领域具有广阔的市场。

3.3 砌体材料

随着新型住宅楼群等建设项目的不断增加和资源综合利用要求的不断严格，近年来，基于固体废弃物的节能建材得到了长足发展。气化炉渣具有和粉煤灰相近的性质，应用于制备新型砌体材料是常见且切实可行的应用途径，具备节能、利废、环保的特性。

尹维新等[10]利用低质粉煤灰和炉渣制备墙体砖，研究表明，采用常压蒸养工艺，可制得MU10等级的砖。焦淑侠等[11]利用石膏和炉渣在自然养护条件下，制备了7d抗压强度为11.08MPa空心砖。章丽萍等[12]利用气化炉渣、除尘灰为原材料，生石灰、水泥为辅料，石膏为激发剂，蒸养条件下制备出符合国家标准的免烧砖。

工业生产中，砌体材料的生产应符合JC/T422-2007和GB11945-1999的要求。同时，必须达到《砖瓦工业大气污染物排放标准》规定的排放要求。

3.4 硅酸盐水泥

气化炉渣与硅酸盐水泥具有相近的化学成分。因此，可利用气化炉渣取代部分水泥制备硅酸盐水泥。此外，由于炉渣中残炭的含量较高，水泥生料中炉渣的掺入可提高物料的预烧性，进而使熟料的产量和质量提高。

景国等[12]采用工业炉渣、粉煤灰等固体废渣生产矿渣硅酸盐水泥，抗压强度可达38.5MPa。闫秀清[13]采用气化炉渣代替部分黏土配料生产硅酸盐水泥，水泥的抗折强度、抗压强度分别达到了6.8、38.6MPa。李志博[14]等利用气化炉渣与石灰石，生产出28d抗压强度达60MPa的复合水泥。

在工业生产中，水泥性能需要满足GB175-2007的技术要求。

3.5 铝再生

我国铝土矿资源不足，氧化铝进口依存度高，根据中国产业信息网数据，国内2016年铝土矿进口量约为5000万吨，对外依存度约43%。因此，应用高铝粉煤灰再生生产氧化铝，在减少炉渣对土地占用与水体污染的同时，有利于铝工业的可持续发展。一般情况下，铝含量高于30%的炉渣可应用于铝再生，内蒙古中西部、陕北及山西煤质一般可满足要求，开发价值较高。

近年来，应用高铝粉煤灰进行铝再生工艺有了较大突破，蒙西石灰石烧结法工艺及大唐预脱硅-碱石工艺均已商业化[15]。至2014年，国内拟建、在建高铝粉煤灰铝再生装置约12套，主要分布于内蒙古与山西省[16]。

在目前的研究中，较为成熟的生产工艺有烧结法和酸溶法。烧结法又分为石灰石烧结法和碱石灰烧结法，主要由烧结、浸出、脱硅、碳化等步骤组成。烧结法适合大规模生产，介质利用率高。但能耗高，成本高，排渣量大。酸法主要采用硫酸或盐酸溶解高铝粉煤灰，生产相应的铝盐，再将铝盐净化后使之分解制得氧化铝。流程简单，能耗较低，但产品质量较低，酸耗量较大。

气化炉渣在铝再生处理领域应用存在废渣量大、成本高、规模小的问题。

4 结语

炉渣是煤气化装置的主要三废排放物，实现炉渣的有效利用，对我国煤化工产业绿色低碳、循环发展具有重要的意义。由于炉渣应用范围广泛，其综合利用有望促进产业协同的机会。炉渣综合开发利用，从防治固废、资源集成的角度，迫在眉睫。

针对目前报道中炉渣的利用多处于商业化初级阶段，实际利用中存在利用率低、工艺不成熟、产品单一等诸多问题，我国应在税收、技术研发等方面加以扶持，企业应当重视新技术的开发及工艺的结合。

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[3]冉丽君;梁鹏;罗霂;崔积山.我国现代煤化工面临的环保困境及对策建议[J].环境保护,2017,(01):39-41.

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[5]李国友,张涛,霍亮,等.Lurgi气化炉渣基本性能与应用研究[C]//中国硅酸盐学会固废分会成立大会固废处理与生态环境材料学术交流会.2015.

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