煤气化渣资源化技术开发与研究利用进展_李红亚.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：国家级自然科学基金项目,多重响应离子液体凝胶吸附储热热力学机制（项目编号：22163012）;陕西省教育厅重点实验室项目,煤渣改性及在废水处理中的应用（项目编号：20JS158）。收稿日期收稿日期：2021-12-16 作者简介作者简介：李红亚（1981-），女，陕西省丹凤县人，教授，博士，2013 年毕业于西北大学化学工程专业，研究方向：绿色催化化工过程及磷脂产品加工。E-mail：。煤气化渣资源化技术开发与研究利用进展 李红亚a,b，严彪a,b，马向荣a,b，白妮a,b，王华a,b，马亚军a,b（榆林学院 a.化学与化工学院；b.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000）摘 要：随着煤气化技术的蓬勃发展，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。基于上述分析提出针对不同特点的煤气化渣应制定特定的利用方式，以最大限度发挥其潜能；促进煤气化渣综合利用的关键技术是残碳分离和富集；规模化处理和与精细化的合理结合将是煤气化渣利用的发展趋势。关 键 词：煤气化渣；回收利用；资源化技术 中图分类号：TQ536.4 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0403-04 Research Progress in Development and Utilization Technology of Coal Gasification Slag LI Hong-ya a,b,YAN Biao a,b,MA Xiang-rong a,b,BAI Ni a,b,WANG Hua a,b,MA Ya-jun a,b(a.School of Chemistry and Chemical Engineering;b.Shaanxi Key Laboratory of Low Metamorphic Coal Clean Utilization,Yulin University,Yulin Shaanxi 719000,China)Abstract:With the vigorous development of coal gasification technology,more and more coal gasification slag is produced and stockpiled.At present,the treatment of coal gasification slag has attracted the attention of many scholars.The comprehensive utilization rate of coal gasification slag is low,and it has seriously polluted the land,water source and atmosphere.In this article,the source and basic characteristics of coal gasification slag were systematically introduced,and the research and application status of coal gasification slag in the fields of building materials,soil improvement,water restoration and carbon residue utilization were summarized.Based on the above analysis,it was proposed that specific utilization methods for coal gasification slag with different characteristics should be formulated to maximize its potential.Residual carbon separation and enrichment are the key technology to promote the comprehensive utilization of coal gasification slag;large-scale treatment and reasonable combination with refinement will be the development trend of coal gasification slag utilization.Key words:Slag from coal gasification;Recycling and utilization;Resource technology 我国的能源特点是富煤、贫油、少气，能源结构以煤炭为主，2020 年我国煤炭产量 39 亿 t。在国内能源结构与实际需求的作用下，煤气化技术在煤化工领域中得到快速发展1。煤气化是指原煤在气化炉中的高温高压条件下，与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生反应，生成一氧化碳和氢气，同时产生焦油和灰渣等副产品的过程。气化渣是煤气化时原煤中的无机物经过反应和残留碳粒形成的固态废弃物，根据颗粒大小分为粗渣和细渣2-3。粗渣粒径集中在 164 目（1.004.75 mm），主要出现在气化炉的排渣口，占 60%80%；细渣粒径200 目（0.425 mm），主要出现在合成气的除尘装置，占20%40%2-3。据统计，百万吨级的煤间接制油装置每年大约产生煤气化渣 86 万 t、锅炉灰渣 4 万 t2-4。我国每年约产生气化渣2 700万t，但综合利用率仅有20%。随着煤气化规模的不断扩大，煤气化渣的产量也越来越大，堆存和填埋是目前气化渣的主要处理方式，不仅造成环境污染，同时引起了土地资源的浪费。此外，气化炉渣中还含有硅、钙、铝等元素，具有较高的利用空间2-3。因此煤气化渣的不合理利用不仅会造成资源浪费，而且不利于煤化工企业的可持续发展2,5。本文基于煤气化渣的产生及特点，对国内外煤气化渣的综合利用研究进行了综述，并指出煤气化渣综合利用新思路，以期为相关领域科研工作者提供参考。DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.026 404 当 代 化 工 2023年2月 1 煤气化渣的特点 煤在气化过程中，煤颗粒在气化炉内快速分解并于氧气和水蒸气等气化剂发生气化反应得到合成煤气。煤中的矿物质等成分开始转变为熔渣，一部分以熔融态沿炉壁进入炉底，冷凝后形成粗渣；另一部分被合成气带出并进入后续净化工序，形成细渣6。气化渣的成分和性质主要由原煤性质、进料方式以及气化炉类型等决定2-3，表 1 为不同气流床气化炉所产煤气化渣的化学成分分析，其中 1 号样和2 号样分别为取自陕北煤化工基地气流床的气化粗渣和细渣，3 号样和 4 号样分别为取自宁东能源化工基地气流床的气化粗渣和细渣，5 号取自陕西渭河化工集团有限公司的德士古气化炉，6 号取自咸阳化学工业有限公司的德士古气化炉，7 号取自神木化工的德士古气化炉，8 号取自鲁西化工集团股份有限公司的航天炉。由表 1 可见，煤气化渣主要由 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3组成，这 4 种化学物质平均占煤气化渣总质量的 70%左右，此外还含有少量的 Na2O、MgO 等。结果表明，气化渣主要含有大量的非晶态物质以及少量的结晶矿物质，其中细渣的可燃物含量较高3。煤气化渣中夹杂着石英、方解石等晶相，同时富含硅、铝、碳等可利用资源，这些都是煤气化渣回收利用的基础2-3。表 1 气化渣的组成 Table 1 The composition of gasification slag 样品 编号 质量分数/%烧失 量/%SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO Na2O 13 35.8 8.7 15.9 14.2 1.8 2.9 16.1 23 14.9 7.7 8.2 8.7 1.6 1.6 52.9 33 53.4 16.8 8.1 10.0 2.2 2.1 1.2 43 40.8 12.7 6.8 7.3 2.4 1.9 22.8 57 32.8 12.3 15.0 5.4 0.9 0.7 30.7 67 41.8 13.9 10.8 4.8 1.2 1.0 23.1 77 38.8 15.9 16.9 4.9 1.3 1.5 17.4 87 36.0 12.6 19.5 6.9 1.1 1.3 20.3 2 煤气化渣的综合利用 由于煤气化工艺复杂，加之气化炉类型多、煤种及产地不同，使得气化渣的物理化学性质复杂多样，无法找到一种普遍适用的利用途径。目前，国内外对气化渣综合利用主要集中在建筑材料制备、土壤改良、废水处理和残炭利用等，常见利用方式如图 1 所示。图 1 气化渣的特点及用途 Fig.1 Characteristics and uses of gasification slag 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8-9。党理文10等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 10 kgt-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。LI11等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。冯银平12等以气化炉渣为原料，通过添加黏土，采用挤出成型法制备出了满足要求的轻质隔热墙体材料。高鹏13等利用煤气化炉渣压碎值高和吸水率大等特点，将其用于路面基层材料，通过改变水泥剂量和粉煤灰掺量等，论证了煤气化炉渣路面基层材料在公路工程中应用的技术可行性，粉煤灰的加入可有效防止集料受压破碎，不仅强度满足要求，还可提高其抗冻性。2.2 用于土壤改良 赵炜14将废弃的水煤浆气化渣和风沙土进行混合，试验发现水煤浆气化渣对风沙土理化性质具有显著改善作用。水煤浆气化渣中细小的颗粒可以有效减少风沙土大孔隙的比例，提高土壤毛细管作用，达到改善土壤结构的作用。水煤浆气化渣能够有效 第 52 卷第 2 期 李红亚，等：煤气化渣资源化技术开发与研究利用进展 405 地改善风沙土的理化性质，降低风沙土的土壤入渗能力，从而提高风沙土的保水性能。此外，水煤浆气化渣对供试的糜子、菊芋、玉米伊单和玉米赤单 4种常种作物的生长和产量都有显著的积极作用。路春亚15将不同比例的煤气化渣作为添加剂，研究了其对猪粪好氧堆肥过程中堆料的化学性质、抗生素抗性基因和移动基因元件及微生物群落的影响，结果表明煤气化渣可以加快堆肥进程，促进堆肥腐熟，降低堆肥产物中生物有效态 Cu 和 Zn 的含量。刘娜16等通过改变气化渣复配土的养分，观测苜蓿在其中的生长过程。结果表明，苜蓿在气化渣复配土中长势良好。ZHU17等利用煤气化细渣比表面积大和含碳量高等特点18，将其用于改良碱性沙地土壤，温室中的盆栽植物实验表明，煤气化细渣的掺入使玉米和小麦的发芽率提高到1