煤氣化細(xì)渣的資源化綜合利用技術(shù)研究進(jìn)展

史兆臣，戴高峰，王學(xué)斌*，董永勝，李攀，于偉，譚厚章

（1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安710049；2.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東煙臺(tái)264006；3.鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州450001；4.西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，西安710054）

0 引言

煤氣化工藝是現(xiàn)代煤化工的前段支柱產(chǎn)業(yè)，是煤炭清潔、高效利用的主要途徑，煤氣化工藝是讓煤在氧氣不足的情況下進(jìn)行部分氧化，使煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為H2，CO 和CH4等可燃?xì)怏w，以煤在高溫下制取合成氣，以合成氣為原料制甲醇、合成油、天然氣等產(chǎn)品，同時(shí)副產(chǎn)蒸汽、焦油、灰渣等副產(chǎn)品［1］。煤氣化技術(shù)種類繁多，大致可以分為以下3類：氣流床氣化工藝、流化床氣化工藝、固定（移動(dòng)）床加壓工藝［2］；同時(shí)煤炭地下氣化技術(shù)因其高效、環(huán)保、安全的優(yōu)勢(shì)成為煤氣化的新手段［3］。

氣化細(xì)渣的產(chǎn)量巨大，目前多通過(guò)填埋方式進(jìn)行處理，不但造成資源浪費(fèi)、占用大量土地，而且其中Pb，Be，As 和Se 發(fā)生了明顯的富集［4-5］，含有重金屬的滲濾液滲漏也會(huì)造成土壤和水體污染［6-7］，采用經(jīng)濟(jì)環(huán)保高效的方式處理氣化細(xì)渣，減輕其對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)回收其中的能量、實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用，是目前亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)氣化細(xì)渣的物理化學(xué)特性進(jìn)行了深入研究，氣化細(xì)渣的主要特點(diǎn)為含碳量較高，文獻(xiàn)［8-10］指出氣化細(xì)渣中未燃盡碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)57.40%，具有豐富的熱量?jī)r(jià)值；灰分中SiO2和Al2O3的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.54%，具有較高的硅鋁源利用價(jià)值；比表面積較大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積可達(dá)258.29 m2/g。

本文基于氣化細(xì)渣樣品成分、粒徑分布、微觀形貌等基本特性，結(jié)合氣化細(xì)渣含碳量高、灰中硅鋁含量高、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，總結(jié)了氣化細(xì)渣的浮選分離技術(shù)、在現(xiàn)有燃燒設(shè)備內(nèi)摻燒、用于土壤改良、合成及制備材料、水處理工藝等利用方式的技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景做出分析和建議。

1 氣化細(xì)渣的特性

氣化爐產(chǎn)生的氣化灰渣可分為2 類，一種在爐底直接排放稱為粗渣；另一種以飛灰形式隨煙氣排出，通過(guò)除渣工藝脫離稱為細(xì)渣，氣化細(xì)渣產(chǎn)生的工藝流程如圖1所示。氣化粗渣的成分與鍋爐灰渣相似，可以同鍋爐灰渣一并利用，作為建材、道路橋梁等摻混原料；氣化細(xì)渣的燒失量大，根據(jù)GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不能直接用作建筑、道路材料。

圖1 氣化細(xì)渣產(chǎn)生的工藝流程Fig.1 Production process of gasification fine slag

1.1 組分分析

不同種類氣化細(xì)渣樣品各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見

1.2 粒徑分布

將4 種典型氣化細(xì)渣的粒徑分布進(jìn)行匯總，如圖2 所示，由圖2 可見氣化細(xì)渣的粒徑分布曲線大致為單峰分布，受爐型、操作等因素影響，4 種氣化細(xì)渣粒徑分布曲線的峰值有較小波動(dòng)，但顆粒粒徑主要集中在10～180 μm附近。

1.3 微觀形貌

氣化細(xì)渣中含有較多的殘余碳，肉眼觀察呈黑灰色粉末狀。表2 是3 種不同氣化細(xì)渣樣品的微觀形貌，在氣化細(xì)渣的放大電鏡圖片中可以觀察到2種不同形態(tài)的顆粒物，分別是多孔不規(guī)則形狀顆粒和不同大小的球形微顆粒，不規(guī)則多孔顆粒主要是氣化過(guò)程中煤焦發(fā)生膨脹和破碎形成的焦炭顆粒；球形微顆粒則是由于氣化過(guò)程中的高溫環(huán)境使得煤中的礦物質(zhì)熔融，由于表面能的存在，表面發(fā)生收縮，激冷后呈現(xiàn)球狀。對(duì)球形微顆粒進(jìn)行能譜分析［19］，發(fā)現(xiàn)小球的礦物質(zhì)組成主要為硅和鋁元素。

表1 不同種類氣化細(xì)渣樣品各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Composites of various gasification fine slag samples %

圖2 氣化細(xì)渣粒徑分布圖［17-18］Fig.2 Particle size distribution of gasification fine slag［17-18］

由表2中微觀形貌可以清楚地看到氣化細(xì)渣表面具有大量密集分布的微小孔隙，能初步反映出氣化細(xì)渣具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。匯總不同種類氣化細(xì)渣的孔隙結(jié)構(gòu)參見表3，因煤種和爐型等因素影響，氣化細(xì)渣比表面積存在一定變化，但均大于100 m2/g，比表面積較大；同時(shí)孔容積均達(dá)到了0.14 cm3/g 以上，證實(shí)氣化細(xì)渣具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。

2 氣化細(xì)渣利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

結(jié)合氣化細(xì)渣含碳量高、硅鋁含量高、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，發(fā)展出的氣化細(xì)渣資源化利用方式可分為高含碳?xì)饣?xì)渣的浮選分離技術(shù)、在現(xiàn)有燃燒設(shè)備內(nèi)摻燒、用于土壤改良、合成及制備材料、用于水處理工藝。氣化細(xì)渣特性及對(duì)應(yīng)的資源化利用方式如圖3 所示。其中，通過(guò)浮選分離技術(shù)得到的高含碳碳粉可直接用于燃燒設(shè)備的摻燒原料，或制備活性炭；得到的低含碳灰粉可以用于制備復(fù)合材料、水處理材料等高附加值利用方式，從而實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣的分級(jí)化利用。

圖3 氣化細(xì)渣特性及對(duì)應(yīng)的資源化利用方式Fig.3 Characteristics of gasification fine slag and its resource utilization methods

2.1 高含碳?xì)饣?xì)渣的浮選分離技術(shù)

浮選作為選別富集礦物的重要手段，廣泛應(yīng)用于細(xì)粒級(jí)金屬礦、非金屬礦，以及煤的分選加工中?，F(xiàn)有的摻燒利用方式多將氣化細(xì)渣低比例摻混入燃料后直接進(jìn)入燃燒設(shè)備摻燒，氣化細(xì)渣的摻燒比例較低。若能將氣化細(xì)渣進(jìn)行浮選得到含碳量更高的產(chǎn)品會(huì)對(duì)提高摻燒比例產(chǎn)生積極影響。

文獻(xiàn)［20］提出先將氣化細(xì)渣分離得到低碳粉煤灰和低熱值碳粉后再分別利用的方法，為氣化細(xì)渣的浮選碳富集提供了應(yīng)用思路。但是，有研究指出煤在經(jīng)過(guò)高溫氧化燃燒以后，未燃盡的有機(jī)質(zhì)顆粒表面物化性質(zhì)發(fā)生了較大的變化，失去了50%以上的脂肪鏈結(jié)構(gòu)，揮發(fā)分經(jīng)高溫后基本脫除，表面氧化嚴(yán)重，導(dǎo)致灰渣中大量未燃碳顆粒的可浮性比入料原煤的差，增大了浮選的難度［10］。文獻(xiàn)［21］通過(guò)對(duì)氣化細(xì)渣的粒度、表面形貌、表面官能團(tuán)及濕潤(rùn)熱的分析，發(fā)現(xiàn)氣化細(xì)渣的表面雖然氧化嚴(yán)重但仍具有一定的疏水性，認(rèn)為采用浮選方法實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣中未燃碳與灰渣的分離和提純具有可行性。同時(shí)，文獻(xiàn)［22-23］指出氣化細(xì)渣的礦物組成和潤(rùn)濕性能與粉煤灰的指標(biāo)相似，粉煤灰浮選已經(jīng)工業(yè)化，氣化細(xì)渣也具有浮選脫碳的可行性。文獻(xiàn)［24-25］通過(guò)元素表征分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑大于75 μm 時(shí)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，甚至大于80%；并采用泡沫浮選動(dòng)力學(xué)工藝對(duì)氣化細(xì)渣進(jìn)行改質(zhì)，有效地去除殘?zhí)急砻婧涂紫吨械幕翌w粒，提高殘?zhí)嫉幕钚?，浮選殘?zhí)嫉幕厥章蕿?2.65%，氣化細(xì)渣的熱值由6.22 MJ/kg提高到19.48 MJ/kg。

表2 氣化細(xì)渣樣品的微觀形貌Tab.2 Microstructures of gasification fine slag samples

表3 不同種類氣化細(xì)渣的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Pore structure parameters of different types of gasification fine slag

通過(guò)浮選脫碳得到的碳粉可直接用作燃燒設(shè)備的摻燒原料，相比于直接摻燒氣化細(xì)渣的方式提高了氣化細(xì)渣的摻燒比例；得到的灰粉可以用于建材、道路橋梁工程，或制備復(fù)合材料、水處理材料等高附加值材料，實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)渣的分級(jí)高值化利用。對(duì)于不同的煤種和氣化工藝，氣化細(xì)渣的特性亦會(huì)發(fā)生變化，選擇合適的浮選方案是實(shí)現(xiàn)高效浮選的前提和保證。現(xiàn)階段浮選脫碳優(yōu)化利用技術(shù)多處于試驗(yàn)階段，缺少規(guī)模化利用的經(jīng)驗(yàn)借鑒，浮選過(guò)程中的設(shè)備、浮選藥劑、人工成本等方面的耗資與浮選碳富集取得的經(jīng)濟(jì)效益有待進(jìn)一步核算。

2.2 氣化細(xì)渣在現(xiàn)有燃燒設(shè)備內(nèi)摻燒

氣化細(xì)渣的燒失量通常為20%～30%，根據(jù)GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用于混凝土摻和料的粉煤灰燒失量Ⅲ級(jí)要求為燒失量小于15.0%，因此氣化細(xì)渣不能應(yīng)用于水泥或混凝土工業(yè)中。同時(shí)氣化細(xì)渣熱值一般在8.37 MJ/kg 左右，低于循環(huán)流化床鍋爐入料最低熱值14.64 MJ/kg 的要求［26］，因此也無(wú)法直接單獨(dú)燃燒，需要與煤摻燒。經(jīng)摻燒后既可以利用氣化細(xì)渣中殘?zhí)嫉臒崃浚€可以實(shí)現(xiàn)灰渣減容、降低灰渣處理成本，并且摻燒后的灰渣符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接用作建筑、道路材料。文獻(xiàn)［17］指出氣化細(xì)渣和燃料煤摻燒呈現(xiàn)顯著的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)，氣化細(xì)渣與燃料煤摻燒可改進(jìn)混煤的總體著火和燃盡特性，為氣化細(xì)渣的摻燒提供了依據(jù)。

2.2.1 摻燒技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

文獻(xiàn)［27］提出了循環(huán)流化床鍋爐摻燒干氣化細(xì)渣的工藝流程，經(jīng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)基本保證了鍋爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行，年節(jié)約煤耗937.6 t。文獻(xiàn)［28］對(duì)氣流床以質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.7%的比例摻燒濕氣化細(xì)渣進(jìn)行了物料熱量衡算及經(jīng)濟(jì)性分析，此方案1 年可節(jié)約5.3 萬(wàn)t 燃料煤?，F(xiàn)有燃燒設(shè)備摻燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益核算因標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、氣化細(xì)渣特性（如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等）不一致等方面的影響，其經(jīng)濟(jì)效益核算的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步核實(shí)，但考慮到環(huán)保效益方面的積極影響，現(xiàn)有燃燒設(shè)備摻燒氣化細(xì)渣具有一定價(jià)值。

根據(jù)氣化細(xì)渣的特點(diǎn)，有許多學(xué)者提出改進(jìn)了氣化細(xì)渣的摻燒工藝。文獻(xiàn)［29］提出的氣化殘?zhí)咳紵夹g(shù)為干氣化細(xì)渣摻燒利用提供了指導(dǎo)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化，延長(zhǎng)顆粒反應(yīng)時(shí)間，經(jīng)返料腿加料實(shí)現(xiàn)燃料預(yù)熱的同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)燃料在爐內(nèi)高溫區(qū)的停留時(shí)間；試驗(yàn)可將氣化細(xì)渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從40.00%降至0.88%，燃燒效率達(dá)到98.60%，工業(yè)規(guī)模燃燒穩(wěn)定，燃燒效率達(dá)到99.18%。文獻(xiàn)［30］提出一種濕氣化細(xì)渣（含水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～60%）送入循環(huán)流化床鍋爐中摻燒的改造方案。氣化細(xì)渣摻燒前處理流程如圖4 所示。經(jīng)運(yùn)行證明，該改造方法最大摻燒比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)30%，能夠減輕磨損，延長(zhǎng)鍋爐壽命，大比例摻燒后鍋爐整體運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 氣化細(xì)渣摻燒前處理流程［30］Fig.4 Process of the pre-treatment for gasification fine slag before co-combustion［30］

此類創(chuàng)新技術(shù)在現(xiàn)有燃燒設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)、工藝流程的優(yōu)化，以提高燃燒效率、增大摻燒比例，在試驗(yàn)驗(yàn)證中均取得了預(yù)期效果，但由于廠區(qū)實(shí)際生產(chǎn)因素的影響對(duì)于其經(jīng)濟(jì)效益有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.2 氣化細(xì)渣摻燒可行性研究

現(xiàn)有工藝通過(guò)與燃料煤在循環(huán)流化床鍋爐低比例摻燒，降低氣化細(xì)渣含碳量后再利用；但考慮到分選設(shè)備投資成本、電能損耗、人工運(yùn)行成本等費(fèi)用的投入，其綜合經(jīng)濟(jì)效益有待準(zhǔn)確核算［31-34］。現(xiàn)有的氣化細(xì)渣鍋爐摻燒技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)證基本能保證鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，對(duì)鍋爐的發(fā)熱量起到了積極影響；但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中氣化細(xì)渣含水量高、生成量大，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)摻燒會(huì)對(duì)鍋爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性、鍋爐燃燒效率產(chǎn)生的負(fù)面影響有待驗(yàn)證；文獻(xiàn)［35］指出可通過(guò)在鍋爐設(shè)計(jì)選型時(shí)采用瘦長(zhǎng)爐身，調(diào)整受熱面布置比例，適當(dāng)增加受熱面，采取相應(yīng)防磨措施來(lái)優(yōu)化摻燒氣化細(xì)渣的工藝方案緩解上述問(wèn)題。

目前煤化工行業(yè)工廠配套的循環(huán)流化床鍋爐居多，因此現(xiàn)有氣化細(xì)渣摻燒利用基本集中在循環(huán)流化床鍋爐摻燒，不同的鍋爐運(yùn)行狀態(tài)及氣化細(xì)渣本身含碳量、水分的高低會(huì)對(duì)摻燒比例及燃燒效率產(chǎn)生不同的影響。作者所在課題組通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定（如圖5 所示），在爐溫850 ℃、出口氧氣的體積分?jǐn)?shù)為10.50%下，流化數(shù)（流化數(shù)=流化速度/臨界流化速度）為3.0 時(shí)，爐內(nèi)停留時(shí)間為7.78 s，測(cè)得的氣化細(xì)渣飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.41%；當(dāng)流化數(shù)為4.5 時(shí)，爐內(nèi)停留時(shí)間為5.19 s，測(cè)得氣化細(xì)渣飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)33.29%；由此推斷，在爐內(nèi)停留時(shí)間為5～7 s、爐溫850 ℃左右的工業(yè)流化床鍋爐摻燒時(shí)，高濕氣化細(xì)渣燃燒后的飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，燃盡率很低，燃燒效果不理想，初步推斷無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效焚燒處理的目的。本課題組研究了氣化細(xì)渣摻燒比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、給料量、一二次風(fēng)配比、床層溫度對(duì)氣化細(xì)渣飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳轉(zhuǎn)化率的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。由表4中數(shù)據(jù)可知：不同試驗(yàn)條件下，氣化細(xì)渣碳轉(zhuǎn)化率基本在低水平范圍5.89%～7.19%；本試驗(yàn)所有工況中，在氣化細(xì)渣摻燒比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為15%，出口氧氣的體積分?jǐn)?shù)為9.00%，一二次風(fēng)配比為2.33，床層溫度為850 ℃時(shí)，細(xì)渣碳轉(zhuǎn)化率最高為14.28%，但仍是較低的碳轉(zhuǎn)化率。由于氣化細(xì)渣粒徑太小，與煤的粒徑相差過(guò)大，摻燒過(guò)程中在爐膛內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短難以完全燃燒，故而碳轉(zhuǎn)化率低。結(jié)合以上試驗(yàn)得出結(jié)論：常規(guī)的循環(huán)流化床運(yùn)行條件下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高濕并且粒徑很細(xì)的氣化細(xì)渣的高效燃盡。

圖5 在爐溫850 ℃、出口氧氣體積分?jǐn)?shù)10.5%的條件下流化數(shù)對(duì)氣化細(xì)渣燃燒時(shí)飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of fluidization number on the unburned carbon content（mass fraction）in fly ash of gasification fine slag with 850 ℃furnacetemperature and 10.5%oxygen volume fraction at the outlet

表4 試驗(yàn)條件變化對(duì)氣化細(xì)渣碳轉(zhuǎn)化率的影響Tab.4 Effects of experimental conditions on carbon conversion rate of gasification fine slag

在小型電加熱沉降爐上開展不同溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的氣化細(xì)渣的燃盡特性試驗(yàn)，以此模擬煤粉爐中的燃燒情況，結(jié)果見表5。由表5 可見，當(dāng)溫度為1 300 ℃時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)大于10%即可達(dá)到較好的燃盡效果，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)基本實(shí)現(xiàn)完全燃盡；當(dāng)在氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%的空氣氣氛下，溫度高于900 ℃時(shí)殘?zhí)紟缀跬耆急M。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證充足的氧氣的情況下，氣化細(xì)渣在煤粉爐中是可以充分燃燒的，驗(yàn)證了將干燥后的氣化細(xì)渣用于煤粉爐燃燒是有可行性的。

表5 不同溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下氣化細(xì)渣飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.5 Unburned carbon content in fly ash of gasification fine slag at different temperature and oxygen volume fraction

2.3 氣化細(xì)渣用于土壤改良

現(xiàn)有將氣化細(xì)渣用于土壤改良的應(yīng)用包括作為土壤調(diào)節(jié)劑、生產(chǎn)硅肥原料、制備種植砂等。利用氣化細(xì)渣硅鋁含量高、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)較大面積的鹽堿地、沙化土地進(jìn)行土壤改良，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證或?qū)嶋H種植情況均達(dá)到了較理想效果，為氣化細(xì)渣資源化應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提供了技術(shù)指導(dǎo)。

2.3.1 作為土壤調(diào)節(jié)劑

文獻(xiàn)［36］利用氣化細(xì)渣含有較為豐富的鈣鎂等元素的特點(diǎn)，制備了改良土壤理化性狀的土壤調(diào)理劑，施用組有機(jī)質(zhì)、磷、氮含量均明顯增加，有效提高了土壤的保肥能力。文獻(xiàn)［37］利用氣化細(xì)渣改善土壤物理性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)狀況，利用氣化細(xì)渣呈多孔結(jié)構(gòu)、比表面積高等特點(diǎn)負(fù)載有機(jī)菌肥，持續(xù)生產(chǎn)活性腐殖酸，當(dāng)年種植水稻產(chǎn)750 kg/hm2，增產(chǎn)90%以上。文獻(xiàn)［38］探討了氣化細(xì)渣作為堿性沙地土壤改良劑的可行性，種植試驗(yàn)表明當(dāng)施用肥料中氣化細(xì)渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，土壤容重降低、土壤保水能力提高，并顯著提高了玉米和小麥的發(fā)芽率，如圖6 所示。文獻(xiàn)［39］認(rèn)為氣化細(xì)渣比表面積大、孔徑分布寬的特點(diǎn)使其具有儲(chǔ)存和釋放腐殖酸的潛力，試驗(yàn)結(jié)果表明氣化細(xì)渣吸附能力優(yōu)于其他傳統(tǒng)吸附材料，是良好的腐殖酸儲(chǔ)存和釋放介質(zhì)，有望成為一種用于土壤改良的低成本、高效的腐殖酸緩釋劑。

圖6 氣化細(xì)渣施用量對(duì)玉米和小麥發(fā)芽率的影響［38］Fig.6 Effect of doses of gasification fine slag on germination rate of maize and wheat［38］

2.3.2 作為生產(chǎn)硅肥原料

文獻(xiàn)［40］分析了不同物理和化學(xué)處理方式對(duì)氣化細(xì)渣樣品的可萃取Si 質(zhì)量比的影響。結(jié)果表明，除煅燒處理外氣化細(xì)渣可浸出Si 質(zhì)量比穩(wěn)定在60±2 mg/kg，在相同的加工條件下，氣化細(xì)渣的可萃取硅質(zhì)量比高于其他硅源樣品；在溫室中以不同的氣化細(xì)渣摻入量進(jìn)行了120 d 的水稻生長(zhǎng)試驗(yàn)，測(cè)定水稻種植前后的土壤硅質(zhì)量比和水稻生長(zhǎng)照片，如圖7 所示。當(dāng)摻入量為5%時(shí)對(duì)水稻的生長(zhǎng)促進(jìn)作用顯著，相比于對(duì)照檢查組（CK）水稻莖部更粗壯、葉片更嫩綠，驗(yàn)證了氣化細(xì)渣作為硅肥來(lái)源的可行性。

圖7 種植前后土壤可溶性Si的質(zhì)量比和不同處理組水稻生長(zhǎng)和莖部照片［40］Fig.7 Soluble Si mass ratios in soil before and after the planting，and the growth conditions and stem photos of rice in different treatment groups［40］

2.3.3 制備種植砂

文獻(xiàn)［41］將氣化細(xì)渣、玻璃粉、增塑劑、減水劑、水混合均勻，在600～900 ℃溫度下燒制成種植砂；氣化細(xì)渣自身含碳量較高，本身可作為造孔劑，提高種植砂的孔隙率，破碎率低、保水性能好、植物生長(zhǎng)狀況良好。此方法降低了種植砂的原料成本，適用于無(wú)土栽培基質(zhì)、普通種植材料、沙漠治理等領(lǐng)域，為氣化細(xì)渣提供了有效的回收利用途徑。

氣化細(xì)渣較小的粒徑、結(jié)構(gòu)上的多孔性和較為豐富的微量元素，可以更好地保證植物根部的正常呼吸并儲(chǔ)存一定的氣體、水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加入腐殖酸等物質(zhì)混合施用可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高土壤的保水保肥能力和土壤的透氣能力。我國(guó)西北地區(qū)較大面積的鹽堿地、沙化土地有待改善，氣化細(xì)渣用于土壤改良不僅有利于消納產(chǎn)量巨大的氣化細(xì)渣，還可以實(shí)現(xiàn)低成本增產(chǎn)增收、改善環(huán)境的附加經(jīng)濟(jì)效益，在氣化細(xì)渣高附加值資源化利用方面有較高的發(fā)展前景。

2.4 氣化細(xì)渣用于合成及制備材料

對(duì)于高產(chǎn)量固廢進(jìn)行資源化利用，利用氣化細(xì)渣含碳量高、硅鋁含量高等特點(diǎn)制備建筑材料、合成高附加值的復(fù)合材料尚處于試驗(yàn)推廣階段，大規(guī)模消納利用、大批量高附加值轉(zhuǎn)化尚缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，已有的研究可以為氣化細(xì)渣高效地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域提供指導(dǎo)。

2.4.1 制備建筑材料

文獻(xiàn)［42］發(fā)現(xiàn)粗渣和細(xì)渣中都含有較高的未燃碳，阻礙了它們作為水泥和混凝土添加劑的利用，有望通過(guò)簡(jiǎn)單的篩分降低細(xì)渣碳含量從而便于氣化細(xì)渣直接用于水泥和混凝土等建材的制備。文獻(xiàn)［16］提出將磨后細(xì)粉與黏土按質(zhì)量7∶3比例充分混合，加入10%紙漿廢液作為結(jié)合劑可以制備MU7.5 以上建筑用磚，因燒成試樣的體積密度低、氣孔率高，可望得到保溫性能好的墻體材料。文獻(xiàn)［43］指出氣化細(xì)渣的小粒徑和還原性，決定了氣化細(xì)渣可以作為一種有效的添加劑，在通常的燒制溫度下改善燒結(jié)過(guò)程，燒制的建筑陶瓷試件的燒結(jié)性能較好，吸水率、飽和系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度均比未加氣化細(xì)渣的標(biāo)準(zhǔn)件有所提高。

因氣化細(xì)渣燒失量過(guò)大，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且高的殘?zhí)己孔璧K氣化細(xì)渣與水泥或石灰之間的膠凝反應(yīng)［44］，不能直接用于制備建筑材料。通過(guò)采用將氣化細(xì)渣與其他原料混合后燒制的利用方式，節(jié)約了燒制燃料投入，降低了氣化細(xì)渣含碳量，滿足了建筑材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)渣資源化利用。文獻(xiàn)［45］通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行，在氣化細(xì)渣摻和量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為5%時(shí)，單位熟料節(jié)約煤耗在10.0 kg/t 左右，具有一定的節(jié)煤效果，可以替代部分原煤降低水泥生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)［46］提出將粉煤灰、氣化細(xì)渣、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、半焦等原料在1 120～1 200 ℃溫度燒制輕質(zhì)陶粒，利用氣化細(xì)渣本身含碳量較高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，在一定程度上降低能耗和陶粒密度。

2.4.2 合成高附加值復(fù)合材料

文獻(xiàn)［15］以氣化細(xì)渣為原料制備出一種高效、低成本的中孔樹脂除臭劑，試驗(yàn)表明其除臭效果是常見除臭劑的3 倍左右；且新型除臭劑揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）揮發(fā)量減少，熱穩(wěn)定性提高，力學(xué)性能優(yōu)于沸石等常見除臭材料。文獻(xiàn)［47］對(duì)氣化細(xì)渣球形微顆粒進(jìn)行了加工，用以代替CaCO3作為提升熱塑性材料ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）樹脂性能的填料，合成的復(fù)合材料具有較好的流動(dòng)性和加工能耗優(yōu)勢(shì)。利用氣化細(xì)渣代替CaCO3作為新型橡膠填料，研究表明，隨著氣化細(xì)渣粒徑的減小，材料的力學(xué)性能得到改善，氣化細(xì)渣中的未燃碳使材料的固化性能、力學(xué)性能和分散性能得到改善，提高了填料與基體的相容性，具有替代橡膠中CaCO3的潛力［48］。

只考慮硅鋁含量高等特定因素的復(fù)合材料合成技術(shù)，因所利用的主要特性氣化粗渣與氣化細(xì)渣并無(wú)較大差異，可以考慮將其延伸用于氣化細(xì)渣的利用。文獻(xiàn)［49-50］提出一種利用氣化渣替代常規(guī)材料制備鋁硅復(fù)合材料、聚合氯化鋁的方法，將氣化渣通過(guò)酸活化、氫氧根離子濃度為1～5 mol/L的堿液在85～105 ℃下脫硅、燒結(jié)，即可制得雜質(zhì)含量低、抗壓強(qiáng)度高、吸水率低的鋁硅復(fù)合材料；同時(shí)，酸活化后的浸出液可用于制備符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15892—2009《生活飲用水用聚氯化鋁》要求的聚合氯化鋁，通過(guò)循環(huán)浸出即可提高液相中氧化鋁的含量，無(wú)須添加任何鋁源，操作流程簡(jiǎn)單、彈性大，雜質(zhì)含量低，也實(shí)現(xiàn)了氣化細(xì)渣資源化高效利用。

在工業(yè)生產(chǎn)方面，現(xiàn)有利用氣化細(xì)渣制備合成材料的技術(shù)方案較少，可以根據(jù)“利用特性上的統(tǒng)一性”原則將氣化粗渣、粉煤灰等固廢的部分利用方式延伸于氣化細(xì)渣的消納利用、高附加值轉(zhuǎn)化上，從而拓展氣化細(xì)渣的資源化利用方式。

2.5 氣化細(xì)渣用于水處理工藝

利用氣化細(xì)渣比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，將氣化細(xì)渣與部分材料混合后進(jìn)行一定的活化、改性處理可獲得水處理材料，用以替代價(jià)格較高的脫水劑和吸附劑，低成本進(jìn)行污泥脫水和水中污染物吸附，大大降低了污水處理成本，從而實(shí)現(xiàn)氣化細(xì)渣資源化利用。文獻(xiàn)［51］通過(guò)破壞氣化細(xì)渣表層結(jié)構(gòu)，激發(fā)其化學(xué)活性，得到用以改善污泥脫水性能的改性氣化細(xì)渣，試驗(yàn)測(cè)定當(dāng)投加量為污泥干重的20%時(shí)污泥脫水性能達(dá)到最佳（如圖8 所示），實(shí)現(xiàn)了改善污泥脫水性能的作用。文獻(xiàn)［52］將氣化細(xì)渣簡(jiǎn)單酸浸成功制備介孔玻璃微球，制備的介孔微球?qū)喖姿{(lán)的最大吸附量為140.57 mg/g，為低成本制備介孔氧化硅的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種新方法。文獻(xiàn)［53］向氣化細(xì)渣中先后加入聚丙烯酞胺溶液、聚四氟乙烯乳液攪拌均勻后擠壓剪切烘干制得吸附劑，吸附試驗(yàn)80 min時(shí)可以將250 mg/L質(zhì)量濃度的亞甲基藍(lán)溶液吸附至110 mg/L 左右，具有良好的吸附性能。文獻(xiàn)［54］將氣化細(xì)渣加水研磨分離后得到富碳復(fù)合粉，在700～800 ℃下進(jìn)行簡(jiǎn)單活化處理即可制得吸附材料，補(bǔ)充了活性炭的單一非極性物理吸附，兼具非極性物理吸附和極性化學(xué)吸附效能。文獻(xiàn)［55］以煤氣化細(xì)渣為原料，用KOH 在800～950 ℃活化制備具有較高比表面積的多孔碳硅復(fù)合材料，然后采用過(guò)硫酸銨氧化法進(jìn)行表面改性；當(dāng)溶液pH 值為5 時(shí)，改性多孔碳硅復(fù)合材料對(duì)質(zhì)量濃度100.0 mg/L 的PbCl2溶液中Pb2+的平衡吸附量達(dá)124 mg/g，Pb2+去除率可達(dá)98.2%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低質(zhì)量濃度Pb2+的有效吸附，如圖9所示。

圖8 改性煤氣化灰渣投加量對(duì)污泥的污泥比阻及毛細(xì)吸水時(shí)間的影響［51］Fig.8 Effect of the dose of modified coal gasification ash on sludge specific resistance and capillarity time［51］

圖9 溶液pH值對(duì)改性碳硅復(fù)合材料吸附Pb2+的影響及Pb2+吸附量隨時(shí)間的變化［55］Fig.9 Effect of solution pH on the adsorption of Pb2+by modified carbon-silica composite and the adsorption amount of Pb2+varied with time［55］

氣化細(xì)渣用于水處理工藝的相關(guān)利用技術(shù)在試驗(yàn)驗(yàn)證中達(dá)到了預(yù)期效果，但考慮到此類生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中投資風(fēng)險(xiǎn)高，利用氣化細(xì)渣制備水處理材料投入工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還需結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)此類技術(shù)高效地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)煤氣化技術(shù)的迅速發(fā)展，清潔、高效、合理利用產(chǎn)量巨大的氣化細(xì)渣勢(shì)必會(huì)成為國(guó)家能源發(fā)展的重要任務(wù)。結(jié)合氣化細(xì)渣含碳量高、灰分中硅鋁含量高、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，現(xiàn)有利用技術(shù)應(yīng)用前景分析如下。

（1）通過(guò)浮選進(jìn)行碳富集，可以改善氣化細(xì)渣的燃燒特性，提高氣化細(xì)渣在鍋爐中的摻燒比例。

（2）在流化床鍋爐試驗(yàn)中，最佳工況下氣化細(xì)渣碳轉(zhuǎn)化率為14.28%，仍是較低的碳轉(zhuǎn)化率，證實(shí)常規(guī)循環(huán)流化床運(yùn)行條件下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高濕并且粒徑很細(xì)的氣化細(xì)渣的高效燃盡；在煤粉爐試驗(yàn)中，當(dāng)在氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%的空氣氣氛下，溫度高于900 ℃時(shí)殘?zhí)紟缀跬耆急M，證實(shí)氣化細(xì)渣干燥后送入到煤粉爐中燃燒更具有可行性。

（3）將氣化細(xì)渣用于土壤改良可以規(guī)?；{利用氣化細(xì)渣，還可以實(shí)現(xiàn)低成本增產(chǎn)增收，在氣化細(xì)渣高附加值資源化利用中有較好的發(fā)展前景。

（4）根據(jù)“利用特性上的統(tǒng)一性”原則，將氣化粗渣、粉煤灰等固廢合成及制備材料的方式延伸于氣化細(xì)渣的消納利用、高附加值轉(zhuǎn)化上。

（5）將氣化細(xì)渣活化、改性處理獲得的水處理材料，可以用于替代價(jià)格較高的脫水劑和吸附劑。