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关于煤化工气化炉渣资源化利用技术的探讨

发布日期:2020-09-01  来源:能源与节能  作者:申改燕  浏览次数:279
 经过多年的积累和发展,气化技术已经形成了上百种炉型,工业化炉型也有数十种。气化炉渣是煤中矿物质在煤气化过程中经过一系列的分解、化合反应生成的产物。气化炉底出渣口排出的为粗渣,合成气带走的少部分颗粒通过后续的洗涤、闪蒸、压滤等过程形成细渣。粗渣和细渣统称为气化炉渣。

1 气化炉渣的成分和结构

有研究表明,气化炉渣主要由 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3 和残碳等组分组成,组分含量与煤种、气化的工艺条件以及进料方式等都有关。气化炉渣的显微结构为多孔结构,残碳多为海绵状的多孔结构[1]。

2 气化细渣的资源化利用

气化细渣在炉内的停留时间比气化粗渣短,残碳含量高,而残碳含量高会造成烧失量比较大。烧失量是衡量细渣能否用于水泥和混凝土等建材中的一个重要指标。

残碳为多孔惰性物质,残碳的存在会增加新拌混凝土的需水量,降低混凝土的强度和耐久性,并且会在颗粒表面形成一层憎水膜,阻碍水化物胶凝体和结晶体的生长以及相互间的联结,从而破坏混凝土内部结构,降低混凝土的性能,特别是降低混凝土的抗冻性。当前,利用细渣的主流方式是将细渣掺入到燃料煤中,送入循环流化床锅炉燃烧,得到的炉渣与锅炉炉渣一起利用,得到的飞灰并入到锅炉粉煤灰的资源化利用中。

3 气化粗渣的资源化利用

当前,对气化粗渣的有效处理程度不高,主要通过堆放或者填埋进行处理,不仅占用土地,还会产生扬尘,如果防渗措施不到位,还可能对水体和土壤造成污染。

3.1 用作建材原料

气化粗渣具有与水泥、混凝土等建材原料相似的成分和特性,加上用作建材原料具有经济性,因此可作为水泥、混凝土、墙体材料等建材的原料。

3.1.1用作水泥原料

普通水泥由石灰石、黏土、矿粉按比例磨细混合,然后在 1 450 ℃左右进行煅烧得到熟料,之后将熟料和石膏一起磨细,按比例混合后制得水泥。闫秀清[2]用气化炉渣代替 50%~70%的黏土配料制成水泥,与传统全黏土配料制成的水泥比较,其各龄期的强度基相当。袁蝴蝶、尹洪峰等[3] 等采用陕西神木化学工业有限公司的德式古气化炉渣,再辅以石灰石、黏土和铁粉共同作为原料制备出硅酸盐水泥熟料,并将熟料与石膏 (2%) 掺配后制备出符合国标 GB/T 1346—2011 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法 及 GB/T 1767—1979 漆膜耐候性测定法 的硅酸盐水泥。

3.1.2 用作水泥基混凝土骨料和掺和料

普通混凝土以水泥为胶凝材料,以砂、石为骨料,加水拌制成水泥混凝土。为改善混凝土的一些性能,常加入适量的掺和料。

粗渣具有一定的粒径分布,其主要成分 SiO2、Ca具有一定的强度,可代替砂、石作为混凝土中的骨料。李燕[4]将气化炉渣作为混凝土掺和料,当炉渣等量取代水泥、炉渣掺量小于 30%时,掺有炉渣的混凝土后期抗压强度高于掺有粉煤灰的混凝土。

3.1.3 制备新型泡沫混凝土

泡沫混凝土是一种新型建筑节能材料,具有防火、质轻、隔热、施工方便等特点,在建筑保温领域具有广阔的前景。气化炉渣中含有大量的含硅玻璃体 (Al2O3·2SiO)2和活性 SiO2、活性 Al2O3,具有潜在的火山灰活性,符合混凝土对原料的要求。鲁永明等[5]将炉渣磨细成灰渣,制备出抗压强度约 6 MPa、表观干密度 740 kg/m3左右的泡沫混凝土,性能符合建筑行业 JG/T 266—2011 泡沫混凝土 相关要求。

3.1.4 制备免烧砖

将粉煤灰、煤渣、煤矸石等作为主要原料,原中的 SiO2、Al2O3、Fe2O3 充分水化形成硅型玻璃体,这种玻璃体与水化后的 CaO 反应生成水化硅 (铝) 酸钙胶状玻璃体。这种胶状玻璃体在添加剂作用下,逐渐凝固形成一种高强度的网络结构,加之原料合理调配及养护,从而制备出免烧砖。这种砖不经高温煅烧,因此称为免烧砖章丽萍等[6]以气化渣和锅炉渣为主材料,以生石灰、水泥、除尘灰为辅料,以石膏为激发剂,制备出符合JC/T 422—2007 非烧结砖垃圾尾矿砖 和 GB 11945—1999 蒸压灰砂砖 标准要求的免烧砖。

3.1.5 制备免烧陶粒

陶粒具有密度小、质轻、综合强度高、保温隔热、耐火抗震性能好、耐风化等优异性能,具有广阔的应用前景。传统的黏土陶粒多采用高温烧结的方式,存在能耗高、原料利用率低等问题。张凯等[7] 以 73%的煤气化粗渣、12%的石英砂和15%的水泥为主要原料,气化粗渣来自中国西北地区煤制甲醇厂,采用免烧工艺制备出煤气化粗渣陶粒,陶粒的筒压强度达到 GB/T 17431.1—2010 轻集料及其试验方法第 1 部分:轻集料 的标准要求。3.1.6 制备 Sialon 粉体Sialon 是一种耐火、耐腐蚀的硅铝氧氮聚合材料,被广泛应用于耐火材料和高温陶瓷领域的一种人工合成原料。气化炉渣中的 SiO2、Al2O3、CaO 和残碳,均为碳热还原氮化合成 Ca-α-sialon 和 Ca-β-sialon 的所需成分。尹洪峰等[8] 以德式古气化炉渣为主要原料,将气化炉渣球磨细粉与碳黑按一定比例充分混合,以纸浆废液为结合剂,通过碳热还原氮化可合成主要成分为Ca-α-sialon 和 Ca-β-sialon 的粉体。

3.1.7 制备轻质隔热墙体材料

轻质隔热墙体材料的基本指标是:导热系数不大于 0.29 W/(m·K),体积密度小于 1.00 g/cm3,耐压强度大于 0.3 MPa。

轻质隔热墙体材料是中国节能墙体材料的发展方向,该墙体材料一般可大量利用粉煤灰和煤矸石等固废。气化炉渣的成分与粉煤灰相近,其中的残碳在烧结过程中还可作为内部燃料,降低能源消耗,且在燃烧后会形成大量微小孔隙,降低坯体密度和导热率。冯平等[9] 以德式古气化炉渣为原料,通过添加不同比例的黏土,制备出满足要求的轻质隔热墙体材料。

3.2 用作吸附材料处理废水

气化炉渣结构疏松多孔,比表面积大,而且残碳的存在使炉渣具有类似活性炭的性质,因此气化炉渣具有吸附作用。普煜等[10]利用鲁奇炉炉渣处理煤气废水,COD (化学需氧量) 去除率可达 41.9%,酚类去除率达 71.2%。董茹等[11]将兖矿榆林能化公司煤制甲醇工厂的气化炉渣作为吸附剂,将鸡毛角蛋白作为助凝剂,处理洗煤废水,吸附率最大达到 99.33%,效果优于PAM (聚丙烯酰胺)、PAC (聚合氯化铝) 等常用水处理助剂。有研究表明,通过对气化炉渣进行酸性、碱改性,可使炉渣的比表面积增大,还可促进水中胶体或絮凝物的形成,从而进一步增强炉渣的吸附性能。

4 结语

目前,针对气化炉渣缺乏系统的研究,同时由于气化工艺、气化条件以及气化用原料煤的不同,气化炉渣的组成和结构差别也较大,成为其资源化利用的制约因素。

a) 当前,关于气化炉渣的研究成果不少,但气化炉渣的利用处于初级阶段。目前,粗渣主要用于掺制水泥或混凝土等传统建材;细渣用作循环流化床锅炉掺烧料,回收热值后再加以利用。b) 气化炉粗渣可制备新型泡沫混凝土、免烧陶粒以及新型墙体材料,也可作为吸附剂处理废气、废水,是实现气化炉渣高附加值利用的途径,但目前都处于实验室研发阶段,短期内难以成为应用的主流方式。c) 目前,关于煤气化炉渣用作水泥和混凝土等建材原料还没有标准或技术规范。气化炉渣的成分与粉煤灰相近,粉煤灰资源化利用技术的研发和应用相对比较成熟,国家已出台多项标准和技术规范,尽管两者的成分和含量有差别,在研发其利用技术时仍可以借鉴。

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