宋瑞領，藍 天

(1.兗礦集團 潔凈煤技術工程研究中心，山東 濟寧 273516；2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100)

0 引 言

我國煤化工產業(yè)已進入工業(yè)化進程，2018年煤化工產業(yè)耗煤9 560萬t[1]，預計2020年底可達到11 356.1萬t[2]。隨著煤化工的快速發(fā)展，煤氣化爐渣排放量逐年增加。數(shù)量龐大的爐渣，目前尚未得到有效利用，多以堆放、填埋處置，不僅造成土地占用、揚塵污染、水及土壤污染等環(huán)境問題，還會產生大量的處置費用。研究煤氣化爐渣的減量化、資源化、無害化利用技術成為實現(xiàn)環(huán)保效益和經(jīng)濟效益兼得的關鍵所在，因此，煤氣化爐渣的特性及綜合利用研究逐漸變到重視。目前，對氣流床各爐型氣化渣的特性研究已較為深入，通過帶能譜的掃描電鏡(SEM-EDS)、X射線衍射(XRD)、X射線熒光光譜(XRF)、燒失量、粒度等分析方法，對不同爐型氣化渣的礦物學性質、化學組成、微觀形貌、殘?zhí)挤植继匦缘扔辛藴蚀_掌握，為其資源化利用提供了技術支持。雖然受爐型、工況、原料煤性質的影響，氣化渣性質呈現(xiàn)出一定的差異性，但富含SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性成分是其建材化利用的基礎，較高質量分數(shù)的殘?zhí)际瞧渥鳛槿剂虾吞嘉讲牧侠玫幕A。受物理、化學特性影響，氣化渣工業(yè)化利用方式主要集中在水泥、建筑磚、墻面材料等建材制造及循環(huán)硫化床摻燒2個方面，制備多孔材料、Sialon材料、有價元素提取、廢水處理、土壤修復等利用方式均處于試驗階段，受成本、產品質量、二次污染等問題限制，并未得到規(guī)?；茝V應用。氣化爐渣綜合利用研究仍將遵循大規(guī)模消納與高值化利用相結合的原則，以實現(xiàn)殘?zhí)寂c其他成分的精準分離與分級利用為目標，開發(fā)適應市場需求的復合利用方式。劉子梁等[3]對煤間接液化氣化工藝中氣化爐渣的的產生、危害、組成及綜合利用情況進行了總結，提出了污水處理是其資源化利用的新思路。商曉甫等[4]分析了煤氣化爐渣利用技術研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向進行了展望，提出了煤氣化爐渣用于混凝土和水泥原料、井下回填是實現(xiàn)其大量消納的技術途徑。鄧海等[5]介紹了桐梓化工GE(原Texaco)水煤漿氣化爐粗渣資源化利用技術，并利用蚯蚓處理氣化爐渣，進行了生產工業(yè)級粉煤、氫氧化鋁、白炭黑的試驗，指出燒結磚是適用于粗渣的利用方式。以氣流床煤氣化爐粗渣及細渣為論述對象，對工業(yè)應用氣流床各爐型氣化渣的礦物學性質、化學組成、影響其綜合利用的物理特性進行了總結分析。對目前氣化爐渣綜合利用研究現(xiàn)狀進行了綜述，指出了氣化渣綜合利用的難點及局限性，并對氣化爐渣的綜合利用進行了展望。

1 氣流床氣化爐渣特性

煤氣化爐種類較多，按照煤在爐內運動方式可分為固定床(移動床)、流化床和氣流床3種類型，其部分代表爐型及排渣方式見表1。氣流床氣化爐因其煤種適應性寬、碳轉化率、有效氣體積分數(shù)和冷煤氣效率高而備受關注，是煤氣化的首選技術[6]。了解氣化渣特性，是其資源化利用的基礎，目前，氣流床爐渣的形態(tài)、礦物學、化學組成等特性已經(jīng)達成共識。

1.1 礦物學性質

氣流床煤氣化爐渣的礦物學組成包括玻璃體、殘?zhí)己偷V物晶體，其中玻璃體和殘?zhí)己窟h高于礦物晶體。礦物晶體主要為各類石英、莫來石、鈣長石、FeS、石膏等。尹洪峰等[7]將Texaco爐粗渣、細渣混合后進行X射線衍射(XRD)分析，結果顯示爐渣中90%以上為玻璃相和無定形物質(殘?zhí)?，晶相主要為石英和方解石。PAN等[8]研究了工業(yè)煤粉氣流床爐渣，指出細渣中礦物晶體主要為莫來石和各相態(tài)石英，粗渣中礦物主要為FeS、硬石膏和石英。趙永彬等[9]利用XRD分析了Texaco水煤漿、四噴嘴對置水煤漿、GSP干粉加壓氣化工藝的粗渣性質，3種粗渣的結晶度均不超過33%，主要礦物為石英、莫來石、方鐵礦和方解石。吳陽等[10]利用XRD分析Texaco和GSP氣化爐渣時表明粗、細渣灰化樣品基本呈無規(guī)則玻璃態(tài)結構，Texaco粗渣中可見少量鎂鋁柱石，細渣中含少量Fe2O3；GSP粗渣中含少量鈣鋁長石。部分氣流床爐渣主要礦物組成見表2。

表1 部分氣化爐型及排渣方式

表2 部分氣流床爐渣的礦物學組成

由XRD結果可推斷出氣化過程中礦物的轉化過程：①原煤中高嶺石首先轉變?yōu)槠邘X土，進而轉變?yōu)锳l-Si尖晶石，最后形成莫來石。莫來石在1 000 ℃左右出現(xiàn)，1 000～1 400 ℃時莫來石隨溫度升高而增加[9]；②石英相主要來自原料煤中未參與反應的石英顆粒，溫度升高到1 050 ℃時，石英開始轉變?yōu)榉绞?；③由于氣化爐內的還原氣氛，黃鐵礦容易與H2反應生成FeS，菱鐵礦則保持FeO形式；④原煤中方解石先轉化為文石和球狀文石，后分解生成CaO，再與硫組分反應生成硬石膏[8]；⑤鈣長石由莫來石與煤中方解石受熱分解生成的方鈣石在1 200 ℃左右發(fā)生反應生成，在1 400 ℃時趨于消失[13]；⑥粗渣和細渣在爐內形成過程、形成溫度、停留時間的不同造成二者礦物組成存在一定差異。高旭霞等[14]研究得出，在氣化過程中，粗渣形成溫度高于細渣，并且細渣在爐內停留時間短，原因是粗渣中含有鈣長石，而細渣中未發(fā)現(xiàn)。

1.2 化學組成

氣流床煤氣化爐渣是復雜的混合物，其化學組成的差異主要與煤灰成分、助熔劑類型和添加量等有關。其化學組成通常為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、K2O等，其中以SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3為主。湯云等[15]分析了德士古、航天爐、多噴嘴爐粗渣的化學組成，指出粗渣中SiO2、CaO、Al2O3含量較高，Si和Al元素來源于煤中礦物質成分，Ca主要來源于為調節(jié)灰分熔點和熔體性質而引入的助熔劑方解石。WAGNER等[16]通過X射線光電子能譜(XPS)掃描得出，粗渣化學組成主要是Si、Al、Fe、Ca的氧化物。部分氣流床爐渣的化學組成見表3，盡管各類渣樣化學成分存在一定差異，但均以SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3為主，這為其綜合利用提供了成分基礎。

表3 部分氣流床爐渣的化學成分

1.3 物理特性

氣流床煤氣化爐渣資源化利用受限的物理特性主要包括以下3種。

1)含水率高。除Shell爐、SE爐等部分干粉氣流床飛灰采用陶瓷過濾、旋風除塵干法排放外，煤氣化爐粗渣、細渣多數(shù)為濕法排放。細渣采用真空過濾機脫水，粗渣采用撈渣機在提升過程靠水自重脫水。濕排粗渣、細渣含水率為40%～60%，且大部分水分存于渣粒高度發(fā)達的孔隙結構中，干燥難度大、成本高，是資源化利用的制約因素。

2)殘?zhí)己扛摺Ｔ厦涸跉饣癄t內轉化率非100%，因此氣化渣中含有未燃盡的殘?zhí)碱w粒。部分氣流床爐渣的殘?zhí)假|量分數(shù)見表4，由于爐型和工藝條件不同，爐渣中殘?zhí)假|量分數(shù)差異較大?？傮w為細渣高于粗渣，主要因為粗渣是爐內熔渣沿爐壁向下進入氣化爐激冷室，在水浴中激冷固化形成，停留時間長、溫度高，反應更充分，細渣是未燃盡碳顆粒與微細礦物質顆粒在合成氣的夾帶作用下從合成氣出口直接排出，在爐內停留時間比粗渣短。GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定，最低等級Ⅲ級灰燒失量≤10.0%；JC/T409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》規(guī)定，非燒結硅酸鹽制品用粉煤灰燒失量≤10.0%，因此氣流床爐渣的高燒失量是制約其應用的關鍵因素之一。

3)性質不穩(wěn)定。氣化爐渣性質與原煤性質、氣化爐型及工藝、運行工況、添加劑成分與數(shù)量等因素有關，受反應程度和停留時間的影響，任何條件的變動都會造成氣化爐渣的組成和結構變化，導致性質不穩(wěn)定，為其利用帶來困難。

表4 部分氣流床爐渣殘?zhí)假|量分數(shù)

2 氣化渣綜合利用難點及局限性

目前煤氣化渣爐的資源化利用尚未得到充分和系統(tǒng)性研究，國內外文獻中涉及煤氣化爐渣資源化利用的研究較少，應用集中在建材方面，且多為試驗室理論階段，工業(yè)化推廣應用較少。其原因在于：①與粉煤灰、煤矸石等其他煤基固廢相比，煤氣化爐渣的排放量小，其對生態(tài)、環(huán)境、人類健康的危害尚未得到充分重視；②傳統(tǒng)煤基固廢應用領域如建筑材料、土壤改良、合成分子篩等已經(jīng)被粉煤灰、煤矸石等占據(jù)，由于氣化爐渣性能次于粉煤灰、煤矸石等，因此很難形成競爭力；③細渣尤其是黑水濾餅及部分粗渣的殘?zhí)己扛撸瑲執(zhí)紴槎栊晕镔|，常溫下不參與反應，阻礙水合膠凝體和結晶體的生長、聯(lián)結，會造成混凝土、水泥制品內部缺陷；④SiO2、Al2O3、Fe2O3含量低。這3種氧化物是參與火山灰反應的主要成分，其含量的多少與它作為建材原料的優(yōu)劣相關，許多氣化爐渣中三者總相對質量分數(shù)小于60%，活性低；⑤氣化爐渣的組成和結構變化快，性質不穩(wěn)定，為終端產品質量控制帶來困難。

目前氣化爐渣的利用主要存在以下4點問題：①局限于建材及循環(huán)硫化床摻燒，涉及領域窄，附加值低；②由于氣化爐渣活性低、殘?zhí)己扛撸苽涞拿鉄u、滲水磚等免燒制品質量差，密度大、易開裂、強度差、抗凍性差；③無論是水泥行業(yè)、燒結磚、還是免燒制品，氣化渣摻量較少，通常低于30%，限制其大規(guī)模消納；④無相關標準和技術規(guī)范。目前氣化爐渣的利用的沒有相關的國家和行業(yè)標準、技術規(guī)范可依，只能參照粉煤灰等相關標準執(zhí)行。

3 氣化爐渣綜合利用技術

3.1 路面材料

路面結構由面層、基層、墊層組成。面層材料類型主要為水泥混凝土、瀝青混凝土、路拌瀝青碎石等。基層分為無機結合料穩(wěn)定基層和碎、礫石基層，我國主要采用無機結合料穩(wěn)定類半剛性基層。目前氣化渣在路面材料的應用研究主要是作為混凝土結合料和細集料應用于面層及基層。氣化細渣主要成分SiO2、Al2O3、Fe2O3，具有火山灰活性，在Ca(OH)2堿性溶液環(huán)境下可水化硬化，因此可用于混凝土結合料。JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中要求：粉煤灰及其他工業(yè)廢渣中SiO2、Al2O3、Fe2O3的總質量分數(shù)應大于70%、燒失量質量分數(shù)不高于20%，濕排粉煤灰含水率不高于35%。根據(jù)以上要求，許多研究者把細渣作為摻混料進行研究。而氣化粗渣顆粒具有如同細集料和砂一般的級配，能夠滿足JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術細則》的要求。用煤氣化粗渣替代細集料或砂，加工簡單，是煤氣化粗渣用于混凝土的有效途徑，并且粗渣的火山灰活性成分能與無機膠凝材料發(fā)生反應，使混凝土的后期強度有所提高。

氣化爐渣在歐洲國家建筑和道路行業(yè)中的應用已進入工業(yè)化階段[19-21]。美國、日本等通過篩分、磁選得到合適粒級爐渣，與其他建筑骨料混合，作為石油瀝青路面材料[22]。國內對氣化爐渣在路面、基層材料上應用研究起步較晚。雷彤[23]進行了GE爐(原Texaco)氣化渣用作道路基層材料及路用性能的研究，結果表明，只有粗渣適合作為半剛性基層材料，確定出懸浮與骨架密實結構的最佳摻質量分數(shù)分別為水泥4%、石灰3%、煤氣化粗渣25%。郭磊等[24]利用氣化粗渣、細渣制出了高模量瀝青混凝土材料，發(fā)現(xiàn)氣化渣富含石墨相，與瀝青兼容性較好，提高了瀝青與集料的粘附性，同時由于氣化渣疏松多孔，瀝青組分及高聚物組分滲入其中，提高了瀝青膠漿的彈性和剛度模量，可有效抑制路面車轍的產生。

3.2 制備免燒制品

免燒制品是以粉煤灰、煤矸石、工業(yè)廢渣、天然砂等為主要原料，不經(jīng)高溫燒結，由水合反應制作的硅酸鹽制品，包括免燒磚、砌塊、墻板、骨料等。免燒品的制備工藝流程包括配料、攪拌、消化、成型、養(yǎng)護，養(yǎng)護方式可分為自然、蒸汽、蒸壓3種方式。氣化渣免燒制品技術是將氣化渣溶于生石灰提供的堿性環(huán)境中，激發(fā)SiO2、Al2O3潛在活性。在OH-的作用下，氣化渣顆粒表面的玻璃態(tài)結構解體，Si—O、Al—O鍵斷裂，溶出活性Si2+、Al3+，與Ca2+結合生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁等膠凝產物。CaSO4的加入使氣化渣硫酸鹽雙重激發(fā)，除了生成水化硅酸鹽外，還生成水化硫鋁酸鹽，氣化渣的活性進一步激發(fā)[25]。水化物靠多種引力相互搭接，從而形成制品的強度，主要反應見文獻[26]。

JC/T409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》要求粉煤灰燒失量質量分數(shù)≤8%、SiO2質量分數(shù)≥40%、SO3質量分數(shù)≤2%，參照此標準，氣化渣的添加量受到限制。免燒制品強度與養(yǎng)護制度、水泥的添加量有很大關系。制品強度與養(yǎng)護方式的關系為：蒸壓>蒸養(yǎng)>自然養(yǎng)護；與水泥添加量的關系為：水泥添加量越大則強度越大，同時造成密度增大。因此，免燒制品相比燒結制品普遍存在密度大、吸水量大、強度及耐久性差等問題。但由于其不用燒結，具有生產工藝簡單、成本低、無煙氣污染物排放等特定，具有一定的競爭優(yōu)勢。章麗萍等[27]以質量分數(shù)35.6%碎煤加壓氣化粗渣、32.4%熱動力爐渣、14%除塵灰、8%石灰、4%石膏、6%水泥為原料，通過攪拌、陳化、二次混煉、成型、100 ℃蒸汽養(yǎng)護18 h，制備了密度為1.76 ×103kg/m3、吸水率14%、抗壓強度22.25 MPa的免燒磚，符合JC/T 422—2007《非燒結磚垃圾尾礦磚》標準。黃巍等[28]同樣利用煤間接液化氣化渣、熱動力爐渣、除塵灰、水泥、生石灰、石膏為原料，制成了滲水磚，以解決城市步行街、廣場降水不能順暢滲透到地底的問題。李國友[29]用魯奇氣化粗渣代替濕排粉煤灰，添加水泥、礦渣生產輕質隔墻板，得出最優(yōu)配比為水泥:氣化粗渣(0～3 mm)：氣化渣粉(球磨):低品質礦渣=0.8∶0.2∶0.5∶2.0，性能滿足GB/T 23451—2009《建筑用輕質隔墻條板》的要求。

3.3 制備硅酸鹽水泥

硅酸鹽水泥熟料是以含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3為主要成分的物質為原料，按適當比例磨成細粉，煅燒至部分熔融，形成以硅酸鈣為主的水硬性膠凝物質。硅酸鹽水泥熟料加適量石膏共同磨細后，即得到硅酸鹽水泥。氣化渣滿足熟料生產所需化學成分要求，同時多數(shù)細渣可提供(800～2 000)×4.18 kJ/kg的熱量，能夠降低熟料煅燒過程的煤耗。目前，該技術是氣化渣資源化利用主要方式之一。GB/T 21372—2008《硅酸鹽水泥熟料標準》中規(guī)定(2CaO·SiO2+3CaO·SiO2)質量分數(shù)≥66%、CaO/SiO2≥2.0，GB/T2847—2005《用于水泥中的火山灰質混合材料》中規(guī)定燒失量質量分數(shù)不得大于10%，因此氣化渣只能作為石灰石和黏土等原料的摻混料使用。袁蝴蝶等[30]以Texaco氣化粗渣、石灰石、黏土和鐵粉為原料制備硅酸鹽水泥熟料。結果表明：①制備的水泥熟料主要礦相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵酸鈣；②當黏土質量分數(shù)為5%、粗渣質量分數(shù)28.2%、石灰石質量分數(shù)65%，煅燒溫度1 450 ℃時，可得到C42.5水泥。楊超等[31]以生料分解率、煤耗、30 d強度為研究對象，驗證了氣化細渣對熟料質量的影響。結果表明，在兩檔短窯上應用時，氣化細渣最佳摻量為4%左右，生料的易燒性明顯得到提高，熟料的煤耗降低9.750 kg以上，30 d強度提高1.1 MPa以上，提高了熟料質量。

3.4 制備燒結磚和陶粒

燒結磚和陶粒是利用黏土、頁巖、煤矸石、粉煤灰、污泥等無機材料經(jīng)混料、成型、燒結而成，主要用于建筑物承重部位，陶粒的直徑為5～25 mm。制備燒結磚及陶粒是利用氣化渣中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性成分，在1 100～1 200 ℃高溫環(huán)境下，使其形成鈣長石、莫來石、石英、方石英等骨架及液相成分，賦予制品強度。由于氣化渣中殘?zhí)己虵e2O3在燒結過程中可釋放氣體，形成氣孔，降低制品的密度，還可以充分利用氣化爐渣中殘?zhí)紵崃?。與其他原料相比具有一定的膨脹性與降低能耗的作用。產氣反應主要見文獻[32-33]。GB/T 5101—2017《燒結普通磚》、GB/T 17431—2010《輕集料及其試驗方法》中對燒結磚及陶粒強度進行了分類與規(guī)范，由于氣化渣中SiO2、Al2O3含量低，添加過多會減少鈣長石、莫來石骨架成分的形成，影響燒結磚或陶粒的強度。研究發(fā)現(xiàn)，要得到質量較好的燒結制品，原料中必須添加高硅鋁成分，同時加入黏結劑、造孔劑等外加劑，達到降低密度、提高強度的目的。

馮銀平[34]利用質量分數(shù)35%德士古氣化爐渣(粗渣∶細渣=2∶1)、20%黏土、2%促凝劑水泥，采用擠出成型、焙燒法制備了輕質隔熱墻體材料，試樣的礦物相為鈣長石、莫來石、石英和赤鐵礦。方斌正等[35]利用粉煤灰、氣化渣及外加劑，通過混料、造粒、烘干、燒結等工序制作了燒結陶粒，陶粒堆積密度≤700 kg/m3，筒壓強度可達10 MPa以上。其中，粉煤灰用量40%～90%，氣化渣顆粒用量10%～30%，外加劑為鉀長石、鈉長石、半焦、碳化硅等。尹洪峰等[7]按實際生產中排出比例將Texaco粗渣和細渣混合后磨細至180目，與黏土按7∶3比例混合，加入10%紙漿廢液作為粘結劑，制備MU7.5以上建筑用磚。燒成試樣與一般黏土磚相比具有體積密度低和氣孔率高的特點，可作為保溫性能優(yōu)良的墻體材料。

3.5 循環(huán)流化床摻燒

殘?zhí)己扛咔伊皆诤线m范圍內的氣化爐渣可以考慮循環(huán)流化床鍋爐摻燒。晁岳建等[36]進行了氣化渣與煤泥摻混流變性試驗，結果表明氣化爐渣與煤泥質量比1∶1混合制成水分30% ± 2%的漿料可以通過煤泥泵進行輸送，摻混后燃料的發(fā)熱量可滿足鍋爐設計要求，對鍋爐效率及穩(wěn)定運行基本無影響。王偉等[37]將氣化爐渣、煤泥、白泥以一定比例混合，采用煤泥管道輸送至流態(tài)化鍋爐燃燒，不僅解決了氣化爐渣、白泥等的固廢利用問題，而且利用白泥石灰石含量高、顆粒細、活性高的特點可極大提高鍋爐脫硫效率，環(huán)境效益顯著。高繼光[38]利用德士古氣化爐細渣代替中煤，按照在用180 t/h循環(huán)流化床鍋爐設計比例進行摻燒，鍋爐可穩(wěn)定運行，燃燒后的低碳爐渣可以作為建材、道路橋梁的摻混原料。目前，部分企業(yè)利用該技術進行氣化爐渣處置，氣化細渣含碳量高于粗渣，更適合作為摻燒原料。濕法排放粗渣、細渣含水率普遍達到40%～60%，即使是含碳較高的細渣，殘?zhí)假|量分數(shù)通常在10%～30%(不包括Shell、SE氣化爐黑水濾餅)，收到基發(fā)熱量低于鍋爐入料最低熱值14.64 MJ/kg[39]，作為燃料摻燒，其環(huán)境效益大于經(jīng)濟效益。

3.6 在廢水處理中的應用

氣化爐渣在廢水處理中的應用可以分為2類：①是以氣化爐渣為原料，經(jīng)過燒結、化學法制成硅基多孔材料進行吸附，②是直接利用氣化爐渣中多孔殘?zhí)碱w粒進行吸附。由于成本低、吸附效果明顯，氣化爐渣被用作廢水處理材料并逐漸受到關注。趙永彬等[40]以寧煤集團氣化粗渣為主要原料，采用模壓成型、高溫燒結工藝制作多孔陶瓷，在燒結溫度1 100 ℃時性能最優(yōu)，孔隙率為49.2%，平均孔徑為5.96 μm，抗彎強度8.96 MPa。該陶瓷具有高強度、高通量以及低成本特性，可應用于高溫氣體過濾和污水處理中。李辰晨[41]將氣化爐渣進行酸浸得到酸浸殘渣，殘渣中的SiO2經(jīng)堿溶處理后進入液相并通過溶膠-凝膠工藝，以十六烷基三甲基溴化銨為模板劑，可合成超大比表面積(1 347 m2/g)和較大孔容(0.83 cm3/g)的有序介孔硅基材料。改性后的介孔硅基材料在重金屬吸附中具有很強的競爭力。劉冬雪等[42]采用浮選法對煤氣化爐渣中的殘?zhí)歼M行富集，以浮選精碳為前驅體、KOH為活化劑制備活性碳，該活性碳比表面積為1 226.8 m2/g，孔容為0.694 cm3/g，孔隙分布以微孔和中孔為主，碘和亞甲藍吸附值分別為1 292 mg/g和278 mg/g。 凌琪等[43]考察了投加氣化爐渣對動態(tài)膜生物反應器處理印染廢水以及對污泥性能的影響，試驗表明，投加氣化渣后，COD、NH3—N、TN、TP、色度的平均去除率分別增加了6.12%、9.21%、8.14%、2.89%、6.0%。胡俊陽等[44]同樣利用浮選獲得了精碳，并對精碳進行甲基橙吸附試驗，當精碳添加量為0.2%、初始質量濃度為60 mg/L、處理時間為60 min時，甲基橙的去除率為97.90%。

3.7 其他高附加值利用

尹洪峰等[7]將Texaco氣化爐渣球磨后與碳黑混合,以紙漿廢液為粘結劑，壓制成40 mm×40 mm試樣，經(jīng)過干燥、碳熱還原氮化，合成了主要成分為Ca-α-sialon和β-sialon的粉體。魏召召[45]以氣化渣為主，摻配秸稈/木材、紅糖/白糖、黏土、有機肥發(fā)酵劑/發(fā)酵菌、氮磷鉀混合物，采用發(fā)酵的方法制成了有機肥。有價元素高含量的氣化爐渣，可以提取有價元素，例如Al2O3質量分數(shù)高于40%的高鋁氣化爐渣，可以提取鋁元素(在我國鋁土礦等級劃分中，Al2O3質量分數(shù)達 40% 即歸入三級鋁土礦。因此，粉煤灰中Al2O3質量分數(shù)高于 40% 既是高鋁粉煤灰，也是寶貴的再生含鋁礦物資源[46])。目前，高附加值利用技術多處于試驗研究階段，成本、處理量、二次廢棄物等問題成為工業(yè)化應用的難點。

4 氣化爐渣綜合利用技術展望

固體廢棄物資源化利用可以分為高附加值產品、大規(guī)模消納2種類型，通常高附加值產品利用量較小，而大規(guī)模消納產品附加值較低，完善的固廢利用體系是二者的相互搭配、結合，因此氣化渣綜合利用的研究同樣圍繞該規(guī)律進行。另外，趙旭等[47]提出氣化飛灰精準分離利用方案，認為應加強3個方面的研究：①研究氣化飛灰中水的賦存狀態(tài)，尋求適合飛灰的脫水技術；②實現(xiàn)殘?zhí)己筒Ａw的高效分離；③殘?zhí)?、玻璃體分級利用。由于環(huán)保壓力的增大，固廢處理問題日趨嚴峻，尋求因地制宜、適合市場的氣化爐渣利用方案是當務之急，下面介紹2種具有較高研究應用價值的利用方式。

4.1 燒結陶粒

陶粒具有孔隙發(fā)達、密度低、強度高、抗凍融、保溫好等諸多優(yōu)點，可廣泛應用于建材、園藝、食品、石油等領域，且領域還在拓展。國內進行了利用氣化爐渣燒結陶粒的試驗，但一直未實現(xiàn)工業(yè)化生產，主要是變受氣化爐渣高含水及火山灰活性成分低等性質影響。氣化爐渣中主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3，因此可作為燒制陶粒的原料。另外，氣化爐渣中含有殘?zhí)?，一方面可以利用其熱量降低能耗，另一方面可以在燒制過程中形成氣孔，提高陶粒的孔隙率、降低密度。但是因為氣化爐渣SiO2、Al2O3、Fe2O3含量低、殘?zhí)几?，因此只能作為摻料使用，添加量通常不大?0%，否則會影響陶粒強度。隨著砂石資源的日益緊缺，陶粒市場前景日益顯現(xiàn)，陶粒的性能優(yōu)越、應用范圍廣，其市場需求量不斷增大、價格持續(xù)攀升，因此利用氣化爐渣燒結陶粒是潛力巨大的高附加值建材化利用方式。

4.2 作為吸附劑使用

圖1為四噴嘴水煤漿氣化爐渣的掃描電耗，表5為其比表面積測試結果[17]。由此可知，殘?zhí)季呤杷啥嗫?、孔隙發(fā)達、比表面積大等特點。在煤氣化過程中，大量氣體從煤顆粒中逸出，使爐渣內部形成豐富的氣體甬道。多孔殘?zhí)嫉拇嬖谑箽饣哂泻突钚蕴碱愃频男阅埽虼丝捎闷鋵ξ廴疚镞M行物理吸附、化學吸附和交換吸附。另外，氣化渣具有一些活性基團，還含有部分CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3等堿性氧化物，因此爐渣對酸性氣體SO2、NOx也有一定物理吸附和化學吸附能力。氣化爐渣作為廉價、有效的吸附凈化劑，可用來處理廢水、煙氣、廢氣，能夠實現(xiàn)以廢治廢、大幅降低處理成本的目的，極具研究推廣價值。目前氣化爐渣用于廢水處理的研究逐漸增多，但煙氣處理方面還相對較少，而研究表明活性焦脫硫、聯(lián)合脫硫脫硝技術具有一定的可行性，因此可參照活性焦開展氣化爐渣煙氣凈化工藝的研究。

圖1 氣化渣掃描電鏡圖[17]Fig.1 SEM illustrations of gasification residues [17]

表5 氣化渣比表面積測試結果[17]

5 結 語

煤氣化爐渣的礦物組成為無定形體和礦物晶體。無定形體含量高，主要為殘?zhí)己筒Ａw，礦物晶體含量較少，以石英、方石英、莫來石、鈣長石、FeS、石膏為主?；瘜W成分主要為SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3。煤氣化爐渣的利用技術多處于試驗階段，實際應用中存在利用率低、工藝不成熟、產品單一、附加值低等諸多問題。目前大多氣化渣(粗細)均是摻混使用，建材化利用和循環(huán)流化床鍋爐摻燒是煤氣化爐渣利用的主要途徑。氣化爐渣的SiO2、Fe2O3、Al2O3含量低、殘?zhí)几摺⒑扛?，同時受氣化爐工況影響成分不穩(wěn)定，制約了其資源化利用。燒結陶粒和作為吸附劑處理廢氣、廢水是氣化爐渣高附加值綜合利用的途徑。