煤气化炉渣的应用现状及其前景展望

杨柳 张海贵 张丽敏 白延秀 吴伟奇 陈华 杨潘 唐洋洋

摘 要：煤气化技术作为煤炭清洁利用的重要手段之一，是煤炭高效利用的核心技术。然而，煤气化该技术所产生的煤气化炉渣体量庞大，如果处理不当会造成严重的环境问题。目前，对气化炉渣应用比较单一，且利用率不高。本文提出可结合煤气化炉渣自身具有的多孔结构，制备出吸附剂用于降解印染废水实验研究，使其作为一种新型环境友好的新型吸附剂，实现气化炉渣髙附加值循环利用的新途径。

关键词：煤气化炉渣;吸附;重金属离子，应用

Abstract： Coal gasification technology， as one of the important means of coal clean utilization， is the core technology of coal efficient utilization. However， Coal gasification coal gasification  slag produced by the technology is huge， if not handled properly can cause serious environmental problems. At present， the application of gasification slag is single， and the utilization rate is not high. In this paper， the adsorbent can be prepared in combination with the porous structure of coal gasification slag， which can be used as a new environment-friendly adsorbent to degrade printing and dyeing wastewater， make it as a new environmental friendly new adsorbent， implement new ways of recycling of gasification slag high added value.

Keywords： Coal gasification slag; Adsorption; Heavy metal ion; Application

煤氣化技术作为煤炭清洁利用的重要手段之一，是煤炭高效利用的核心技术。煤气化技术被列为“十三五规划”国家重点项目，我国煤气化装置已普遍分布于东北、西北等多个省市[1]。可见，煤气化技术的发展得到了极大的重视[2]。

1.煤气化炉渣的产生

目前，国内主流煤气化技术有：Lurgi煤气化技术;Shell煤气化技术、GSP煤气化技术等。煤气化技术是重要的废渣产生源头。由于煤气化炉渣体量庞大，处理不当还会造成侵占土地、扬尘污染等环境问题。目前，对气化炉渣应用比较单一，且利用率不高，一定程度上也制约了煤化工行业的绿色发展[3]。

2.煤气化炉渣的组成与基本性能

气化炉渣是煤在气化炉中燃烧气化后的固体残留物，主要包括粗渣和细渣。粗渣的产生量约占气化渣排量的80%，矿物质的主要成分为钙长石、莫来石和石英;细渣残碳量较高，一般可达30%以上，矿物质的主要成分为莫来石和石英。

图3为原料气化炉渣的XRD图谱。可以看出，气化炉渣中物相有CaCO3和SiO2。无论粗渣还是细渣均含有丰富的二氧化硅、氧化钙[13]，含量之和最高可达70%以上，此外煤气化渣还含有氧化铁、氧化钙、氧化镁、二氧化钛等无机物。

尹洪峰等与李国友已对Texaco炉炉渣和Lurgi炉炉渣的岩相成分进行了研究。显微镜观察显示气化炉渣为多孔结构，残余碳多为海绵状多孔结构[4]。

3.煤气化炉渣综合利用现状

3.1建筑材料

有学者对采用不同工艺技术（炉型、操作条件）得到的气化炉渣的形态进行研究。呈现两类结构：一类表面致密光滑，一类则是疏松多孔[5]。

气化炉渣表面致密化的特征可以提高建材集料的强度。有企业曾尝试向煤粉中加入含钙类矿物以降低煤灰熔点。但过量的钙矿物会增加气化渣中游离氧化钙，导致水泥或混凝土抗折强度下降[6] 。另外，煤气化炉渣中含有的CaO，一定程度上能提高了混凝土的耐久性及耐腐蚀性，降低渗透性。但超过 20% 成分的高钙粉煤灰，则会影响混凝土强度[5]。高鹏、李庆宏等人[6]研究表明：与常规天然碎石相比煤气化炉渣的压碎值偏高、吸水率偏大，若用于路面基层中可能出现强度降低、抗冻性恶化的问题。

3.2回填材料

煤气化炉渣中重金属浸出率较低，属于第I类一般工业固体废物[7]，井下回填技术可实现煤气化炉渣的大规模消置，但煤气化炉渣浆填充的安全性有待商榷，对于人类及环境的影响也需要进一步的考证。

3.3循环流化床锅炉煤种掺烧

利用煤气化炉渣高残碳有一定热值的特点，可选择掺烧循环硫化床锅炉，此技术及市场均较成熟、消耗量大。但是循环流化床锅炉投资高昂，技术难度高，一旦投入运行，需要综合考虑其经济可行性和锅炉燃烧运行的稳定性。[8]

3.4 新型高附加值的应用研究

尹洪峰、刘琪团队[9]对宝鸡和新疆地区煤气化炉渣经研究发现在脱碳过程中发现煤气化炉粗渣可以发泡生产中空陶粒。中空陶粒广泛用于水处理、保温隔热及花卉栽培，为煤气化粗渣利用开辟了新的途径。

4.前景展望

随着中国印染、纺织、服装等行业的发展，在生产过程中产生大量的印染废水，其有害成分对于人体健康及水生生物有着严重危害。目前处理染料废水的主要方法有很多，如电化学降解、光催化降解、膜分离法、吸附法等等。其中吸附法是利用吸附剂的高比表面积、孔容以及某些表面基团，通过静电吸引、离子交换、氢键等方式，使分散在溶液中的分子或者离子吸附在吸附剂表面的方法[10]。而煤气化炉渣疏松多孔的条件恰恰满足了吸附剂的基本条件。

笔者认为可利用煤气化炉渣制备出多级孔气化炉渣基地聚物，并利用化学固化机理实现多级孔气化炉渣基地聚物的固化作用，使其作为一种新型环境友好型吸附剂。随着企业以及科研院所对气化渣的重视，气化渣的应用必然会越来越广。

参考文献

[1] 洪钟楼，程洁.大型煤气化技术的研究与发展[J].化工管理， 2015（9）： 61-61

[2] 胡俊阳. 北方某煤气化炉渣的综合利用研究[D].西南科技大学，2018.

[3] 胡俊阳.北方某气化炉渣的综合利用研究[D].西南科技大学.2015

[4] 商晓甫，马建立，张剑等.煤气化炉渣研究现状及利用技术展望[J]环境工程技术学报.2017（7）6：712-717

[5] 阚愈.煤化工气化炉渣综合利用德现状与发展形势浅析[J]化工管理.2019（11）：110-111

[6] 高鹏，李庆宏，田建平，周明凯，陈潇.煤气化炉渣路面基层材料研究与应用[J]武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020（9）：1-11

[7] 杨力远. 现代水泥生产知识概要[M]郑州： 郑州大学出版社，2009

[8] 商晓甫，马建立，张剑等.煤气化炉渣研究现状及利用技术展望[J]环境工程技术学报.2017（7）6：712-717

[9] 刘琪，尹洪峰，汤云，袁蝴蝶，任小虎，万齐法.利用煤气化炉渣制备中空陶粒及其发泡机理研究[J]煤炭转化.2020（7）：89-95

[10] 刘硕.煤气化细渣制备介孔材料及净水剂研究[D].吉林大学2019

基金项目：西安建筑科技大学华清学院院级大学生创新创业训练项目（Y201913679002）

西安建筑科技大学华清学院省级大学生创新创业训练项目（19JK409）

陕西省教育厅科学研究专项计划项目（S201913679003）