煤气化渣资源化利用

煤气化渣资源化利用

刘士鹏 ,唐硕 ,张宇 ,郭良

阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司  山东淄博255436

摘要：近年来，我国对煤矿资源的需求不断增加，煤气化技术越来越先进，煤气化渣的产量及堆存量越来越多。目前对煤气化渣的处理引起广大学者的关注，煤气化渣综合利用率低，已严重污染土地、水源及大气。鉴于此，系统介绍了煤气化渣的来源及特点，综述了国内外煤气化渣在建材原料、土壤改良、水体修复及残炭利用等领域的研究与应用现状。本文首先分析煤气化渣的来源及危害，其次探讨煤气化渣的综合利用，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。

关键词：煤气化渣；回收利用；资源化技术

引言

煤炭资源在我国一次能源中占有重要地位，煤气化技术是现代煤化工发展的龙头技术，是实现煤炭清洁高效利用的重要途径。煤气化是将煤、焦炭或半焦等固体燃料在高温常压或高温加压条件下与气化剂反应，转化为气体产物的过程，由于气化不完全，此过程会产生灰渣。其中大多数灰渣从气化炉底部排出，称为气化粗渣；而其余的则以飞灰的形式随气流从气化炉顶部排出，称为气化细渣。随着煤气化技术的广泛应用，气化渣的排放量逐年增多，目前我国气化渣年产量已超3300万t。

1煤气化渣的来源及危害

煤化工指以煤炭为基本原料，经过物理和化学的一系列加工，使煤炭转化为气体、液体、固体燃料及化学品和材料的过程。煤气化技术是发展现代煤化工的关键环节和抓手。当前应用比较普遍的煤气化技术有固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术，其中气流床气化技术成为了煤炭高效清洁利用的主流方式。煤气化过程中，原煤在气化炉内经高温快速分解，然后与气化剂进行反应转化为合成气。在这个过程中生成煤气化渣，其中从气化炉底部排出的气化渣通常称为粗渣，占比约60%～80%，顶部随气流携带而出的称为细渣，占比约20%～40%。随着煤气化技术的不断发展，产生的废渣也逐渐增多，大量的煤气化渣堆积不仅会造成灰尘飞扬污染环境还占用了土地资源，造成了环境污染和生态破坏。因此，对其进行减量化、资源化和无害化处置，提高其利用率，缓解或消除环境问题，推动生态文明建设。

2煤气化渣的综合利用

2.1用作建材原料

由于气化粗渣具有与水泥、混凝土等建材原料相似的成分和特性，因此可作为建材原料。将加入气化渣的水泥生料与未加气化渣的进行比较研究发现，从配料成本和节煤两方面比较，使用气化渣后节煤效果明显，在气化渣掺入质量为5%时，单位熟料节约煤耗在10kg·t-1左右，随着原煤价格的持续升高，使用气化渣的经济效益更加明显，同时符合长远的环保政策。为了扩大矿渣在混凝土中的利用，通过对微结构、元素、矿物成分和渣砂浆强度的分析，重点研究了气化渣与水泥或石灰的结合特性。结果发现，粗渣和细渣的结构和性质有明显区别，炉渣中的残留碳阻碍炉渣与水泥或石灰的胶结反应，而来自炉渣的活性矿物相对炉渣与水泥或石灰之间的反应有显著贡献。由于气化炉渣的成分与粉煤灰相近，同时其中的残碳在燃烧后会形成很多微小孔隙，可有效降低材料的密度和导热率。

2.2煤气化渣在农业方面的应用

基于煤气化渣的特点，煤气化渣在改善土壤理化性质及保存土壤中有机质肥料方面发挥很大的作用。煤气化渣的加入可以提高农作物的产量，还可以优化生态环境，使土壤酸碱得到改善、有机质分解加快、丰富土壤中的营养元素。煤气化渣可以加快猪粪好氧堆肥进程，促进有机物的分解，提高堆肥效率，还可以降低堆肥产物中生物有效态Cu和Zn的含量。另外煤气化渣和沙土复配有利于沙地苜蓿生长。煤气化细渣对土壤理化性质、玉米和小麦出苗率及大田玉米产量和质量的影响，煤气化细渣的掺入降低了土壤容重、pH和水分蒸发率，提高了饱和吸水量、碳含量、阳离子交换量；煤气化细渣使盆栽实验中玉米和小麦的出苗率提高至100%；大田实验中，改良组玉米生长情况优良、籽粒品质提高且产量增加了18%。煤气化细渣还可以用作碱性沙地土壤改良剂，研究表明施加20%的煤气化细渣使得土壤容重降低、含碳量显著增加、pH值降低、阳离子交换容量增加、持水能力增加，且用作天然土壤改良剂，不仅可以提高土壤理化性质，而且为煤气化细渣的安全和环境友好利用提供了新途径。

2.3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，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％。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7.236ｍｇ／ｇ。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％。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582.19ｍｇ／ｇ，铜离子脱除率可达到40.63％。此外，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。

3展　　望

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（800～1300 ℃）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。

结语

随着我国煤化工产业的快速发展，气化渣的年排放量随之增加，清洁、高效、合理化处置与利用迫在眉睫。相比于煤气化粗渣，煤气化细渣由于含碳量和硅铝含量较高，Fe、Ca等杂元素含量较低，比表面积较大，更适用于制备高附加值材料。且细渣的粒径较小、孔隙较发达，在吸附、土壤改良方面的应用较多。而粗渣残碳含量比细渣低，结构密实、稳定性高，在建工建材领域的应用广泛。因此应根据煤气化粗渣和细渣的组成、结合和性质特点，开展针对性的研究，提高煤气化渣的综合利用率，加快资源化利用进程。

参考文献

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