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[摘 要]煤气化技术的应用是我国能源战略的重要一环，但同时也会产生大量的煤气化炉渣，亟需研究可批量消纳的资源化利用技术。本文主要对煤气化炉渣进行了简要的分析。
[关键词]煤气化；炉渣；利用
中图分类号：S624 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0304-01
1 气化炉渣排放分析
煤气化技术是煤在高温下气化制得合成气的过程，是煤化工的基础。煤化工项目中，废渣主要由气化灰渣、污水厂三泥、废催化剂、杂盐等组成，气化灰渣占废渣总量的比例超过90%以上。气化炉渣是煤在气化炉中燃烧气化后的固体残留物，是煤中矿物质在煤气化过程中经过一系列分解、化合反应生成的产物。气化炉渣的成分受原料煤的组成、灰分含量及气化工艺等因素的影响，主要由SiO2、Al2O3、CaO和残炭等组成，属于一般固体废弃物。大型煤气化装置产生的炉渣总量十分庞大，而目前相对于废水、废气，煤化工固体废物的管理相对滞后。气化炉渣目前应用比较单一，有效处理程度不高，其处理不但增加运输成本，而且会造成侵占土地、扬尘污染等环境问题。由于炉渣综合利用的途径有限，目前在新疆等地区，一般对其进行填埋处理，若选址不合理或防渗措施不到位，炉渣中的重金属元素可能对水体和土壤造成污染。
2 气化炉渣的基本性能
尹洪峰等与李国友分别对Texaco炉炉渣和Lurgi炉炉渣的岩相成分进行了研究。X-射线衍射分析表明，Texaco炉和Lurgi炉炉渣的岩相主要以玻璃相和不定型物质为主。气化炉炉渣中主要化学成分均为硅、铝、钙的氧化物，殘余碳量较高。显微镜观察显示气化炉渣为多孔结构，残余炭多为海绵状多孔结构。
3 气化炉渣利用技术
3.1 煤气化炉渣用作建材原料
煤气化炉渣满足或经分选富集处理后满足低残碳要求，则首选制砖、砌块等；如果炉渣颗粒足够细，并具有火山灰活性，还可以用于掺制水泥或混凝土。如Acosta等利用50%的低含碳量煤气化炉渣
（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；尹洪峰等利用添加量达70%的粉状德士古煤气化炉渣烧制成了MU7.5以上的低密度保温墙体材料；云正等在尾矿中添加部分煤气化炉渣和少量黏土，采用挤压成型的方法制备了铁尾矿烧结墙体材料；章丽萍等利用某企业煤气化炉渣（35.6%）、锅炉渣（32.4%）为主材料，以除尘灰（14%）、石灰（8%）、水泥（4%）为辅助材料，以石膏（6%）为激发剂，100℃下蒸养18h制备出了符合JCT422—2007《非烧结砖垃圾尾矿砖》和GB11945—1999《蒸压灰砂砖》标准要求的免烧砖。选择制砖、砌块、掺制水泥或混凝土等都是基于煤气化炉渣的集料作用和火山灰效应，但是煤气化炉渣整体上高残碳的特点将严重影响其建材化利用技术，根据GBT1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准规定，粉煤灰的烧失量不得高于15%，该限值对煤气化炉渣来说是一个挑战。理论上讲，利用残碳在渣中分布不均的特点可以通过分选富集分别选出高残碳渣和低残碳渣，然后再做分别利用。但无论是干法分选还是湿法分选都将涉及一系列技术问题，如干法分选对原料要求苛刻，分选效率低，湿法分选技术流程长，投资高等。
3.2 煤气化炉渣用于循环流化床掺烧料
满足高残碳，高热值，而且粒径足够细的煤气化炉渣可以考虑掺烧循环流化床锅炉。如王伟等用煤气化炉渣、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，经济效益和环境效益显著；李刚健认为，神华宁夏煤业集团有限责任公司的3种煤气化炉（Texaco、四喷嘴对置式和GSP）产生的高残碳细渣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；杨帅等建议以低比例掺烧循环流化床锅炉原料的方式利用神宁煤化工公司的3种煤气化细渣；高继光等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180th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；晁岳建等研究认为，掺烧煤气化炉渣和煤泥的循环流化床锅炉综合发热量可以满足锅炉设计的燃料要求。
选择掺烧循环硫化床锅炉则是基于煤气化炉渣高残碳，有一定热值的特点，而且循环流化床锅炉具有技术成熟、市场成熟、消耗量大的优点，经循环硫化床燃烧后，炉渣中残碳量降低，再用作建材原料，完全满足煤气化炉渣的资源化利用要求。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。
3.3 煤气化炉渣的高附加值开发
根据局部地区煤气化炉渣成分的特殊性，进行高附加值开发。如Kennedy等将位于美国宾州荷马城的Bi-Gas厂加压煤气化炉渣加热至800～900℃时，发现这些气化渣的体积增至原来的20倍，具有良好的绝缘性，呈现出与蛭石相似的特性；Acosta等通过对GICC渣的物化表征研究，认为原则上GICC渣可以作为原料生产眼镜、玻璃纤维、玻璃陶瓷以及陶瓷烧结材料等；尹洪峰等利用煤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-α-sialon和β-sialon的粉体。但是，选择制备高附加值材料的技术目前多处于实验室研究阶段。
3.4 铝再生
我国铝土矿资源不足，氧化铝进口依存度高，根据中国产业信息网资料，国内2016年铝土矿进口量约为5000万吨，对外依存度约43%。因此，应用高铝粉煤灰再生生产氧化铝，在减少炉渣对土地占用与水体污染的同时，有利于铝工业的可持续发展。一般情况下，铝含量高于30%的炉渣可应用于铝再生，内蒙古中西部、陕北及山西煤质一般可满足要求，开发价值较高。近年来，应用高铝粉煤灰进行铝再生工艺有了较大突破，蒙西石灰石烧结法工艺及大唐预脱硅-碱石工艺均已商业化。至2014年，国内拟建、在建高铝粉煤灰铝再生装置约12套，主要分布于内蒙古与山西省。在目前的研究中，较为成熟的生产工艺有烧结法和酸溶法。烧结法又分为石灰石烧结法和碱石灰烧结法，主要由烧结、浸出、脱硅、碳化等步骤组成。烧结法适合大规模生产，介质利用率高。但能耗高，成本高，排渣量大。酸法主要采用硫酸或盐酸溶解高铝粉煤灰，生产相应的铝盐，再将铝盐净化后使之分解制得氧化铝。流程简单，能耗较低，但产品质量较低，酸耗量较大。气化炉渣在铝再生处理领域应用存在废渣量大、成本高、规模小的问题。
4 结语
炉渣是煤气化装置的主要三废排放物，实现炉渣的有效利用，对我国煤化工产业绿色低碳、循环发展具有重要的意义。由于炉渣应用范围广泛，其综合利用有望促进产业协同的机会。炉渣综合开发利用，从防治固废、资源集成的角度，迫在眉睫。针对目前报导中炉渣的利用多处于商业化初级阶段，实际利用中存在利用率低、工艺不成熟、产品单一等诸多问题，我国应在税收、技术研发等方面加以扶持，企业应当重视新技术的开发及工艺的结合。
参考文献
[1] 帅航.煤气化炉渣本征特性及碳热还原氮化过程中物相演变[D].西安建筑科技大学，2015.
[2] 汤云，袁蝴蝶，尹洪峰，帅航，辛亚楼，赖鹏辉.几种典型煤气化炉渣的碳热还原氮化过程[J].煤炭学报，2016，41（12）：3136-3141.
[3] 闫常群.煤气化资源综合利用技术[J].河南化工，2006（01）：32.
[4] 许清波.恩德粉煤气化炉灰渣再利用分析[J].中氮肥，2005（03）：31-32.
[5] 张建法，梁钦锋，王剑，许建良，刘海峰，龚欣.Shell粉煤气化炉渣池内熔渣流动特性[J].化学工程，2011，39（04）：89-93.
[关键词]煤气化；炉渣；利用
中图分类号：S624 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0304-01
1 气化炉渣排放分析
煤气化技术是煤在高温下气化制得合成气的过程，是煤化工的基础。煤化工项目中，废渣主要由气化灰渣、污水厂三泥、废催化剂、杂盐等组成，气化灰渣占废渣总量的比例超过90%以上。气化炉渣是煤在气化炉中燃烧气化后的固体残留物，是煤中矿物质在煤气化过程中经过一系列分解、化合反应生成的产物。气化炉渣的成分受原料煤的组成、灰分含量及气化工艺等因素的影响，主要由SiO2、Al2O3、CaO和残炭等组成，属于一般固体废弃物。大型煤气化装置产生的炉渣总量十分庞大，而目前相对于废水、废气，煤化工固体废物的管理相对滞后。气化炉渣目前应用比较单一，有效处理程度不高，其处理不但增加运输成本，而且会造成侵占土地、扬尘污染等环境问题。由于炉渣综合利用的途径有限，目前在新疆等地区，一般对其进行填埋处理，若选址不合理或防渗措施不到位，炉渣中的重金属元素可能对水体和土壤造成污染。
2 气化炉渣的基本性能
尹洪峰等与李国友分别对Texaco炉炉渣和Lurgi炉炉渣的岩相成分进行了研究。X-射线衍射分析表明，Texaco炉和Lurgi炉炉渣的岩相主要以玻璃相和不定型物质为主。气化炉炉渣中主要化学成分均为硅、铝、钙的氧化物，殘余碳量较高。显微镜观察显示气化炉渣为多孔结构，残余炭多为海绵状多孔结构。
3 气化炉渣利用技术
3.1 煤气化炉渣用作建材原料
煤气化炉渣满足或经分选富集处理后满足低残碳要求，则首选制砖、砌块等；如果炉渣颗粒足够细，并具有火山灰活性，还可以用于掺制水泥或混凝土。如Acosta等利用50%的低含碳量煤气化炉渣
（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；尹洪峰等利用添加量达70%的粉状德士古煤气化炉渣烧制成了MU7.5以上的低密度保温墙体材料；云正等在尾矿中添加部分煤气化炉渣和少量黏土，采用挤压成型的方法制备了铁尾矿烧结墙体材料；章丽萍等利用某企业煤气化炉渣（35.6%）、锅炉渣（32.4%）为主材料，以除尘灰（14%）、石灰（8%）、水泥（4%）为辅助材料，以石膏（6%）为激发剂，100℃下蒸养18h制备出了符合JCT422—2007《非烧结砖垃圾尾矿砖》和GB11945—1999《蒸压灰砂砖》标准要求的免烧砖。选择制砖、砌块、掺制水泥或混凝土等都是基于煤气化炉渣的集料作用和火山灰效应，但是煤气化炉渣整体上高残碳的特点将严重影响其建材化利用技术，根据GBT1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准规定，粉煤灰的烧失量不得高于15%，该限值对煤气化炉渣来说是一个挑战。理论上讲，利用残碳在渣中分布不均的特点可以通过分选富集分别选出高残碳渣和低残碳渣，然后再做分别利用。但无论是干法分选还是湿法分选都将涉及一系列技术问题，如干法分选对原料要求苛刻，分选效率低，湿法分选技术流程长，投资高等。
3.2 煤气化炉渣用于循环流化床掺烧料
满足高残碳，高热值，而且粒径足够细的煤气化炉渣可以考虑掺烧循环流化床锅炉。如王伟等用煤气化炉渣、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，经济效益和环境效益显著；李刚健认为，神华宁夏煤业集团有限责任公司的3种煤气化炉（Texaco、四喷嘴对置式和GSP）产生的高残碳细渣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；杨帅等建议以低比例掺烧循环流化床锅炉原料的方式利用神宁煤化工公司的3种煤气化细渣；高继光等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180th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；晁岳建等研究认为，掺烧煤气化炉渣和煤泥的循环流化床锅炉综合发热量可以满足锅炉设计的燃料要求。
选择掺烧循环硫化床锅炉则是基于煤气化炉渣高残碳，有一定热值的特点，而且循环流化床锅炉具有技术成熟、市场成熟、消耗量大的优点，经循环硫化床燃烧后，炉渣中残碳量降低，再用作建材原料，完全满足煤气化炉渣的资源化利用要求。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。
3.3 煤气化炉渣的高附加值开发
根据局部地区煤气化炉渣成分的特殊性，进行高附加值开发。如Kennedy等将位于美国宾州荷马城的Bi-Gas厂加压煤气化炉渣加热至800～900℃时，发现这些气化渣的体积增至原来的20倍，具有良好的绝缘性，呈现出与蛭石相似的特性；Acosta等通过对GICC渣的物化表征研究，认为原则上GICC渣可以作为原料生产眼镜、玻璃纤维、玻璃陶瓷以及陶瓷烧结材料等；尹洪峰等利用煤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-α-sialon和β-sialon的粉体。但是，选择制备高附加值材料的技术目前多处于实验室研究阶段。
3.4 铝再生
我国铝土矿资源不足，氧化铝进口依存度高，根据中国产业信息网资料，国内2016年铝土矿进口量约为5000万吨，对外依存度约43%。因此，应用高铝粉煤灰再生生产氧化铝，在减少炉渣对土地占用与水体污染的同时，有利于铝工业的可持续发展。一般情况下，铝含量高于30%的炉渣可应用于铝再生，内蒙古中西部、陕北及山西煤质一般可满足要求，开发价值较高。近年来，应用高铝粉煤灰进行铝再生工艺有了较大突破，蒙西石灰石烧结法工艺及大唐预脱硅-碱石工艺均已商业化。至2014年，国内拟建、在建高铝粉煤灰铝再生装置约12套，主要分布于内蒙古与山西省。在目前的研究中，较为成熟的生产工艺有烧结法和酸溶法。烧结法又分为石灰石烧结法和碱石灰烧结法，主要由烧结、浸出、脱硅、碳化等步骤组成。烧结法适合大规模生产，介质利用率高。但能耗高，成本高，排渣量大。酸法主要采用硫酸或盐酸溶解高铝粉煤灰，生产相应的铝盐，再将铝盐净化后使之分解制得氧化铝。流程简单，能耗较低，但产品质量较低，酸耗量较大。气化炉渣在铝再生处理领域应用存在废渣量大、成本高、规模小的问题。
4 结语
炉渣是煤气化装置的主要三废排放物，实现炉渣的有效利用，对我国煤化工产业绿色低碳、循环发展具有重要的意义。由于炉渣应用范围广泛，其综合利用有望促进产业协同的机会。炉渣综合开发利用，从防治固废、资源集成的角度，迫在眉睫。针对目前报导中炉渣的利用多处于商业化初级阶段，实际利用中存在利用率低、工艺不成熟、产品单一等诸多问题，我国应在税收、技术研发等方面加以扶持，企业应当重视新技术的开发及工艺的结合。
参考文献
[1] 帅航.煤气化炉渣本征特性及碳热还原氮化过程中物相演变[D].西安建筑科技大学，2015.
[2] 汤云，袁蝴蝶，尹洪峰，帅航，辛亚楼，赖鹏辉.几种典型煤气化炉渣的碳热还原氮化过程[J].煤炭学报，2016，41（12）：3136-3141.
[3] 闫常群.煤气化资源综合利用技术[J].河南化工，2006（01）：32.
[4] 许清波.恩德粉煤气化炉灰渣再利用分析[J].中氮肥，2005（03）：31-32.
[5] 张建法，梁钦锋，王剑，许建良，刘海峰，龚欣.Shell粉煤气化炉渣池内熔渣流动特性[J].化学工程，2011，39（04）：89-93.