煤渣回用技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用分析

尉曉妮，王琨，王東

（1.陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 渭南 714000；2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300450）

目前，渣場填埋依然是國內(nèi)多數(shù)煤化工企業(yè)煤渣處理的第一選擇。隨著我國煤化工規(guī)模的日益壯大，煤渣產(chǎn)量也逐年增加，簡單填埋不僅侵占土地，其安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)也日益引起重視，最新發(fā)布的《一般工業(yè)固體廢物貯存場、處置場污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》也對一般工業(yè)固廢填埋提出了更加嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。提升回用附加值，拓寬煤渣回收利用途徑，以廢治廢、變廢為寶成為當(dāng)前緊要問題。

1 煤渣物理特性

水煤漿氣化時(shí)，原料煤在高溫區(qū)中快速完成氣化反應(yīng)逸出氣體，熔融態(tài)煤渣在激冷室中與高壓激冷水迅速接觸，冷卻固化為蜂窩狀細(xì)孔結(jié)構(gòu)明顯的玻璃渣固體小顆粒渣體。根據(jù)原煤煤種、產(chǎn)地及氣化操作不同，煤渣主要成分和性狀也有所不同。煤渣中殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)大致 33%～37%，比表面積0.20～0.35 m2·g-1，同時(shí)含有比例不同的硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、鈦、鉻等氧化物。典型煤渣化學(xué)組成見表1[1]。

表1 3種典型煤渣的化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2 煤渣吸附機(jī)理研究

2.1 吸附機(jī)理

比表面積決定了吸附容量和吸附活性的大小，對其吸附性起決定性作用。煤渣中所含的幾種主要金屬氧化物可作為骨架支撐，形成煤渣激冷后疏松多孔但又強(qiáng)度很高的良好性能。煤渣孔隙率一般在在50%～60%，比表面積大，表面能高，能為被吸附物質(zhì)提供大量著位點(diǎn)，煤渣中的殘?zhí)家簿哂胁糠只钚蕴康男阅?，一定程度上也可以提升煤渣的吸附力，因此目前對煤渣回用的技術(shù)研究，都是從開發(fā)煤渣的吸附、儲(chǔ)能特性出發(fā)的。

2.2 改性提升

比較典型的改性方法和原理，如表2所示。

表2 典型的煤渣改性方法

單一煤渣作為吸附或者儲(chǔ)能材料優(yōu)勢并不突出，一般都要經(jīng)過改性處理提高性能。煤渣改性分為物理改性和化學(xué)改性2種，物理改性主要是物理加工，使其表面蜂窩狀結(jié)構(gòu)更加豐富，開放性孔徑更多，比表面積更高；化學(xué)改性則主要是通過加入酸性、堿性或者其他鹽類組分，激發(fā)煤渣中的Si、Al活性點(diǎn)，使其活性更高，功能更具針對性。

3 煤渣應(yīng)用研究

3.1 作污水處理劑

工業(yè)廢水來源繁多、排放量大、組成復(fù)雜，煤渣便宜易得、能吸附多種污染物的優(yōu)點(diǎn)使煤渣用于工業(yè)廢水的研究成為煤渣吸附的熱點(diǎn)研究方向。

彭娟等[2]以磁性Fe3O4/改性煤渣復(fù)合材料，研究其對Cr6+的吸附性能。結(jié)果表明，在pH=3～7 酸性條件下，磁性Fe3O4/改性煤渣復(fù)合材料對Cr6+的去除率達(dá)到98%。王浩等[3]研究了粉煤灰、膨潤土和沸石作對重金屬Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附。結(jié)果表明，粉煤灰對Cu2+、Zn2+去除率均達(dá)97%以上，對Ni2+的去除率在65%左右，驗(yàn)證了粉煤灰代替膨潤土去除Cu2+、Zn2+的可行性。

李娟[4]等用蜂窩煤煤渣研究了靜態(tài)吸附下渣粒對氟和砷的吸附性能。結(jié)果表明，煤渣對高氟水的吸附效果好于低氟水，對高濃度及低濃度的砷均具有較好的吸附效果，去除率可達(dá)95%以上。李向霞[5]等用氯化鎂改性煤渣研究其除氟效果。結(jié)果表明，當(dāng)選擇F-溶液的初始質(zhì)量濃度為30 mg·L-1和吸附劑投加量為30 g·L-1時(shí)，在pH=2～11的范圍內(nèi)氯化鎂改性煤渣吸附F-的效率均達(dá)到90%以上。

高麗娟[6]等研究了芬頓試劑氧化法與煤渣吸附法聯(lián)用技術(shù)對偶氮染料的顏色和TOC吸附效果。結(jié)構(gòu)表明，連用法脫色率可達(dá)99.6%，TOC去除率可達(dá)72.7%。

楊金輝[7]、馬萬征[8]等研究了原狀煤渣對富營養(yǎng)化廢水中氨氮和總磷的吸附效果。楊金輝試驗(yàn)中總磷去除率可達(dá)46.4%，馬萬征試驗(yàn)中氨氮去除率最高可達(dá)45%。

ZHENG[9]等利用煤渣-生物降解聯(lián)用法處理高COD的藥物廢水，藥物廢水的COD、BODs、SS、色度的去除率分別為(99.7±0.3) %、(98.2±0.4) %、(98.5±0.3)%和(96.3±0.2) %。廢水經(jīng)處理后可達(dá)中國藥物廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 作建筑基料

SiO2和Al2O3等氧化物的存在保證了煤渣有足夠的強(qiáng)度，疏松多孔結(jié)構(gòu)使得這些再生骨料吸附力和滲透性達(dá)到要求，加之來源廣泛、價(jià)格低廉、預(yù)處理簡單，煤渣部分代替砂石等天然骨料成為煤渣回用的另一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

張娟[10]等研究了不同煤渣摻量對半剛性基層性能的影響。結(jié)果表明，半剛性基層的7 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨煤渣摻量的升高而降低，后期抗折強(qiáng)度下降緩慢；當(dāng)煤渣摻量小于15%時(shí)，半剛性基層的干燥收縮隨煤渣摻量的升高而降低；當(dāng)煤渣摻量為15%時(shí)，半剛性基層的收縮量增大；當(dāng)煤渣摻量為10%時(shí)，半剛性基層的干燥收縮率最低。試驗(yàn)結(jié)果證明了煤渣可以作為半剛性基層中集料的替代材料，為煤渣在道路工程中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

ISA[11]等研究了煤渣與?；郀t礦渣替代砂制備水泥混凝土的耐久性。結(jié)果表明，當(dāng)替代率為20%時(shí)混凝土的綜合耐久性最佳。MALKIT 等研究了煤渣替代混凝土中的細(xì)骨料對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)煤渣的摻入會(huì)提高混凝土的后期強(qiáng)度。

張立明[12]等研究了煤渣摻量和腐蝕時(shí)間對再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。結(jié)果表明，在相同腐蝕時(shí)間條件下，再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著煤渣摻量的增加而先降低后增加，當(dāng)煤渣粉摻量增加到30%時(shí)達(dá)到最小值。

劉雅慧[13]等針對海綿城市建設(shè)中城市雨水徑流下墊面填充基質(zhì)功能單一問題，選取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4種單一基質(zhì)和兩種復(fù)合基質(zhì)進(jìn)行吸附性能研究。結(jié)果表明，混合基質(zhì)對氨氮和磷的吸附性能強(qiáng)于單一基質(zhì)，蛭石、沸石和煤渣質(zhì)量比為3∶3∶4時(shí)，基質(zhì)對氨氮和磷的吸附性能最好，且強(qiáng)于任一單一基質(zhì)，如果將混合基質(zhì)引入海綿城市雨水滲濾系統(tǒng)，將大大增強(qiáng)城市雨水徑流阻控。

3.3 作儲(chǔ)熱材料

儲(chǔ)熱技術(shù)的主要問題在于成本高，因此對儲(chǔ)熱材料的選擇和改性，以及對材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱性能的研究極其重要。利用煤渣密度低、孔隙率大、吸水率高、兼具保溫隔熱性能等特點(diǎn)將其應(yīng)用到保溫材料也是煤渣回用的一個(gè)新方向。

趙文敬[14]等研究煤渣的蓄熱和導(dǎo)熱性能，及煤渣中添加鐵粉和水泥對樣品導(dǎo)熱性能以及儲(chǔ)熱性能的影響。結(jié)果表明，煤渣自身有微小的蓄熱能力，將煤渣與鐵粉按照6∶4比例參配，并加入少量水泥作為黏合劑，其導(dǎo)熱性能和蓄熱性能都會(huì)大幅提升，可作為太陽能光熱發(fā)電蓄熱材料的很好選擇。

夏群[15]等以煤渣與?；⒅闉楸夭牧?，試驗(yàn)研究了100%再生粗骨料混凝土保溫空心砌塊的強(qiáng)度與熱工性能。結(jié)果表明，煤渣會(huì)降低砌塊的強(qiáng)度，但能提高砌塊的保溫性能，當(dāng)煤渣取代量30%～50%時(shí)，采用最優(yōu)配比可制備出滿足《自保溫混凝土復(fù)合砌塊》（JG/T 407—2013）的SIB I（3）1300 MU5.0 EC20 ES4 優(yōu)等產(chǎn)品。這一研究有望解決天然骨料資源緊缺、建筑垃圾與煤渣堆放以及墻體保溫材料市場價(jià)格偏貴等多個(gè)的問題。

4 結(jié)束語

煤渣的回用研究目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，工業(yè)化應(yīng)用還有待推進(jìn)。隨著國家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格和人們環(huán)保意識的持續(xù)提高，簡單填埋的成本將越來越高，煤渣回用研究成果的推廣步伐將越來越快。但制約這些技術(shù)發(fā)展的諸多問題也不容忽視，其中包括以下比較關(guān)鍵的兩點(diǎn)。

1）吸附飽和后煤渣的脫吸及重復(fù)利用。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對煤渣處理廢液后的再生或利用研究，避免對環(huán)境造成二次污染。

2）工藝研究與推廣。煤渣回用研究目前多處于試驗(yàn)階段，工業(yè)實(shí)踐較少，加強(qiáng)煤渣處理環(huán)境有害物質(zhì)的工藝研究，開發(fā)相應(yīng)的裝置，將大大促進(jìn)其在環(huán)境工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。