摘要：改革后，我国的科学技术水平随着社会发展不断进步，并被广泛应用。通过对气化粗渣、细渣进行化学及矿物成分、粒径、SEM、能谱等的研究，总结气化渣的主要性能特点，并初步推荐其适宜的应用领域。气化粗渣呈黑砂砾状、细渣呈黑煤泥状，两者含水量都较高，推荐用于湿拌产品或不需烘干的应用。细渣烧失量为37.11%，可在循环流化床中掺烧；粗渣烧失量为2.08%，不适于掺烧。粗渣的碳与其它元素形成固溶体，细渣则为碳颗粒与粉煤灰的混合物，粉煤灰颗粒分布在碳颗粒的内部孔隙或碳颗粒之间。除碳外，粗渣、细渣的化学成分相似，主要为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，与传统粉煤灰的成分类似。细渣结晶度35.0%，主要为石英结晶和碳的馒头峰；粗渣结晶度22.1%，主要为石英。这说明细渣可将碳、灰分离后分别使用，或利用细渣的碳直接制备吸附材料、多孔材料；粗渣可作为路基填料或粉磨后作为细集料。此外，气化渣中提取氯化铝等的应用，可优选气化粗渣。 关键词：气化渣；化学成分；矿物相；掺烧；多孔材料
引言
我国的能源特点是富煤、贫油、少气，能源结构以煤炭为主，2020年我国煤炭产量39亿t。在国内能源结构与实际需求的作用下，煤气化技术在煤化工领域中得到快速发展。煤气化是指原煤在气化炉中的高温高压条件下，与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生反应，生成一氧化碳和氢气，同时产生焦油和灰渣等副产品的过程。气化渣是煤气化时原煤中的无机物经过反应和残留碳粒形成的固态废弃物，根据颗粒大小分为粗渣和细渣。粗渣粒径集中在16~4目（1.00~4.75mm），主要出现在气化炉的排渣口，占60%～80%；细渣粒径<200目（0.425mm），主要出现在合成气的除尘装置，占20%～40%。据统计，百万吨级的煤间接制油装置每年大约产生煤气化渣86万t、锅炉灰渣4万t。我国每年约产生气化渣2700万t，但综合利用率仅有20%。随着煤气化规模的不断扩大，煤气化渣的产量也越来越大，堆存和填埋是目前气化渣的主要处理方式，不仅造成环境污染，同时引起了土地资源的浪费。此外，气化炉渣中还含有硅、钙、铝等元素，具有较高的利用空间。因此煤气化渣的不合理利用不仅会造成资源浪费，而且不利于煤化工企业的可持续发展。本文基于煤气化渣的产生及特点，对国内外煤气化渣的综合利用研究进行了综述，并指出煤气化渣综合利用新思路，以期为相关领域科研工作者提供参考。
1煤气化渣的特点
煤气化指的是煤炭在气化炉中，在高压高温条件下与气化剂相互反应，煤炭中的有机物发生转化，成为气体燃料的过程。煤气化渣是以上过程中产生的无机矿物质及碳质颗粒等，其中包含粗渣和细渣，粒径在14-4目及200目以下，粗渣含量占比为5%~30%，细渣残碳量在30%~50%之间，产生量的占比为20%。而采用不同煤气化工艺，其中产生的气化渣也存在一定不同，例如，使用固定床气化炉过程中，将块煤及煤焦作为主要原料，与气化剂逆向流动。气化剂从底部进入，而煤块从上部位置进入，气化残渣从底部位置排出。这种方式的气化反应较为完全，热效率及气化效率较高。而循环流化床气化炉中，煤块的在粒径在3~5mm之间，以上煤块在气化剂的影响下处于持续悬浮及运动状态。煤气化渣的组成成分和性质，与原煤的种类和进料方式之间存在紧密联系，气化渣的表面具有一定光泽，并且主要为黑，其中粗渣主要来源于气化炉的底部位置，占比为60%~80%，细渣主要集中在除尘装置中，并且粒径在50μm以下，主要是粉末的形式，含水率较高，数量占比为20.5%~40%之间。通过对其中可燃物分布情况进行分析发现，气化渣中可燃物质的分布较为混乱，碳粒表面的孔隙结构较为发达。在气化渣化学性质方面，二氧化硅是气化渣的主要组成成分，其中还包含氧化钙、氧化镁等物质。而在不同地域及产地的煤炭，最终产生气化渣的成分也较为相似，其中细渣的含碳量较高。
2煤气化渣的来源及危害
煤化工指以煤炭为基本原料，经过物理和化学的一系列加工，使煤炭转化为气体、液体、固体燃料及化学品和材料的过程。煤气化技术是发展现代煤化工的关键环节和抓手。当前应用比较普遍的煤气化技术有固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术，其中气流床气化技术成为了煤炭高效清洁利用的主流方式。煤气化过程中，原煤在气化炉内经高温快速分解，然后与气化剂进行反应转化为合成气。在这个过程中生成煤气化渣，其中从气化炉底部排出的气化渣通常称为粗渣，占比约60%～80%，顶部随气流携带而出的称为细渣，占比约20%～40%。随着煤气化技术的不断发展，产生的废渣也逐渐增多，大量的煤气化渣堆积不仅会造成灰尘飞扬污染环境还占用了土地资源，造成了环境污染和生态破坏。因此，对其进行减量化、资源化和无害化处置，提高其利用率，缓解或消除环境问题，推动生态文明建设。
3煤气化渣利用技术应用趋势
3.1在建工建材中的应用
将煤气化渣利用技术应用在建工建材中，能够为建工建材的制作提供技术支撑，其中主要包括水泥、混凝土材料以及砖材等。例如，在利用煤气化渣制作骨料的过程中，可以使用煤气化渣利用技术制备陶粒，陶粒的耐火性以及强度都较高，并且具有非常高的抗震性能，因此在建筑施工以及耐火材料制作中得到了广泛应用。而利用煤气化粗渣能够制备非烧结陶粒，其中煤气化粗渣为73%，水泥15%，石英砂12%，根据以上比例制备非烧结陶粒，其抗压强度在6.76MPa左右，吸水率能够达到20%。另外，还可以在混凝土中加入煤气化粗渣，这种方式能够提高混凝土的抗压强度，并且龄期越长，混凝土的强度越高，因此可以将研磨完成之后的煤气化粗渣，作为细集料使用。在制备凝胶材料的过程中，由于煤气化渣中含有SiO2汽化炉、Al2O3、Fe2O3、CaO等物质，与硅酸盐水泥的组成物质较为相似，并且同样具有火山灰活性，因此也可以将其作为水泥制作原料。细渣中由于碳含量较高，所以不利于产生凝胶反应，而粗渣中包含大量的活性物质，对凝胶反应起到促进作用，能够进一步提高砂浆的应用强度。在此过程中利用Texaco炉气化渣制备硅酸盐水泥，其中黏土占比为5%，温度为1450℃，最终水泥28天抗折强度为8.0MPa，抗压强度为50.9MPa。在制备墙体材料阶段，可以在对煤气化渣中的残碳进行利用，将其作为造孔剂以及燃料，这种方式能够降低烧结品的密度以及导热率，最终制作出具有保温隔热效果较
好的墙体材料。在此过程中，利用挤出成型法制作墙体材料，在1000℃的温度下，加入20%的黏土，能够制作出轻质烧结自保温墙材料，其耐压强度为5.3MPa，导热系数为0.19W/(m·K)，加入黏土比例的不同，最终保温墙材料性能也不同，可以根据实际需求进行灵活调整，该类保温墙材料在实际应用中具有较高的应用性能。
3.2用于土壤改良
将废弃的水煤浆气化渣和风沙土进行混合，试验发现水煤浆气化渣对风沙土理化性质具有显著改善作用。水煤浆气化渣中细小的颗粒可以有效减少风沙土大孔隙的比例，提高土壤毛细管作用，达到改善土壤结构的作用。水煤浆气化渣能够有效地改善风沙土的理化性质，降低风沙土的土壤入渗能力，从而提高风沙土的保水性能。此外，水煤浆气化渣对供试的糜子、菊芋、玉米伊单和玉米赤单4种常种作物的生长和产量都有显著的积极作用。将不同比例的煤气化渣作为添加剂，研究了其对猪粪好氧堆肥过程中堆料的化学性质、抗生素抗性基因和移动基因元件及微生物落的影响，结果表明煤气化渣可以加快堆肥进程，促进堆肥腐熟，降低堆肥产物中生物有效态Cu和Zn的含量。通过改变气化渣复配土的养分，观测苜蓿在其中的生长过程。结果表明，苜蓿在气化渣复配土中长势良好。利用煤气
化细渣比表面积大和含碳量高等特点，将其用于改良碱性沙地土壤，温室中的盆栽植物实验表明，煤气化细渣的掺入使玉米和小麦的发芽率提高到100%。利用煤气化细渣中含有的盐酸可萃取硅，将其用作硅肥进行植物吸收试验，煤气化细渣表现出较高的可提取硅含量，在温室中以不同质量掺入煤气化细渣进行水稻生长试验，表明使用质量分数5%的煤气化细渣明显促进了水稻的生长。研究表明，将煤气化细渣作为硅资源适当应用于农业领域，可作为安全处置这种工业废物的可行选择。
3.3煤气化渣在农业方面的应用
基于煤气化渣的特点，煤气化渣在改善土壤理化性质及保存土壤中有机质肥料方面发挥很大的作用。煤气化渣的加入可以提高农作物的产量，还可以优化生态环境，使土壤酸碱得到改善、有机质分解加快、丰富土壤中的营养元素。煤气化渣可以加快猪粪好氧堆肥进程，促进有机物的分解，提高堆肥效率，还可以降低堆肥产物中生物有效态Cu和Zn的含量。另外煤气化渣和沙土复配有利于沙地苜蓿生长。朱丹丹研究了煤气化细渣对土壤理化性质、玉米和小麦出苗率及大田玉米产量和质量的影响，煤气化细渣的掺入降低了土壤容重、pH和水分蒸发率，提高了饱和吸水量、碳含量、阳离子交换量；煤气化细渣使盆栽实
验中玉米和小麦的出苗率提高至100%；大田实验中，改良组玉米生长情况优良、籽粒品质提高且产量增加了18%。煤气化细渣还可以用作碱性沙地土壤改良剂，研究表明施加20%的煤气化细渣使得土壤容重降低、含碳量显著增加、pH值降低、阳离子交换容量增加、持水能力增加，且用作天然土壤改良剂，不仅可以提高土壤理化性质，而且为煤气化细渣的安全和环境友好利用提供了新途径。此外将煤气化细渣与粉煤灰、硅藻土、水淬钢渣等硅源材料相比，在相同的加工条件下，煤气化细渣可提取硅含量较高；并且在温室中利用不同质量的煤气化渣进行了120天的水稻生长试验，在1%-5%范围内，煤气化细渣掺量越多，水稻生长效果越显著。煤气化渣在农业方面的应用取得了良好的效果，其疏松透气的结构有利于保持水分和养分，促进了农作物的生长、提高了土壤的透气性。相比于煤气化粗渣，细渣具有较小的粒径和多孔结构，更适用于土壤改良方面的应用。此外煤气化渣中含有的钙、镁能够促进有机质的分解，可以用作有机肥添加剂，但煤气化渣中含有重金属，可能会造成一定的环境危害，需要对其环境风险进行深入研究。
结语
综上所述，近几年我国煤化产业得到了快速发展，因此煤气化渣的产生量处于快速增长状
态，对其进行规模化处理已经成为必然发展趋势。当前可以对煤气化渣利用技术进行全面分析，该技术能够对煤气化渣进行有效利用，既能够避免出现资源浪费的情况，同时还能够对生态环境进行有效保护，提高资源实际利用效率。由此可以看出，提高煤气化渣利用技术水平，确定其今后的应用趋势，是促进我国煤气化渣利用技术良好发展的有效途径。
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