1 煤化工固废来源及性质
1.1 固废分类及来源
根据渣的组成和生成原因，炉渣可以分为以下四类。
灰渣为直径0.5～5.0 mm的渣粒，主要是气化炉内煤浆颗粒雾化燃烧过程产生的，微粒进行碰撞烧结后，随着气流夹带进入激冷水浴，经过激冷破碎而成。其灰渣的主要成分如表所示： 灰渣的主要成分
成分 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | 其他 |
含量 | 39.67 | 26.77 | 12.80 | 9.96 | 2.43 | 8.37 |
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（2）块渣
直径在5.0 mm以上的为块渣，质地较为疏松，主要来源于沿炉壁下流的熔渣。当温度低时，炉壁积累了厚厚的渣层；当温度突然升高时，大片的熔渣被烧下来，进入激冷室，未被完全激冷破碎，其主要成分和灰渣相同。
（3）疤渣
疤渣为块渣但质地较为坚硬细密。形成原因是熔渣渗透熔解在耐火砖中，形成低熔点化合物，当熔渣的侵蚀作用加强，生成的低熔点化合物较多时，炉温一旦波动，大量的低熔点化合物进入激冷室，这种熔渣一般难以被激冷破碎，其主要组成包括Ca2SiO4、Ca2SiO5、CaAl2Fe2O7、CaO·A12O3·SiO2、CaCrO3、CaZrO4等低熔点化合物，质地较为坚硬，大都呈熔融玻璃状。
（4）砖渣
砖渣主要是一些损蚀剥落的耐火砖碎块。熔渣沿着耐火砖的气孔或裂纹侵入砖内，形成共熔物，一旦遇到开停车，压力、温度骤变时，共熔物发生热应力膨胀，沿着气孔或裂纹，
将砖剥落，进入激冷室成为砖渣。主要成分与耐火砖略为不同。砖渣和耐火砖本体成分如表所示
砖渣及砖本体的主要组成
成分 | Cr2O3 | ZrO2 | SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 |
砖本体 | 78.50 | 4.20 | 1.20 | 8.40 | 0.50 | 0.46 |
砖渣 | 65.80 | 转轴2.80 | 11.20 | 11.20 | 5.50 | 2.40 |
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1.1.2 锅炉灰渣
大容量发电锅炉与热电锅炉由于用煤量大，结灰渣的量远大于工业锅炉。其灰渣随着燃烧时间的增加与煤种的变化（含硫量高灰熔点低）而增厚；造成结大焦自动脱落而引发灭火、停炉事故，甚至发生人身伤亡事故。结焦、积灰、结垢对锅炉生产造成极大危害。
除灰系统：烟气除尘装置收集的除尘灰；
除渣系统：从锅炉底部排出的炉渣。
锅炉灰渣容重一般按1000 kg/m3计。
1.1.3 盐泥碱渣
盐化工中，以食盐为主要原料用电解方法制取氯、氢、烧碱过程中排出的泥浆称为盐泥，其主要成分为Mg(OH)2、CaCO3、BaSO4和泥砂。采用汞法生产(用汞为电极)的盐泥含有汞的化合物，含汞盐泥排放到环境中，污染土壤和水体，而且毒性较小的无机汞在自然环境中会转化为毒性很强的甲基汞。
碱渣中的环烷酸盐是强乳化剂，如不妥善处理回收，将影响到后续处理。而更严重的是其中含有的有害物质酚、硫化物，通过渗透作用会对地下水造成危害，而游离碱则对碱渣存放设备具有很强的腐蚀作用，因此碱渣必须妥善处理。
1.1.4 脱硫石膏
据调查，我国目前采用的烟气脱硫技术，主要是湿式石灰石石膏法工艺的设备。这一技术虽然对减轻烟气中的二氧化硫污染起到了一定的作用，但是同时又产生了硫化石膏副产品。被抛弃的脱硫石膏长久散发着余毒，经太阳爆晒后，蒸发出刺鼻的酸味，挥发后的酸
性物质又加重了酸雨的危害，经雨水冲刷后的脱硫石膏渗入土地、农田，污染地下和地表水，从而进入食物链，如果不采取积极有效的措施，它释放的有害物质将诱发对人体造成极大伤害的新病情。由此看，脱硫石膏可以导致对周围及地下水环境的污染，根据《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB 18599-2001），应对基底进行防渗处理。一般石膏容重按1800 kg/m3计。
1.1.5 危险固废
根据《国家危险废物名录》确认废物类别，行业来源，废物代码，危险特性等，凡属于名录中的废物，均属于危险废物。蒸发塘干盐、废旧催化剂和焦油等有机高沸物属于危险废物。
1.2 固废性质
以新疆伊犁某年产20亿立方米的煤制天然气为例：
气化炉灰渣成分（湿渣含水10-15%）：
灰成分 | 含量 |
SiO2 | 54.20% |
Al2O3 | 15.48% |
Fe2O3 | 11.88% |
TiO2 | 0.87% |
CaO | 3.34% |
MgO | 2.12% |
K2O | 0.34% |
Na2250ppmO | 6.26% |
P2O5 | 0.44% |
SO3 | 2.65% |
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锅炉灰渣成分（干渣）：
灰成分 | 含量 |
SiO2 | 18.58% |
Al2O3 覆膜胶 | 10.27% |
Fe2O3 | 19.54% |
TiO2 | 0.85% |
CaO | 14.24% |
MgO | 6.64% |
K2O | 0.56% |
Na2O | 2.66% |
MnO2 | 4.31% |
SO3 | 22.35% |
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灰渣主要由气化炉粉煤灰和电厂炉渣2部分组成，渣中的成分取决于煤中的无机矿物质、有机物的成分，煤在燃烧过程中，煤中的有机质与无机质要发生迁移变化：一部分挥发出来
并随着煤烟以气体的形式进入空气；一部分存在于飞灰、粉尘等微小颗粒物中，以固体颗粒的形式进入空气；另一部分物质仍保留在灰渣中。灰中部分无机物的化学组分来源于煤中的有机物，并作为一种新的相变和矿物质存在于灰分。其化学成分复杂， 主要是由SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO 及少量的SO3、P2O5、Na2O、K2O和TiO2等组成（如上表），其化学元素除含有大量的硅、铁、铝、钙、镁、碳外，还含有铜、铅、镉、汞、砷、铬、镍、锰、铍、钴、钡、锶等少量及微量的有害元素， 其中的有害物质会随降水渗入地下，污染地下水。灰渣滤液主要含有硫化物、、氟化物、P、Ni、Cu 、Zn 、以及重金属元素As、Pb、Hg、Cd、Cr 等，据有关资料研究，一般滤液的PH比较高都超过排放标准，这可能是灰渣中含有少量水溶性的碱性物质所致， 其它物质含量均不高，而酸性水中重金属溶出量随pH 降低而上升，因此，酸雨可能使灰渣中的重金属成分较多地转移至水中，产生污染。
入炉煤中灰分含量的变化及灰渣组分的变化，也会影响到灰渣的熔融特性。灰熔点过高或过低，均会使气化炉温度发生变化，影响气化炉排渣。煤灰渣的组分又是灰渣粘温特性的主要影响因素之一，其中Al2O3、SiO2的含量过高均会使灰渣熔点升高，黏度变差，而灰渣中Fe2O3、CaO的含量也会影响灰渣的熔点和黏度。
12. 煤气化炉渣特性概述
12.1 炉渣的形态特征
灰渣是气流床煤气化过程中不可避免的副产物，煤在经历了高温高压等一系列的气化过程后，水燃料其中的无机矿物质经过不同的物理化学转变伴随煤中残留的碳颗粒，形成了固态残渣。通常情况下，气化渣样是惰性的玻璃体，渣样的物理特征和化学组成与煤燃烧的副产物炉渣和底灰相似，在很大程度上取决于煤气化的工艺配置，原煤的种类以及进料形式。
在同一气化炉内，不同的煤粉颗粒经历不同的过程，形成的残渣也会表现出不同的形态，有国内学者对气化渣样的表观形态进行了研究，如图14所示，煤粉在Shell气化炉中气化后，生成了3种不同类型的残渣分别为粗渣，细渣和飞灰。
图14 Shell煤气化灰渣的表观形态
对气流床水煤浆气化的粗渣和细渣两种灰渣的形态特征进行考察发现：气化灰渣中存在有碳颗粒和玻璃态的颗粒。其中，粉煤灰烧失量粗渣含碳量较低，不可再燃烧，细渣含碳量较高，一般能达到30%~40%，有的甚至高达50%。
煤气化的残渣是由煤中的无机组分生成，渣样的使用和存放不会产生环境污染问题。粗渣中含碳量少，只有用在建材上，可用来生产玻璃和玻璃陶瓷等，也可作为水泥原料或添加剂都行，而且用量大，可以完全消化掉，也可作为建材原料来铺路等等。但是，目前大多数的工业残渣仅用在道路和矿井的填埋等方面，浪费了大量的资源。细渣含碳量较高，使得细渣不能在水泥等工业中的应用；如果细渣中含碳量在20%以上时，许多厂家都用于锅炉回烧，不过要有一定的管理制度。
国外学者对鲁奇固定床气化粗渣的中未燃碳的特征进行了研究，将未燃碳颗粒分为致密碳颗粒，分层碳颗粒，多孔未燃碳颗粒和似煤未燃碳颗粒。未燃碳颗粒主要集中于4~13mm的气化灰渣中，其灰分的含量小于等于原煤中的灰分含量，而且挥发份低，固定碳含量高。未燃碳的分层碳颗粒和多孔未燃碳颗粒的BET表面和微孔面积很大，可以用于活性炭
以及其他碳副产物的前体。他还提出了气化过程中残碳形成的三个可能的原因，一是残碳颗粒和气化剂氧气间的放热反应导致气化炉底部的高温。但是低于冷却效应下的气化剂的爆破温度(340°C)。在这个温度下燃烧不能进行，一定比例的焦就被保留在灰分中。二是未燃碳颗粒可能被气化炉内的温度低的区域捕获所以没有完全转化。三是煤粉颗粒进入气化炉内没有经过足够的停留时间，颗粒的内部未来得及气化就被排出气化炉。粗渣样品的粒度分布受氧煤比的影响很大，随着氧煤比的增大，粗渣占的比例越来越大。
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