煤气化渣利用技术研究现状及应用趋势浅析-商晓甫

第六章固体废弃物污染防治及资源化利用措施与技术？3425？煤气化渣利用技术研究现状及应用趋势浅析商晓甫＾游洋洋1周金倩1张诚2朱琳1霍宁1马建立31．天津市联合环保工程设计有限公司；2．天津环科立嘉环境修复科技有限公司；3．天津市环境保护科学研究院；摘要简要介绍了煤气化渣的特点。综述并分析了国内外有关气化渣利用技术的研究现状，指出用于建材原料和循环硫化床掺烧料是气化渣利用技术的主流应用趋势。关键词煤气化渣建材原料循环流化床应用趋势引言我国富煤贫油少气的特点使得煤炭在未来相当长一段时期内仍将担当我国的主要能源，为了维护国家能源安全和应对环境保护的要求，作为煤炭清洁利用的重要手段之一，煤制油技术得到了极大的重视和发展，然而该技术也是重要的废渣产生源头。据统计，百万吨级煤间接制油工艺每年将产生愈90万吨的灰渣，主要来自于煤气化渣和锅炉灰渣，分别约占产渣总量的95％和5％。因此，研究煤气化渣的减量化、资源化利用技术是实现煤气化、煤间接制油企业降低煤气化渣处理成本，经济效益和环保效益兼得的关键所在。本文简单介绍了煤气化渣的特点，然后综述并分析了国内外关于煤气化渣的利用技术研究现状，认为用于建材原料和循环硫化床掺烧料是气化渣利用技术的主流应用趋势，为相关研究工作者提供参考。1煤气化渣特点煤气化渣包括粗渣和细渣，粗渣即浆化煤炭颗粒在气化炉高温高压条件下经熔融、激冷、凝结等流程，并由气化炉底部排渣锁斗排出的含水渣，残碳量随煤种、气化炉种类、气化炉操作条件波动较大，一般在10％￣30％，粒径集中分布在16目至4目之间，产生量约占气化渣排量的80％。细渣即通过气化炉顶部由粗煤气气流携出并经初步洗涤净化、沉淀得到的含水渣，残碳量较高，一般可达30％以上，粒径均小于16目，其中约三分之一小于200目，产生量约占气化渣排量的20％。煤气化渣无论是粗渣还是细渣均含有丰富的二氧化硅、氧化招、氧化铁，三者含量之和最高可达70％以上，满足ＡＳＴＭ的Ｆ类粉煤灰标准，具有一定的火山灰活性。此外煤气化渣还含有氧化钙、氧化镁、二氧化钛等无机物，以上特点是煤气化渣资源化利用技术的重要物质基础。2煤气化渣利用技术研究现状Ｋｅｎｎｅｄｙ等［1］将位于美国宾州荷马城的Ｂｉ－Ｇａｓ厂加压气化炉渣加热至800°Ｃ￣900°Ｃ时，发现这些气化炉渣的体积增大至原来的20倍，具有良好的绝缘性，呈现出与蛭石相似的特性，并对该气化炉渣替代蛭石的经济可行性进行了分析。Ａｃｏｓｔａ等［2］通过对ＧＩＣＣ渣的物化＊作者：商晓甫，男，1989．3，研究生学历，助理工程师。？3426．中国环境科学学会学术年会论文集（2016）表征研究，认为原则上ＧＩＣＣ渣可以作为原料生产眼睛、玻璃纤维、玻璃陶瓷以及陶瓷烧结材料等。另外，ＡＣ0Ｓｔａ等［3］还利用50％的低含碳量气化炉渣（烧失量只有2．64％）与黏土制备了可以满足使用要求的建筑用砖。尹洪峰等［4］对德士古煤气化炉炉渣的综合利用进行了研究，结果表明当气化炉渣磨细粉添加量达到70％时经烧成可制得ＭＵ7．5以上墙体材料，烧成试样体积密度较低，可以保温隔热；另外，利用气化炉渣为主要原料，通过碳热还原氮化可合成主要成分为Ｃａ－Ａ－ｓｉａｌｏｎ和Ｂ－ｓｉａｌｏｎ的粉体。云正等［5］在尾矿中添加部分气化炉渣和少量粘土，采用挤出成型方法制备了铁尾矿烧结墙体材料。结果表明，在950°Ｃ烧结时，添加20％气化炉渣可以制备出密度低于1．45ｇ／ｃｍ3、导热系数低于0．23Ｗ／（ｍ？Ｋ）、抗压强度高于30ＭＰａ的墙体材料。王伟等［6］采用气化渣、煤泥、白泥以一定比例混合成流态化锅炉原料，采用煤泥管道输送技术输送至循环流化床锅炉燃烧，不仅解决了气化渣、白泥的固废问题，而且利用白泥中石灰石纯度高、颗粒细、活性高等特点极大提高了锅炉燃烧的脱硫效率，经济效益和环境效益显著。高继光［7］利用河南心连心化肥有限公司的德士古气化炉细渣代替中煤，按照公司180ｔ／ｈ的循环流化床锅炉设计比例进行掺烧，对锅炉的正常稳定运行几乎没有影响，燃烧后的低碳炉渣可以作为建材、道路桥梁的掺混原料；另外，通过对气化灰渣掺混煤泥经煤泥管道进入锅炉燃烧进行能量衡算发现，入炉细渣燃烧后能够增加发热量，如果考虑增加的电耗、设备损耗、人工和维修等费用，整体经济效益一般，但环保效益明显。李刚健［8］对神华宁夏煤业集团有限责任公司的三种煤气化炉（德士古、四喷嘴对置式和ＧＳＰ）产生的细渣进行了深入研究，认为高残碳的细渣具有分选价值，分选后产品是低热值碳粉和低碳粉煤灰，前者可以用作循环流化床燃料，后者可用于建材原料；也可以直接通过低比例掺混后进入循环流化床锅炉燃烧利用，燃烧后的低碳灰渣可以用于建材建工原料。杨帅等［9］也对神华宁夏煤业集团有限责任公司德士古、四喷嘴对置式和ＧＳＰ三种煤气化炉产生的细渣进行了研究，详细比对了这些细渣主要成分与相关建材标准之间的关系，也认为神宁煤化工公司3种细渣火山灰活性较低，残碳量较高，不能直接用于建材原料，建议以低比例掺烧循环流化床锅炉原料或分选后再分别利用。章丽萍等［10］以某企业煤间接液化产生的气化渣、锅炉渣为主材料，以除尘灰、石灰、水泥为辅助材料，以石膏为激发剂，质量分数配比分别为35．6％，32．4％，14％，8％，4％，6％时，在ｌ〇〇°Ｃ蒸养18ｈ可制备出符合《非烧结砖垃圾尾矿砖》（ＪＣ／Ｔ422＿2〇〇7）标准和《蒸压灰砂砖》（ＧＢ11945－1999）标准要求的免烧砖。晁岳建等［11］研究了循环流化床锅炉掺烧气化渣和煤泥的可行性，通过流变性试验，确定了气化渣与煤泥以质量比1：1（含水质量分数30％±2％）混合成浆后通过煤泥泵进行输送。气化渣、煤泥与原煤掺烧的综合发热量可满足锅炉设计的燃料要求，Ｘｔ锅炉效率及其安全稳定运行基本没有影响，可实现煤炭资源的综合利用。该项目实施后，不到2年即可收回投资，经济效益显著。3应用趋势分析3．1用于建材原料气化渣的物相特点和成分特点与原料煤种、气化炉种类、操作条件等均有密切的相关性［12］，不同地区，不同气化工艺所产生的气化灰渣成分含量波动较大，但主要成分均为二氧化硅、氧化招、氧化钙、氧化铁、氧化镁、二氧化钛等无机相和残碳。煤炭颗粒中的无机相通过气化炉和锅炉高温高压条件下的熔融重塑后，内部矿物质成分发生了巨大变化［13－16］，具有与水泥、混凝土、烧砖等建材原料相似的成分和特性，再加上用于建材原料时投资的经济性、设备的成熟性和市场的实用性等因素，使气化渣拥有了用于建材原料并规模化生产的潜质基础。3．2用于循环流化床掺烧料基于目前煤气化环节的工艺水平，气化渣无论是粗渣还是细渣残碳量普遍偏高，细渣相对粗第六章固体废弃物污染防治及资源化利用措施与技术．3427？渣残碳量更高，这将不利于气化渣用于建材原料［17］，因为多孔的碳粒会增加需水量比，增加新拌混凝土需水量，造成混凝土沁水增多，干缩变大，进而降低了强度和耐久性。肖忠明等［18］也认为，残碳不仅本身属于惰性物质，而且会破坏混凝土内部结构，阻碍水化物的胶凝体和结晶体的生长与相互间的联结，造成内部缺陷，从而降低混凝土的性能，特别是降低了混凝土的抗冻性。但是高残碳的气化渣可以通过分选操作实现低碳灰渣富集，再用于水泥混凝土等建材原料［19］。因此，具有技术成熟、设备成熟、市场成熟的循环硫化床掺烧工艺成为了解决气化渣，尤其是细渣的主流途径，经循环硫化床燃烧后，低残碳的锅炉灰渣便可以选择性的用于建材原料。而对于粗渣，由于经熔融凝结后，颗粒相对较大，如果残碳量较低，则可以直接用于建材原料，如果残碳量较高，则可以经适当破碎粉磨后用于循环硫化床掺烧，然后再选择用于建材原料。循环流化床掺烧技术结合选择性建材化利用技术可以基本实现灰渣的资源化综合利用。3．3高附加值资源化利用也有研究者利用气化渣中高二氧化硅，高氧化招和高残碳的特点，制备如ｓｉａｌｏｎ材料（一种耐火耐腐蚀硅铝氧氮聚合材料）、烧结陶粒等高附加值产品，或采用酸浸高压强化提铝技术回收高氧化铝气化渣中的金属铝，但大多数仍处于实验室研究阶段，再加上这些技术相对复杂，实现工业化过程中投资大，风险高，短期内难以成为主流应用技术。4结语煤气化渣综合利用技术是煤气化、煤间接液化工艺的重要一环，是煤炭清洁利用技术的重要组成部分。根据国内外煤气化渣利用技术的研究现状，以及考虑到相关技术的设备、市场、经济等因素，煤气化渣作为建材原料和循环硫化床掺烧料将成为煤气化渣利用技术的主流应用趋势。参考文献［1］ＫｅｎｎｅｄｙＣＲ，ＫｒｅｉｓＳＷ，ＰｏｅｐｐｅｌＲＢ，ｅｔａｌ．Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｌａｇｆｒｏｍｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｃｏａｌ－ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＥｎｅｒｇｙＳｙｓｔｅｍｓ，1980，2（1）：51－54．［2］ＡｃｏｓｔａＡ，ＡｉｎｅｔｏＭ，ＩｇｌｅｓｉａｓＩ，ｅｔａｌ．Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｌａｇｗａｓｔｅｃｏｍｉｎｇｆｒｏｍＧＩＣＣｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，2001，50（4）：246－250．［3］ＡｃｏｓｔａＡ，ＩｇｌｅｓｉａｓＩ，ＡｉｎｅｔｏＭ，ｅｔａｌ．ＵｔｉｌｉｓａｔｉｏｎｏｆＩＧＣＣｓｌａｇａｎｄｃｌａｙｓｔｅｒｉｌｅｓｉｎｓｏｆｔｍｕｄｂｒｉｃｋｓ（ｂｙｐｒｅｓｓｉｎｇ）ｆｏｒｕｓｅｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｂｒｉｃｋｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．［Ｊ］．ＷａｓｔｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，2002，22（8）：887－891．［4］尹洪峰，汤云，任耘，等．Ｔｅｘａｃｏ气化炉炉渣基本特性与应用研究［Ｊ］．煤炭转化，2009，32（4）：30－33．［5］云正，于鹏超，尹洪峰．气化炉渣对铁尾矿烧结墙体材料性能的影响［Ｊ］．金属矿山，2010（11）：183－186．［6］王伟，王继征．气化渣煤泥白泥在循环流化床锅炉的综合利用［Ｊ］．科技致富向导，2011（21）．［7］高继光，马银亮，刘锐杰．水煤浆气化灰渣综合利用和效益分析［Ｊ］．节能与环保，2014（2）：72－73．［8］李刚健．煤化工气化滤饼组份分析与综合利用简述［Ｊ］．科技信息，2012（35）．［9］杨帅，石立军．煤气化细渣组分分析及其综合利用探讨［Ｊ］．煤化工，2013，41（4）：29－31．［10］章丽萍，温晓东，史云天，等．煤间接液化灰渣制备免烧砖研究［Ｊ］．中国矿业大学学报，2015，44（2）：354－358．［11］晁岳建，王洪记．循环流化床锅炉掺烧气化渣和煤泥的可行性研究［Ｊ］．化肥工业，2015（3）：48－50．［12］赵永彬，吴辉，蔡晓亮，等．煤气化残渣的基本特性研究［Ｊ］．洁净煤技术，2015（3）：110－113．［13］梁国治．煤灰中矿物组成分析［Ｊ］．矿业科学技术，2005（4）：27－29．［14］ＤｙｋＪＣＶ，ＭｅｌｚｅｒＳ，ＳｏｂｉｅｃｋｉＡ．ＭｉｎｅｒａｌｍａｔｔｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇＳａｓｏｌ－Ｌｕｒｇｉｆｉｘｅｄｂｅ