煤气化渣的回收再利用研究

煤气化渣的回收再利用研究

段煜

重庆交通大学

摘要：随着煤化工行业的迅速发展，煤气化渣的排放量也随之逐年增长。目前主要用于建材，水体修复材料以及石墨化处理方面。本文主要对现今的煤气化渣的回收再利用研究做分析。

关键词：煤气化渣；固废；回收利用；资源化

引言

煤炭的使用占我国一次性能源使用的75%以上。煤气化技术作为洁净煤核心技术之一，但是在气化过程中会导致大量煤气化渣的产生。由于煤气化工艺较为复杂并且气化炉类型多，原煤和产地不同，导致成分较为复杂，资源化较为困难。煤气化渣分为粗渣和细渣即炉渣和滤饼。截至2018年，煤气化渣的产出已经超过3300万吨，逐年增长。煤气化渣具有比表面积大，含碳量高，多孔结构以及铝硅含量较高等特点，使其具有作为建材原料，土壤改良，水体修复，合成材料等潜在的用途。

煤气化渣的产生以及基本物理化学性能

煤气化工艺简单来说就是以煤作为原料，用水蒸气，氧气，或者空气以及氢气作为气化剂在高温下反应，使煤的可燃部分气化成可燃性气体，剩下的固体废弃物就是煤气化渣。粗渣和细渣的主要成分均为Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3以及残余碳，而不同炉型所产生的煤气化渣主要的差别在于氧化铝以及二氧化硅和碳的含量上。

煤气化渣主要是介于灰白色，棕褐色以及黑色之间，其中主要为黑色，颜色取决于炉渣中未燃烧碳含量。其表观形貌主要以表面平滑块状体以及多孔的球形结构为主，通过SEM表征可以观测到煤气化渣由球体和絮状物构成，粗渣所含的絮状物和球体是连续分布的，而细渣则是分离的。粗渣表面光滑密实，而细渣则呈絮状，表面有蜂窝不同的原煤以及炉型所得到的煤气化渣，其微观形貌也有所不同。其中Texaco气化炉所产生的炉渣有未燃烧碳颗粒以及灰暗的玻璃状颗粒，粗渣中的玻璃状颗粒比细渣中的含量高出很多。新疆准东中低变质程度煤在同样是Texaco气化炉中产生的煤气化渣则为多孔结构，残碳则多为海绵状的多孔结构，并且分布不均匀。宁东煤在气化炉中产生的粗渣大都为不规则的块状物，细渣中有球状颗粒，球状颗粒较大且表面附着许多疏松多孔的絮状物质。宁东煤在Texcao气化工艺中产生的细渣是粘结球形颗粒，在OMB工艺中产生是多孔不规则的颗粒，GSP工艺的细渣是较大的球形颗粒。

煤气化渣在建材方面的应用

煤气化渣目前主要用于建筑材料，煤气化渣的主要成分和硅酸盐水泥相似，且煤气化渣还具有火山灰活性，粗渣粒径在3.75～9mm，可以作为混凝土的部分骨料，但是由于细渣的高含碳量，会阻碍水化反应，因此未脱碳的细渣并不适合作为混凝土的原材料。罗等对脱碳后的细渣和粗渣对水泥砂浆的流动性和强度做对比，不规则的粗渣颗粒有助于流动性的提高，且李彦君等表示由于脱碳气化渣的表面粗糙，可以提供更好的粘结力，比粉煤灰，钢渣粉提供的都大，后期还会形成粒子间的作用力，这就使含脱碳气化渣的胶砂抗弯强度的提高，混凝土的韧性也随之提高，所以脱碳气化渣可以使混凝土的性能有一定提升，但是随着气化渣的含量增加，凝结时间会变长且抗压强度会下降，在水泥中掺量未10%时可以起到缩短凝结时间和提高抗压强度的作用。罗峰等人研究发现经过脱碳后的煤气化渣粗渣对水泥砂浆的流动性有一定帮助，粉煤灰能够提供良好的火山灰活性，二者相互作用可以提高水泥基材料的流动性和强度，且盛燕萍表示在煤气化渣掺量为20%时，可以使水泥砂浆抗压强度和劈裂强度以及收缩特性达到最佳，在路基材料中可以取代水泥中的部分矿物成分。杭美艳等指出通过一系列方法激发煤气化渣微粉胶凝材料的活性，激发后的结晶度以及密实度都较高，可以替代部分水泥提高混凝土水泥浆体的密实度和和抗压强度。

由于煤气化渣产生的温度较高，制作骨料，陶粒时，都有良好的耐火性能以及较高的强度，并且具有很好的抗震性能。以粗渣73%含量，水泥15%，石英砂12%的比例制备非烧结陶粒，可以得到抗压强度在6.76MPa左右，吸水率在20%左右的产品。党理文等煤气化渣加入水泥生料中和未加进行比较发现，加入煤气化渣后更节能，带来的经济效益较为明显。由于煤气化渣的成分和粉煤灰的相似，并且残碳在燃烧后形成了很多微小空隙的结构，从而达到降低密度和导热率的作用。冯银平等人以煤气化渣为原材料，在添加黏土，制备出了轻质且隔热的墙体材料。基于煤气化渣具有高压碎值以及高吸水率的特性，高鹏等人将其用于路基的建设中，在调整水泥以及粉煤灰的比例下，使路基不仅强度满足要求，并且具有更好的抗冻性能。

煤气化渣作为土壤水体修复材料的应用

煤气化渣作为土壤修复材料主要是在农业方面的应用，主要是由于煤气化渣具有较高的有机质含量，可以有效改善由化肥所造成的土壤板结问题和调节土壤的酸碱度，同时具有丰富的N,P,K以及其余微量元素，再由于其疏松多孔的结构，可以提高土壤的透气能力以及保水和保持养分的能力，煤气化渣还具有促进有机物分解的能力。同样煤气化渣中也含有重金属，有一定的环境污染的风险，因此对于煤气化渣用于土壤修复的使用，还是需要针对具体情况作分析。

在内蒙古的碱性沙地土质中，研究表明掺入20%的气化渣可以明显改善土壤的理化性质，容重下降了约30%，PH值降低了0.26，含碳量是未掺入气化渣的10倍，阳离子的交换量也提高了116%，保水量也提高了约50%，同时相关作物的生长情况也得到改善。煤气化渣具有较高的硅含量，因此也常将煤气化细渣利用到水稻方面，但是用量控制在5%左右。

有研究表明美国通用电气和中国GSP气化炉产生的气化渣有对环境产生污染的可能性，随着液固比的增大，一些元素的含量超过了中国地下水质量标准Ⅲ级中的最大污染物浓度阈值。有研究在培养基中掺入50%的粗渣或细渣对大豆的种植影响，做对比实验，结果显示细渣的毒性更大，并且都会对大豆产生负作用，相关元素含量也超过了国家安全标准。

煤气化渣的疏松多孔的物理结构和化学组成使其具备一定的吸附能力，但是据相关的实验研究表明，煤气化渣的吸附能力相较于专业的吸附剂还是有一定的差距。以煤气化渣制备的吸附剂可以吸附重金属离子，亚甲基蓝，苯酚等污染物。

煤气化的其他应用

煤气化渣中的碳含量较高，但是单独燃烧困难，目前的研究方向更多的是同其他可燃物混合燃烧。现在有研究将细渣同烟煤和竹渣进行混合燃烧可以提高其燃烧性能，随着细渣的掺量提高，可燃性降低。发电厂所用的烟煤中掺入少于30%的干燥煤气化渣在不影响机组的正常运行情况下，可以提高一定的经济效益。将煤气化渣进行混合燃烧可以提高其可燃性，从而达到一定的经济效益，但是这一方式被煤气化渣的含水量所限制，目前还未能够达到残碳的高值化利用。

煤气化渣石墨化是由于其具有石墨的碳结构，细渣中的石墨化程度更高，残碳石墨化这一研究方向也有了基础。通过使用氯化铁残碳进行石墨化，在温度的 逐渐升高下，层间距减小，微晶尺寸和堆积高度有所增加，石墨化程度提高，通过增加残碳中的灰分以及将粒径减小到合适的范围内也有利于石墨化的进行，使用硼酸进行催化也可以得到比较好的效果，和氯化铁一样能够有效的降低反应温度，相比而言，硼酸的催化效果更佳。

总结

作为建筑材料而言，一般作为混凝土的部分替代材料，都是进行脱碳使用，而作为土壤水体修复材料使用，多种的重金属对环境问题存在危险，部分利用主要是煤气化渣中较多的铝硅碳三种元素的使用，作为吸附剂的制备原料。

目前煤气化渣在相应领域的研究都有一定的进展，但是大规模的应用仍然存在很大问题。这主要是由于煤气化渣较高的含水量，脱水较困难且会增大碳排放，需要对煤气化的工艺进行提升或者对脱水工艺进行突破，降低其含水量，推进煤气化渣的大规模应用。除了较高的含水量，另外就是较高的碳含量，目前的浮选，重选，电选都存在一定的不足，需要推进脱碳技术的研究或者降低产出时的含碳量。

参考文献

[1]傅文煜,孙文强,王连勇.煤气化渣资源化利用技术研究进展[J/OL].环境工程:1-11[2023-04-22].

[2]徐啟斌,牛香力,陈婷婷,陈雨欣,李杨,张华,倪红卫.煤气化渣合成4A分子筛及其吸附性能研究[J/OL].硅酸盐通报:1-11[2023-04-22].

[3]李俏,董阳,Jow Jinder,梁文斌,季宏伟.煤气化渣的基本性能及其应用途径分析[J].新型建筑材料,2023,50(03):33-36+41.

[4]栾运加.煤气化渣利用技术研究现状及应用趋势分析[J].中国石油和化工标准与质量,2023,43(05):158-160.

[5]谢海巍,潘福元,刘尊青,李祖仲,刘溪溪.煤气化渣与粉煤灰影响其水泥胶凝硬化产物的强度机理[J].长安大学学报(自然科学版),2023,43(02):26-34.

[6]李红亚,严彪,马向荣,白妮,王华,马亚军.煤气化渣资源化技术开发与研究利用进展[J].当代化工,2023,52(02):403-406.

[7]李宇,王建敏,张弦,欧阳顺利.高附加值煤气化渣基材料开发研究进展[J/OL].材料导报,2023(23):1-21[2023-04-22].

[8]张宁宁,赵富强,韩瑞,李振,周安宁,庞甜.煤气化细渣炭灰分离的研究进展[J/OL].洁净煤技术:1-8[2023-04-22].

[9]张丽宏,金要茹,程芳琴.煤气化渣资源化利用[J/OL].化工进展:1-13[2023-04-22].

[10]陈颖. 气化渣复混肥施用对土壤和作物的效应[D].内蒙古农业大学,2022.

[11]许云龙. 煤气化渣混凝土抗冻性研究[D].大连理工大学,2022.D

[12]高雄. 煤气化细渣自烧结制备高性能陶粒研究[D].宁夏大学,2022.

[13]朱菊芬,李健,闫龙,尚军飞,王玉飞,李强,王建友.煤气化渣资源化利用研究进展及应用展望[J].洁净煤技术,2021,27(06):11-21.

[14]刘艳丽,李强,陈占飞,赵江,赵俞,孙利鹏.煤气化渣特性分析及综合利用研究进展[J].煤炭科学技术,2022,50(11):251-257.

[15]武立波,宋牧原,谢鑫,马英杰.中国煤气化渣建筑材料资源化利用现状综述[J].科学技术与工程,2021,21(16):6565-6574.

[16]张跃宏. 煤气化炉渣骨料砂浆性能研究[D].河南理工大学,2021.

[17]李涛,王红星,张西标.煤气化渣怎样变废为宝[J].中国石油和化工产业观察,2021(Z1):72-73.

[18]康健.煤气化渣掺量对其复合胶凝材料的性能影响分析[J].西部交通科技,2020(08):61-64.

[19]盛燕萍,冀欣,徐刚,路再红,胡玲,陈华鑫.煤气化渣水泥稳定碎石基层材料性能研究[J].应用化工,2020,49(06):1407-1412+1417.

[20]曲江山,张建波,孙志刚,杨晨年,史达,李少鹏,李会泉.煤气化渣综合利用研究进展[J].洁净煤技术,2020,26(01):184-193.

重庆交通大学—重庆建工建材物流有限公司材料与化工研究生联合培养基地（JDLHPYJD2019002）