煤气化渣的产生与应用现状

煤气化渣的产生与应用现状

彭鑫 ,刘时瑀 ,王旭 ,刘勇男 ,史舟韵

吉林建筑大学    吉林长春    130118

摘要：由于我国煤、气、油储量的严重不平衡，导致煤化工行业的持续快速发展，煤化工产业已经遍布全国各地，煤化工渣的处理已经成为煤化工企业能否正常生产的重要瓶颈。因此，如何有效地利用煤气化过程排放出的固体废物将是人们日益关注的焦点问题。基于此背景，本文通过介绍煤气化定义及各类煤气化技术的过程及特点，分析煤气化过程排放出的固体废物的产生与危害。依据煤气化渣优异的物理和化学性质，总结其在土壤改良剂及硅肥、吸附材料、建材等其他领域的应用现状，期望本文的研究为煤气化技术的改进和发展做出贡献。

关键词：煤气化，煤气化渣，应用现状

1.引言

针对石油危机以来的相关问题，各国广泛地开展了煤气化技术的研究，目前为止，已开发出近百种煤气化技术。我国各地的煤气化炉型也有很多种类。随着我国煤化工行业的继续发展，煤气化渣的年产量的继续增加，为了减小煤气化工业所带来的环境污染，增加煤气化产业的附加值，同时对其产生的煤气化渣进行高效开发和利用，煤气化相关的研究不可或缺。

2.煤气化的定义和分类

煤气化是一个热化学的反应过程，以煤炭或煤焦为原料，以氧气（空气、纯氧或富氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂，在高温条件下，通过化学反应将煤炭或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的工艺过程。气化时所得可燃气体称为煤气，主要含有一氧化碳和氢气，对于作化工原料用的煤气一般称为合成气，进行气化的设备称为煤气发生炉或煤气化炉。按煤气化炉内煤炭与气化剂的反应形式来分类，气化技术可以分为固定床（移动床）气化炉、流化床（沸腾床）气化炉、气流床气化炉和熔融床气化炉。

2.1固定床气化

    固定床气化也称为移动床气化，固定床是一般以块煤或焦煤为原料。煤与气化剂分别从气化炉炉顶、底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒处于相对较固定的状态，床层高度也基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，从宏观的角度来看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣从炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，固称为移动床气化。固定床气化常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）。固定床煤气化的特点是简单、可靠。同时由于气化剂与煤逆流接触，所以气化过程进行得比较完全，热量可合理利用，因而具有较高的热效率。

2.2流化床气化

    流化床气化又称为沸腾床气化。以小颗粒煤为气化原料，这些细小颗粒在自下而上的气化剂作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，可以迅速地进行着混合和热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一性。

2.3气流床气化

气流床气化是一种并流式气化。从原料的形态上分有水煤浆和干煤粉两类。前者是首先将煤粉制成煤浆，再用泵送入气化炉内，气化温度范围为1350~1500℃；后者是气化剂将煤粉夹带进入气化炉内，在1500~1900℃的高温下气化，残渣以熔渣的形式排出。在气化炉内，煤细粉粒经过特殊喷嘴以进入反应室，直接发生火焰反应，同时在不充分的氧化条件下，随着气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，在运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态称之为气流床气化。

2.4熔融床气化

熔融床气化的特点就是有一温度较高且稳定的熔池，煤粉和气化剂从切线方向高速喷入到熔池内，池内熔融物进行高速旋转。此时，气、液和固三相密切接触，在高温条件下完成气化反应，生成以H2和CO为主的煤气。

3.煤气化渣的产生和危害

煤气化渣是煤气化过程排放出的固体废物，包括煤气化细渣和煤气化粗渣两种。粗渣和细渣的产量大小和气化炉的炉型有关。在煤的气化过程中，煤颗粒在高温条件下快速分解，产生的大量挥发物使炭的石墨化度不断加深，进而生成煤焦；氧气、水蒸气等作为气化剂，生成合成煤气；随着反应的推进，当煤焦颗粒达到破碎临界状态，继续反应后开始逐渐破碎，经过均相和非均相反应，煤中的矿物质等成分转变成熔渣，一部分熔渣附着在气化炉壁上，以熔融态沿壁流入炉底，经激冷凝固形成粗渣颗粒，即煤气化粗渣；另一部分熔渣被气流带出，随合成气体进入后续净化工序，形成尺寸较小的细渣，即煤气化细渣。气化粗渣和细渣的组成和性质上有很大的区别。

煤气化渣的危害主要是占用土地和污染生态。大量的煤气化渣堆放在灰渣储存场中。不仅占用土地资源，灰渣随风吹起所形成的扬尘，还影响大气环境和造成空气污染。同时，煤气化渣因含有多种金属，对土壤可能造成一定程度的污染，降低土地利用率，污染气化厂周边的水资源等。迄今为止，每年堆放的煤气化渣或将占用上万亩的土地。

4.煤气化渣的应用现状

近年来研究表明，煤气化渣具有十分优异的物理和化学性质。综合学者们对煤气化渣的研究成果，主要分成以下几类：

4.1土壤改良剂及硅肥

煤气化细渣中含有呈多孔结构的未燃炭和大量高活性硅铝微纳结构材料。这些组成材料使得气化细渣在改善土壤的酸碱性质、孔隙结构、增加土壤的可交换阳离子等方面具有优良的性能，同时气化细渣还具有降低土壤蒸发量、提高土壤含水率的作用。这都有利于半干旱地区及大面积盐碱地的改良，具有极高的经济、社会价值。煤气化细渣中的超细微纳结构硅铝微珠是高温熔融硅铝物质经水淬急冷而形成，具有很好的硅铝反应活性，其中硅质组分在土壤中易于被植物吸收，因此是一种极好的活性硅肥。室内的盆栽实验表明，添加气化细渣的土壤均具有很好的硅释放特性。   

4.2吸附材料

煤气化细渣经梯级处理所得到的部分超细微纳结构的活性玻璃微珠，经各种酸溶液造孔后，得到高比表面积的介孔硅吸附材料。这些多孔材料对废水中的染料和气体中的有机小分子具有较好的吸附应用。利用煤气化细渣可以制备出未燃炭和介孔硅的复合吸附材料，充分利用未燃炭的吸附作用。煤气化粗渣的主要化学成分为硅铝质无机相和残余炭，采用水蒸气作为活化剂可将粗渣中的炭质组分活化，从而达到扩孔的目的，水热反应可以将粗渣中的硅铝组分转化为沸石晶体，制备出活性炭/沸石复合吸附材料。

4.3建材领域

    煤气化粗渣和细渣的化学成分为硅、铝、钙、铁等无机相及未燃炭，由于这些硅铝质的无机相具有很好的反应活性，故可添加于水泥及混凝土中，制得优良的水泥原料和混凝土掺合料。但是，煤气化渣中残留的炭阻碍气化渣与水泥或石灰的胶结反应，为了更好地应用在建材领域，可以考虑预除炭工艺。有些研究表明煤气化粗渣可以制备非烧结陶粒，进而应用在建材领域。

4.4其它领域

张晓峰等根据煤气化细渣的未燃炭含量高的特点，将煤气化细渣用于掺烧和浮选脱炭处理。汤云等利用煤气化渣的化学组成特性，在管式气氛炉中的碳热还原氮化得到了Sialon粉体。尹洪峰等利用德士古煤气化炉的煤气化渣在1450℃的氮气氛围中合成了Ca-α-Sialon-SiC复合陶瓷材料。马小路等使用盐酸溶液酸浸出了气化粗渣中的铝、钙、铁等金属元素，并考察了颗粒粒径尺寸、盐酸浓度和浸取温度对铝、钙、铁离子浸取率的影响，并深入探究了溶出机理。

5.结语

本文首先总结了煤气化的定义，同时将煤气化技术分类，并且介绍了四种气化技术的反应过程及反应条件等。对经煤气化所产生的煤气化粗、细渣的产生与危害进行分析与阐述，最后根据煤气化渣的物理化学性质对其应用现状进行总结。

参考文献

[1] 李玉林. 煤化工基础[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.

[2] 姚阳阳. 煤气化粗渣制备活性炭/沸石复合吸附材料及其性能研究[D]. 长春: 吉林大学, 2018.