煤气化废渣高值化利用途径

王 飞，任梦翔

（陕西榆能化学材料有限公司，陕西榆林 719100）

我国煤气化废渣年产超 3 000万t（湿渣），排放量巨大的同时，简单的填埋和堆存处理对土壤、水体和大气造成了严重的污染和破坏[1]。为解决气化废渣的经济、环保、高效处理这个煤气化企业面临的重大难题，本文从煤气化废渣的形成、组成成分和理化特性出发，深入论述煤气化废渣资源化利用可行性技术，以期对我国煤化工行业合理处置煤气化废渣提供参考。

1 煤气化废渣简介

1.1 煤气化废渣的形成及危害

在煤的热解、气化和燃烧反应过程中会形成大量的煤气化废渣。煤中的大部分炭与气化剂（氧气、水蒸气）在气化炉内反应生成粗合成气，而煤中所含的其他无机矿物质则在气化反应过程中形成了熔渣[2]。如图1所示，煤气化粗渣是由在气化炉燃烧室内产生的熔渣流入气化炉激冷室冷却后产生的，粗渣粒径为4~9 mm，约占排渣总量的80%；细渣则是由合成气带出的部分熔渣在气体净化过程中分离出来而形成的。细渣以粉末状存在，粒径多在0.5 mm 以下，且碳含量普遍大于30%，含水率为50%~60%[3]。

图1 气化废渣形成过程[3]

目前，我国对于煤气化废渣的有效利用率和无害化处理程度不高，堆存和填埋作为主要处置方式对环境危害较大，不仅造成灰尘飞扬，还会释放出大量刺鼻的气体造成大气污染和影响人体健康。此外，露天堆放的煤气化废渣随着雨水流入地表水系统，造成水土污染，使大量土地无法复耕。而渗入地表水的有害物质和重金属元素则会随着水循环渗透到地下水，污染饮用水。通过对气化废渣中包含的重金属化学形态分析结果表明，Cd 和Cr 对周围生态环境的潜在危害性最高，Cu 次之。

1.2 煤气化废渣的特性

煤气化废渣中的主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，占比达到60%以上[4]。此外，还存在CaO、MgO 和TiO 等无机物。这是煤气化废渣可以进行高值化开发利用的重要物质基础。鉴于煤气化废渣的大量排放，目前已有诸多的学者对煤气化废渣的结构特征与理化性质进行了大量的研究。Huang 等[5]研究发现气化废渣中的残余碳含量较高，晶体结构组织较差，总体活性位点相对较少。Wu 等[6]通过对气化废渣中无机组分的形态、矿物相组成和元素分布进行研究发现，气化废渣中含有 Si、Ca、Fe 等元素，渣样中无机成分主要有硅酸盐，硅酸铝盐等含结晶组分及玻璃组分。

2 煤气化废渣的高值化利用

结合上述气化废渣的固有属性，国内外对于气化废渣资源化利用的相关研究主要集中于以下4个方面。①建工建材制备：骨料、墙体材料、免烧砖等；②脱碳利用：炭灰分离；③土壤、水体恢复添加物；④功能材料制备：改性复合材料、水处理吸附材料、复合陶瓷材料等。

2.1 用作建工建材制备材料

鉴于煤气化废渣中有大量的活性二氧化硅和三氧化二铝存在，可作为水泥和混凝土的骨料和掺合料。Li 等[7]研究了煤气化细渣与水泥反应的机理，研究结果表明细渣可以与水泥进行反应，但细渣中较高的残碳会形成一层憎水膜阻碍细渣与水泥的凝结；Luo等[8]研究了脱碳煤气化细渣作为水泥材料外加剂的可行性，发现脱碳后的煤气化细渣满足工业标准，煤气化细渣的加入会降低氢氧化钙含量，提高水泥强度。Li 等[9]对循环流化床燃烧后的灰渣进行研磨和活化后作为水泥的添加剂，添加了灰渣的水泥需水量明显降低，水泥强度随着研磨时间增加而显著增加，当含量超过10%，强度增加较为明显。Chen 等[10]将集成气化联合循环（IGCC）系统的煤气化细渣与黏土按质量比为 1 ∶4 制成了满足使用要求的标准砖块，砖块的颜色和质地与常规烧制砖块相似，并且其吸水性能符合美国材料实验协会（ASTM）等级规范。

2.2 用作土壤、水体恢复材料

煤气化细渣中含有与作物生长有关的成分主要是二氧化硅和氧化钙，能够调节土壤酸碱度，促进植物生长，但煤气化细渣中含有较多重金属元素，在土壤改良中的大规模应用受到限制。相微微等[11]系统评价了榆林煤气化细渣作为土壤改良剂的重金属生物有效性，发现煤气化细渣中可释放到水体中的重金属含量均在90%以上，在土壤中添加煤气化细渣培养大豆苗叶，发现大豆苗叶中铅、汞、镍和铬含量超过国家标准限值要求。

2.3 脱碳利用

采用浮选法、重选法、燃烧法、电选法 4 种脱碳技术可以实现对气化废渣碳组分进行有效分离，使其可以实现高值化、减量化、无害化利用。

浮选法主要用于对煤气化细渣进行脱碳利用。Fan 等[12]利用废机油作为浮选剂，通过气浮将煤气化细渣分选为精矿和尾矿两种清洁产品，浮选的精矿烧失量达到 88.86%（质量分数），而尾矿的烧失量低于10%（质量分数）可直接用于建筑材料中。此外，Charah 等[13]开发了一套筛分-重选分选流程将气化废渣筛分为上部低碳渣，其烧失量＜5%和下部经水力旋流器分选出的富碳燃料产品（烧失量30%左右），以及高碳细粒级产品（烧失量＞60%）。

2.4 高附加值材料制备

研究发现煤气化细渣和活性炭的性质类似，可用于制备吸附材料。鲍超等[14]对煤气化灰渣进行HF 改性，并对改性煤气化灰渣与原煤气化灰渣分别用于吸附含 Pb2+、Cu2+和 Cd2+废水。结果表明，HF 改性煤气化灰渣对 Pb2+、Cu2+和 Cd2+废水的吸附可在50 min 内达到平衡，静态饱和吸附量分别为112.07 mg/g、40.18 mg/g 和 32.21 mg/g。

气化废渣还可作为制备高性能多孔陶瓷材料的主要原材料，赵永彬等[15]在较低温度下利用模压成型工艺，成功制备出一种主要成分为莫来石相和石英相的煤气化残渣多孔陶瓷。并对不同烧结温度得到的多孔陶瓷进行了深入的研究，结果表明在1 100℃时具有高强度（8.96 MPa）、高通量［2 452.6 m3/（m2·h）］以及高孔隙率（49.2%）的优点。

3 结论

目前我国煤化工行业每年排出的大量气化废渣在绿色、清洁、高值化资源利用方面仍处于起步阶段。除简单的堆埋处理外，剩余70%的煤气化废渣都集中于水泥和混凝土领域。未来应着重开发煤气化废渣利用的新途径，充分利用煤气化废渣的理化特性，在改善土壤、水体修复、吸附材料、陶瓷材料及残碳利用等方面进行深入研究。