徐會超 袁本旺 馮俊紅（航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

煤化工氣化爐渣綜合利用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

徐會超 袁本旺 馮俊紅（航天長征化學(xué)工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730010）

煤氣化產(chǎn)生的氣化爐渣固體廢棄物的處理利用是目前企業(yè)面臨的重要難題。本文介紹了煤化工氣化爐渣的基本性能，論述了爐渣綜合利用的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，探討了爐渣綜合利用的可行方案。

氣化爐渣；固體廢棄物；綜合利用

煤化工產(chǎn)業(yè)在我國的化學(xué)工業(yè)中具有重要的地位。通過“十一五”和“十二五”期間的快速發(fā)展，我國煤化工的技術(shù)裝備創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等方面都取得了矚目的成績，技術(shù)水平總體上處于國際領(lǐng)先地位。與此同時，由于煤化工項目主要布局在生態(tài)較為脆弱的中西部地區(qū)，與環(huán)境保護的矛盾較為突出。

近年來，國家對煤化工產(chǎn)業(yè)的節(jié)能環(huán)保日益重視，密集出臺了《關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》、《現(xiàn)代煤化工建設(shè)項目環(huán)境準入條件（試行）》（環(huán)辦[2015]111號）等政策，指導(dǎo)和規(guī)范煤化工建設(shè)項目的環(huán)境保護工作，對煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了新的要求。隨之，煤化工企業(yè)所面臨的環(huán)保壓力也越來越大，資源綜合利用、“三廢”治理問題日益突出。因此，目前對煤化工污染物、廢棄物的處理措施、途徑與技術(shù)的需求非常迫切。

1 氣化爐渣排放分析

煤氣化技術(shù)是煤在高溫下氣化制得合成氣的過程，是煤化工的基礎(chǔ)。煤化工項目中，廢渣主要由氣化灰渣、污水廠三泥、廢催化劑、雜鹽等組成，氣化灰渣占廢渣總量的比例超過90%以上[1]。氣化爐渣是煤在氣化爐中燃燒氣化后的固體殘留物，是煤中礦物質(zhì)在煤氣化過程中經(jīng)過一系列分解、化合反應(yīng)生成的產(chǎn)物。氣化爐渣的成分受原料煤的組成、灰分含量及氣化工藝等因素的影響，主要由SiO2、Al2O3、CaO和殘?zhí)康冉M成，屬于一般固體廢棄物[2]。

大型煤氣化裝置產(chǎn)生的爐渣總量十分龐大，而目前相對于廢水、廢氣，煤化工固體廢物的管理相對滯后[3]。氣化爐渣目前應(yīng)用比較單一，有效處理程度不高，其處理不但增加運輸成本，而且會造成侵占土地、揚塵污染等環(huán)境問題。由于爐渣綜合利用的途徑有限，目前在新疆等地區(qū)，一般對其進行填埋處理，若選址不合理或防滲措施不到位，爐渣中的重金屬元素可能對水體和土壤造成污染。

2 氣化爐渣的基本性能

尹洪峰等[4]與李國友[5]分別對Texaco爐爐渣和Lurgi爐爐渣的巖相成分進行了研究。X-射線衍射分析表明，Texaco爐和Lurgi爐爐渣的巖相主要以玻璃相和不定型物質(zhì)為主。氣化爐爐渣中主要化學(xué)成分均為硅、鋁、鈣的氧化物，殘余碳量較高。顯微鏡觀察顯示氣化爐渣為多孔結(jié)構(gòu)，殘余炭多為海綿狀多孔結(jié)構(gòu)。

3 氣化爐渣的綜合利用

3.1 吸附材料

煤氣化過程中，燃燒生成的大量氣體從煤中逸出，因此在爐渣內(nèi)部形成了氣體甬道，使氣化爐渣具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，比表面積大，殘?zhí)康拇嬖谑蛊渚哂泻突钚蕴拷频男阅?，因此可對污染物質(zhì)進行物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。普煜等[6]對魯奇爐爐渣處理氣化廢水的性能進行了研究。結(jié)果表明，爐渣對煤氣廢水中的CODCr、酚有明顯的去除效果，CODCr的去除率可達41.9%，酚類物質(zhì)的去除率達71.2%。

對氣化爐渣進行酸性或堿性改性可進一步增強爐渣的吸附作用。一方面，改性使爐渣比表面積增大，另一方面，改性后的爐渣有利于水中膠體或絮凝物的形成。劉轉(zhuǎn)年等[7]采用酸堿浸漬方法對爐渣殘渣進行改性，研究表明，堿性改性的爐渣對溶液中苯酚的吸附性能較好，苯酚吸附量為7.236mg/g。Yue Xiu等[8]采用酸化以及堿化等方法晶化處理爐渣，研究發(fā)現(xiàn)，處理后的爐渣對磷酸鹽和CODCr的去除效率分別可達99.9%和66.7%。

目前，氣化爐渣在廢水、廢氣處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用研究較少。在工業(yè)應(yīng)用中，需要注意若對吸附飽和的爐渣處置不當，將可能造成二次污染。

3.2 水泥基混凝土與泡沫混凝土材料

3.2.1 水泥基混凝土建筑材料

水泥基混凝土的制備中，因為爐渣的粒徑具有一定級配，且粉煤灰的成分相近，可作為混凝土生產(chǎn)過程中的骨料和摻和料。但是，由于氣化爐渣含碳量高、吸水性強，不宜作為較高強度混凝土的原材料。作為集料或摻合料制備混凝土制品時，可引起漿體稠度增大、流動性差、凝結(jié)時間延長、強度降低，并可能影響混凝土制品的耐久性能。

3.2.2 泡沫混凝土保溫材料

為減少采暖或制冷所需的能耗，常采用在建筑物上增加保溫層的方式。保溫層將使墻體免受冷熱橋的影響，減少主體結(jié)構(gòu)所受的溫度應(yīng)力。泡沫混凝土是一種新型建筑節(jié)能材料，具有防火性能優(yōu)良、輕質(zhì)、隔熱效果較好、施工方便等特點。

氣化爐渣中含有大量的含硅玻璃體(Al2O3·2SiO2)和活性SiO2、活性Al2O3，具有潛在的火山灰活性，可作為混凝土生產(chǎn)過程中的骨料和摻和料。鄒定華等[8]以爐渣和陶粒組成細/粗集料體系制備蒸壓自密實泡沫混凝土。結(jié)果表明，新拌混凝土可達到自密實土的要求，以爐渣和陶粒作為集料的自密實泡沫混凝土蒸壓后抗壓強度可達7MPa以上，表觀干密度900kg/m3左右。魯永明等[9]采用爐渣磨細灰渣，制備出抗壓強度約6MPa的泡沫混凝土，表觀干密度740kg/m3左右。

工業(yè)生產(chǎn)中，泡沫混凝土性能要求符合建筑行業(yè)標準JG/ T266-2011，泡沫混凝土砌塊技術(shù)指標要求符合JC/T1062-2007的規(guī)定。從長期發(fā)展來看，泡沫混凝土建筑保溫領(lǐng)域具有廣闊的市場。

3.3 砌體材料

隨著新型住宅樓群等建設(shè)項目的不斷增加和資源綜合利用要求的不斷嚴格，近年來，基于固體廢棄物的節(jié)能建材得到了長足發(fā)展。氣化爐渣具有和粉煤灰相近的性質(zhì)，應(yīng)用于制備新型砌體材料是常見且切實可行的應(yīng)用途徑，具備節(jié)能、利廢、環(huán)保的特性。

尹維新等[10]利用低質(zhì)粉煤灰和爐渣制備墻體磚，研究表明，采用常壓蒸養(yǎng)工藝，可制得MU10等級的磚。焦淑俠等[11]利用石膏和爐渣在自然養(yǎng)護條件下，制備了7d抗壓強度為11.08MPa空心磚。章麗萍等[12]利用氣化爐渣、除塵灰為原材料，生石灰、水泥為輔料，石膏為激發(fā)劑，蒸養(yǎng)條件下制備出符合國家標準的免燒磚。

工業(yè)生產(chǎn)中，砌體材料的生產(chǎn)應(yīng)符合JC/T422-2007和GB11945-1999的要求。同時，必須達到《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標準》規(guī)定的排放要求。

3.4 硅酸鹽水泥

氣化爐渣與硅酸鹽水泥具有相近的化學(xué)成分。因此，可利用氣化爐渣取代部分水泥制備硅酸鹽水泥。此外，由于爐渣中殘?zhí)康暮枯^高，水泥生料中爐渣的摻入可提高物料的預(yù)燒性，進而使熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量提高。

景國等[12]采用工業(yè)爐渣、粉煤灰等固體廢渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥，抗壓強度可達38.5MPa。閆秀清[13]采用氣化爐渣代替部分黏土配料生產(chǎn)硅酸鹽水泥，水泥的抗折強度、抗壓強度分別達到了6.8、38.6MPa。李志博[14]等利用氣化爐渣與石灰石，生產(chǎn)出28d抗壓強度達60MPa的復(fù)合水泥。

在工業(yè)生產(chǎn)中，水泥性能需要滿足GB175-2007的技術(shù)要求。

3.5 鋁再生

我國鋁土礦資源不足，氧化鋁進口依存度高，根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，國內(nèi)2016年鋁土礦進口量約為5000萬噸，對外依存度約43%。因此，應(yīng)用高鋁粉煤灰再生生產(chǎn)氧化鋁，在減少爐渣對土地占用與水體污染的同時，有利于鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。一般情況下，鋁含量高于30%的爐渣可應(yīng)用于鋁再生，內(nèi)蒙古中西部、陜北及山西煤質(zhì)一般可滿足要求，開發(fā)價值較高。

近年來，應(yīng)用高鋁粉煤灰進行鋁再生工藝有了較大突破，蒙西石灰石燒結(jié)法工藝及大唐預(yù)脫硅-堿石工藝均已商業(yè)化[15]。至2014年，國內(nèi)擬建、在建高鋁粉煤灰鋁再生裝置約12套，主要分布于內(nèi)蒙古與山西省[16]。

在目前的研究中，較為成熟的生產(chǎn)工藝有燒結(jié)法和酸溶法。燒結(jié)法又分為石灰石燒結(jié)法和堿石灰燒結(jié)法，主要由燒結(jié)、浸出、脫硅、碳化等步驟組成。燒結(jié)法適合大規(guī)模生產(chǎn)，介質(zhì)利用率高。但能耗高，成本高，排渣量大。酸法主要采用硫酸或鹽酸溶解高鋁粉煤灰，生產(chǎn)相應(yīng)的鋁鹽，再將鋁鹽凈化后使之分解制得氧化鋁。流程簡單，能耗較低，但產(chǎn)品質(zhì)量較低，酸耗量較大。

氣化爐渣在鋁再生處理領(lǐng)域應(yīng)用存在廢渣量大、成本高、規(guī)模小的問題。

4 結(jié)語

爐渣是煤氣化裝置的主要三廢排放物，實現(xiàn)爐渣的有效利用，對我國煤化工產(chǎn)業(yè)綠色低碳、循環(huán)發(fā)展具有重要的意義。由于爐渣應(yīng)用范圍廣泛，其綜合利用有望促進產(chǎn)業(yè)協(xié)同的機會。爐渣綜合開發(fā)利用，從防治固廢、資源集成的角度，迫在眉睫。

針對目前報道中爐渣的利用多處于商業(yè)化初級階段，實際利用中存在利用率低、工藝不成熟、產(chǎn)品單一等諸多問題，我國應(yīng)在稅收、技術(shù)研發(fā)等方面加以扶持，企業(yè)應(yīng)當重視新技術(shù)的開發(fā)及工藝的結(jié)合。

[1]王強,步學(xué)朋,王明華.現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)環(huán)保問題分析[J].神華科技,2016,14(5):91-94

[2]吳大剛,趙代勝,魏江波.煤化工過程氣化廢渣和廢堿液的產(chǎn)生及處理技術(shù)探討[J].煤化工,2016(6):56-59

[3]冉麗君;梁鵬;羅霂;崔積山.我國現(xiàn)代煤化工面臨的環(huán)保困境及對策建議[J].環(huán)境保護,2017,(01):39-41.

[4]尹洪峰,湯云,任耘,等.Texaco氣化爐爐渣基本特性與應(yīng)用研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2009,32(4):30-33

[5]李國友,張濤,霍亮,等.Lurgi氣化爐渣基本性能與應(yīng)用研究[C]//中國硅酸鹽學(xué)會固廢分會成立大會固廢處理與生態(tài)環(huán)境材料學(xué)術(shù)交流會.2015.

[6]Yue X,Li X M,Wang D B,et al.Simultaneous Phosphate and CODcr Removals for Landfill Leachate Using Modified Honey?comb Cinders as an Adsorbent[J].Journal of Hazardous Materials, 2011,190(1):553-558.

[7]普煜,馬永成,陳樑,等.魯奇爐渣在廢水凈化中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)水處理,2007,27(5):59-62.

[8]鄒定華,張浩然,張建武,等.蒸壓自密實爐渣-陶粒泡沫混凝土的研究[C]//中國硅酸鹽學(xué)會混凝土與水泥制品分會全國高性能混凝土學(xué)術(shù)研討會.2015.

[9]魯永明,李之政,李偉,等.磨細爐底渣的性質(zhì)及其在泡沫混凝土中的應(yīng)用研究[J].中國建材科技,2014,23(4):15-18.

[10]尹維新,孫補.利用低質(zhì)粉煤灰和爐渣開發(fā)墻體磚[J].磚瓦世界,2005(10):37-38.

[11]焦淑俠.利用石膏爐渣制備空心磚的試驗研究[J].中國資源綜合利用,2010,28(3):35-36.

[12]景國,史普天.利用固體廢渣生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥的試驗研究[J].水泥工程,2005,2005(3):83-84.

[13]閆秀清.用煤渣燒制水泥熟料的試驗研究[J].山西建筑,2009,35(15):151-151.

[14]李志博,陳平,劉榮進,等.石灰石-煤渣雙摻制備復(fù)合硅酸鹽水泥的研究[J].水泥工程,2014(3):9-11.

[15]佚名.發(fā)展改革委啟動第一個以粉煤灰為原料年產(chǎn)40萬t氧化鋁項目[J].鐵合金,2006(1):48-48.

[16]Yao Z T,Xia M S,Sarker P K,et al.A Review of the Alu?mina Recovery from Coal Fly Ash,with a Focus in China[J].Fuel, 2014,120(3):74-85.