煤气化渣特性分析及综合利用研究进展

刘艳丽,李 强,陈占飞,赵 江,赵 俞,孙利鹏

（1.榆林学院 陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000；2.榆林学院 榆林市固废资源化利用工程技术研究中心，陕西 榆林 719000；3.榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000）

0 引 言

“十三五”期间，我国煤炭产量184.3亿t，决定了未来一定时期我国能源结构仍以煤炭为主。为了高值化利用煤炭资源煤转电、近年来的煤转气、煤转油等多元化开发利用技术大幅提升，与之同时煤基固废排放量大幅增加。据统计，2019年我国工业固废排放量为36.98亿t，其中煤气化渣的排放量达到3 300万t[1-2]。由于目前煤气化渣研究路径存在利用率低、成本高、规模化效应差的不足，堆存和填埋仍然是气化渣的主要处置方式[3]。因此，煤气化渣的综合利用一直是社会各界高度关注的课题。

煤气化渣中含有未完全燃烧的残炭、高温激冷工艺形成丰富的比表面积和金属氧化矿物质，为气化渣的资源化利用提供了必要条件，同时也得到了相关专家和管理者对其资源化利用的高度关注[4]。目前气化渣主要应用于制作营养基质、建筑材料、回收金属元素和脱水脱碳资源化等4个方面[5-8]。然而，与煤矸石和粉煤灰相比，气化渣目前尚未形成可规模化消纳的成熟技术[9]。据笔者调研，目前气化渣仍以填埋为主，占用了大量珍贵的土地资源。近年来，随着国家对企业执行固废“以量定产”政策的推进，对地方政府和企业如何快速推进气化渣的综合利用提出了更高的要求[10]。

鉴于此，笔者采用资料查阅、调研实践、与室内分析统计相结合的研究方法，在了解气化渣的来源、危害及其理化性质的基础上，进一步剖析了气化渣的基础研究与应用现状，期望为气化渣综合利用及煤化工清洁生产和循环发展提供参考。

1 气化渣的来源及危害

煤气化过程是原煤在气化炉中经过高温高压条件与气化剂进行气化反应将原煤中的大量有机物大部分转化成气体燃料的过程。气化渣是煤气化反应过程中无机矿物质和残留的碳质颗粒形成的固态残渣，包括粗渣和细渣。粗渣和细渣的粒径分别集中在16～4 目（1.19～4.75 mm）和<200 目（0.075 mm），粗渣残炭量在5%～30%，细渣残炭量在30%～50%，产生量约占比20%[11]。

不同煤气化工艺产生气化渣的来源和状态存在差异。例如，固定床气化炉一般用块煤或煤焦为原料，与气化剂在炉内进行逆向流动，煤或煤焦由炉上部加入，气化剂自气化炉底部送入，含有残炭的渣由炉底排出，气化过程较完全，热效率和气化效率加高；循环流化床气化炉加入的煤粒径介于3～5 mm，这些煤颗粒在气化剂的作用下处于持续悬浮和沸腾运动状态，产生的合成气和渣皆在接近炉温排出[12]；气流床气化炉是将粉煤（70%以上通过200 目）用气化剂输送到炉内中，以并流方式在高温环境下反应，其中部分渣以熔融态状态排出，经淬冷后成为固态渣，绝大部分的碳元素都被转化为有用的合成气，在煤化工领域使用较多[13-14]。

据统计，2019年，我国煤气化渣综合利用率为8.12%[15]。目前，在煤化工“三废”管理中，气化渣较废水、废气的处置滞后，尤其是有效利用率和处理程度低，以堆放填埋为主。有研究报道，气化渣处理不仅会增加运输成本，更严重的是还会造成侵占土地、污染土壤、水体以及产生扬尘污染等环境问题与安全隐患，环保压力较大[16]。

2 气化渣的基本性质

2.1 气化渣的物理特性

气化渣表观致密有光泽，整体呈灰黑色。其中，粗渣产生于气化炉的底部排渣口，介于3.75～9.00 mm，占总排渣量的60%～80%。细渣产生于合成的除尘装置处理，粒径在50 μm以下且以粉末状的形式存在，含水率较高，占总排渣量的20%～40%。方梦祥等[17]通过SEM和XRF对粗渣和细渣中可燃物分布进行分析，发现气化渣中可燃物分布不均匀，粗渣的可燃物含量随粒径的增大而减小，而细渣的可燃物含量随粒径的增大而增大。粗渣中可燃物与CO2的反应细渣的残碳含量明显大于粗渣，且渣样碳粒表面均具有发达的孔隙结构。渣中的大部分矿物质主要以无规则晶型惰性物质存在，粗渣碳粒比表面积大于细渣[18]。笔者参照《土壤农业化学分析方法》对陕西榆林某化工厂气化渣的物理性质进行了测试[19]。结果表明，气化渣颜色为灰黑色的，有致密光泽度，pH为8.86，密度为0.82 g/cm3，比表面积为235.08 cm2/g，田间持水量为57.20%气化渣的基本物理性质具体如下：

颜色

灰黑色（观察法）

光泽度

致密有光泽（观察法）

比表面积/（cm2·g-1）

235.08（激光粒度仪法）

pH

8.86（pH值计法）

密度/（g·cm-3）

0.82（环刀-烘干法）

田间持水量/%

57.20（环刀法）

2.2 气化渣的化学性质

气化渣成分以SiO2为主，同时包括氧化钙、氧化镁、氧化铁等[20]。笔者参照《土壤农业化学分析方法》，采用重铬酸钾容量法、比色法和火焰光度计法分别测试了煤气化渣的有机质含量为33.47 g/kg，速效磷含量为0.16 mg/kg，速效钾含量为365.74 mg/kg[21]。同时，笔者对比分析了陕西、内蒙古和宁夏气化渣性质，发现尽管地域不同，原煤的产地不同，化工企业的工艺流程不同，其气化渣的主要成分相近（表2）。

表2 气化渣的基本化学组成[24]

细渣的含碳量均比粗渣高，气化渣还含有氧化钙、氧化镁、二氧化钛等无机物，主要矿相为非晶态铝硅酸盐，夹杂着石英、方解石等晶相。例如，杨帅等[22]、赵永彬等[23]分析了德士古水煤浆、四喷嘴对置式、GSP三种气化炉细渣的化学成分，发现气化渣矿相由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等组成。以上特点是气化渣资源化利用技术的物质基础。

2.3 气化渣的环境风险评价

气化渣的环境风险指标选取了放射性元素活度、重金属和有机污染物苯并芘，测试方法分别为伽玛能谱仪法、火焰原子吸收光谱法和液相色谱法。由表3可以看出，与对照黄土相比，气化渣的U-238、Th-232、Ra-226核素的活度在一个数量级。表4显示煤气化渣没有重金属和苯并芘风险。

表3 气化渣放射性元素活度

表4 气化渣重金属和苯并芘含量[25]

3 气化渣资源化利用现状

3.1 气化渣在建材领域的应用

1）气化渣用作建筑回填应用。建筑工程中作为回填使用的散体建筑材料要求颗粒大小混杂，粗粒形成的孔隙被细颗粒充填，易形成紧密结构。气化渣具有非均粒性，孔隙较少，用作回填材料效果较好。例如，刘娟红等[26]针对气化渣应用矿山充填中强度低的问题，研究激发剂对气化渣活性的影响，并将其部分替代粉煤灰用于矿山充填。王军龙等[27]在生料配料中掺加煤矸石和气化渣均能起到降低熟料热耗、提高余热发电量、改善熟料质量的效果。傅博等[28]针对气化渣对硅酸盐水泥强度和微观结构的影响进行了系统的研究，发现10%气化渣掺量在水泥浆体中能起到成核作用有利于水泥发生水化反应，提高水泥浆体中水化产物数量，缩短凝结时间，提高水泥浆体抗压强度。刘开平等[29]比较了掺气化粗渣混凝土与普通混凝土的性能，发现掺有气化粗渣的混凝土干缩率下降，抗压强度明显增强，且其强度随时间增长持续上升，并推荐在混凝土中掺杂研磨后的粗渣来替代天然砂作为混凝土的原料。此外，景国等[30]、闫秀清[31]采用气化渣替代大部分黏土配料生产硅酸盐水泥，抗压强度可达38.6 MPa。鲁永明等[32]采用气化细渣制备出的泡沫混凝土抗压强度可达6 MPa，表观干密度为740 kg/m3。可见，气化渣可以作为生料配料用于建筑回填料、生产水泥，但其最优掺量受气化渣本身性质及目标产品预期性能的影响。

2）气化渣在制砖领域的应用。尹维新等[33]研究利用粉煤灰和气化渣生产墙体砖，结果表明采用常压蒸汽养护工艺，制备出了MU10等级的砖，符合国家相关标准的要求。焦淑侠[34]利用煤渣制备空心砖，研究发现在自然养护条件下，制备出7 d抗压强度为11.08 MPa的空心砖。章丽萍等[35]利用气化渣为原材料，石膏为激发剂，生石灰、水泥

为辅料，在蒸汽养护条件下制备出符合国家标准的免烧砖。尹洪峰等[36]以气化渣、黏土为原料，混合后制备出了MU7.5等级以上建筑用砖，与一般黏土砖相比，具有体积密度低、气孔率高等优点，满足了国家标准强度指标。ACOSTA等[37]利用50%低碳含量（烧失量2.6%）的气化渣与黏土制备出工业级建筑用砖，满足国家的建筑标准。可见，掺和气化渣制备工业用砖是气化渣当前利用的方向之一。

3.2 气化渣在土壤改良中的应用

气化渣的产生经过高温激冷过程，其物理特性表现为多孔均孔，比表面积丰富，加之气化渣富含有机碳及微量元素，这为气化渣在土壤改良提供了可能和潜力。例如，冯君臣等[38]发现气化渣作为堆肥添加剂可以延长高温期，使得堆肥无害化更加彻底，并认为气化渣作为堆肥添加剂的作用可分为4类：①减少CO2的排放量，减缓全球变暖的趋势；②减少氨气的挥发，增加保氨效果；③减少挥发性有机酸的排放，改善堆肥环境；④提高种子发芽率，降低堆肥产品的毒性，增加腐熟度。路春亚[39]研究6了煤气化渣对农业废弃物堆肥过程中抗生素抗性基因的影响，设置了对照组CK（猪粪+秸秆）、煤气化渣占比降低组L（猪粪+秸秆+5% CGS）和煤气化渣占比升高组H（猪粪+秸秆+10% CGS）3个处理，添加气化渣可以加速堆肥体系的启动，延长堆肥的高温期，降低pH，促进有机物的分解，提高堆肥效率，特别是添加10%的气化渣，堆肥结束后，所有处理碳氮元素质量比低于20，GI指数（种子发芽指数）均大于80%，达完全腐熟，气化渣的添加可以加速有毒物质分解，降低堆肥产品的毒性增强其腐熟程度。

目前将气化渣在土壤改良的研究方向主要为制备土壤调节剂、硅肥原料、种植砂等，应用领域为盐碱地改良、沙漠化防治取得较好的研究效果，为气化渣应用于土壤生态修复领域提供了支撑[40]。ZHU等[41]选择盐碱地玉米和小麦为对象，研究发现气化细渣掺量20%时，土壤容重降低、保水性能提高，作物发芽率显著提升。同时发现气化渣是良好的腐植酸储存和释放介质，有望成为一种用于土壤改良的低成本、高效的腐植酸缓释剂[42]。

3.3 气化渣在吸附材料领域的应用

原煤在气化过程中产生的气化渣的表面具有多孔结构，呈现出比表面积大的特点，因此有研究将它作为吸附剂来处理工业废水。例如，普煜等[43]研究气化渣在处理废水过程中发现，气化渣对煤气废水中的COD的去除效率可达41.9%，酚类物质的去除效率可达71.2%。刘转年等[44]通过酸碱浸液方法对气化渣进行改性，发现通过碱性改性后的气化渣大大提高对气化废水中苯酚的吸附量，可达7.236 mg/g。YUE[45]采用酸碱化方法晶化处理气化渣，发现经晶化处理后的气化渣对COD的去除率可达66.7%。朱仁帅等[46]通过气化渣制备活性炭，碘吸附值随活化时间的增加而增加，可达582.19 mg/g，铜离子脱除率可达到40.63%。此外，刘崇国等[47]对气化渣处理废水技术进行了研究，认为采用气化渣工艺处理含氟废水不仅可以有效回收废水中2，6-二氟苯甲酰胺，提高原料利用率，而且工艺能耗低，安全可靠，无化学试剂添加，具有一定的社会与经济效益。

4 展 望

近年来，以煤气化为核心技术的煤制气、煤制油等产业在我国得到了大力发展。气化渣的资源化、高值化利用已经成为新时代煤化工的短板。目前不能满足企业对固废“短平快”的解决思路和需求，致使气化渣无法实现规模化利用。基于气化渣排放量大、铝硅碳资源丰富和比表面积丰富等特性，现有气化渣的综合利用技术分析前景如下：

1）气化渣的特性受到多种因素的影响，导致很难找到一种“普适性”的处理方法。因此，气化渣综合利用适宜走一条处置无害化+消纳本地化相结合，低值规模化+高值精细化相结合，环境效应跟踪监测+综合利用装备系统研发相结合的发展路径。

2）根据目前国内外气化渣利用技术的基础研究现状，技术设备开发现状以及成本核算，市场容量等因素，气化渣作为建筑材料、生态改良材料仍然是当前资源化利用的主流趋势。同时，在现有研究基础上，应进一步系统研究与试验示范气化渣制备采空区充填材料、保温岩棉、活性焦等新型领域，探索兼顾气化渣的规模化与高值化利用路径，为气化渣综合利用及煤化工清洁生产和高质量发展提供参考。

3）由于煤气化过程的高温（800～1 300 ℃）和激冷作用，气化渣呈现出比表面积丰富、多孔均孔特性，为气化渣在土壤生态修复领域中的应用提供了可能和潜力。因此，研发气化渣应用于土壤改良基质，用于荒漠化防治、盐碱地改良、采煤沉陷区生态治理等领域不仅可以规模化消纳气化渣，而且能够取得较好的生态修复效果。

4）基于分质分级利用理念，将气化细渣活化、进一步提取碳、铁、铝、硅及稀有元素等，在此基础上制备复合材料用作水处理吸附剂、催化剂、橡塑填料等，实现煤气化渣高附加值资源化利用。