来源：《中国石油和化工产业观察》杂志

作者：李 涛 王红星 张西标

煤气化工程是现代煤化工产业的关键领域。近年来随着煤化工产业迅速发展，煤制合成气产能日益提升，由此产生了大量的煤气化渣。如何消除废渣污染，实现科学处置、变废为宝，成为煤气化产业可持续发展需要突破的重要课题。

煤气化渣中含有部分未被气化的碳、重金属以及微小颗粒物，如果得不到妥善处理，就会对土壤、水体和大气造成较重的破坏和污染。对煤气化渣的理化特性与矿相特征进行深入研究和分析表明，煤气化渣除了可用于建材建工领域，还可用于土壤修复、道路建设和铝硅陶瓷等领域等，是变废为宝的好材料。

煤气化渣可分为粗渣和细渣。在煤气化过程中，煤中的大部分碳与水蒸气、氧气、二氧化碳等反应生成粗煤气（主要成分包括一氧化碳、甲烷等），而其它无机矿物质在高温条件下转变为熔渣。一部分熔渣流入气化炉底部，冷却后形成颗粒较大的粗渣，粒径多在4～9毫米之间，约占排渣总量的80%；

另一部分熔渣由合成气带出，在后续的气体净化过程中分离出颗粒较小的细渣，以粉末状存在，粒径多在0.5毫米以下，由于未燃碳质量较轻，细渣中碳含量普遍大于30%，含水率为50%～60%。

回收利用煤气化渣，首先需要研判渣的化学成分及影响因素。煤气化渣中含有的元素依次为硅、铝、钙、铁、镁、钠、钛。

硅、铝主要源于煤中的矿物质与非矿物无机物；

铁、钙等杂质部分来源于煤，部分来源于气化工艺过程的补充。

此外，煤气化渣含有大量不完全燃烧的成分，包括残碳和煤焦等。

煤气化渣的矿相主要是煤中含有的黏土矿物在高温气化过程中经过复杂的物理化学变化形成的。与其它煤基固废相比，煤气化渣的矿相较为简单，主要为晶相与非晶相两类。

研究结果表明，煤气化渣的晶相主要为石英相。根据煤种、炉型及气化工艺的不同，煤气化渣中还会出现方解石、钙长石等晶相。非晶相主要为无定型残碳和铝硅酸盐玻璃相。

煤气化渣粒径受原煤粒径、矿相、工艺条件和气化环境等多重因素影响。典型的煤气化渣细渣粒径范围主要在0～65微米，粗渣粒径大多分布在38～4000微米。

粗渣有多孔不规则颗粒、光滑密实颗粒、光滑球形颗粒、球状物和针棒状物5种。

细渣呈粉末状，有多孔不规则颗粒、絮状物、粘附性球状颗粒和独立大球型颗粒4种。

从颗粒元素分布来看，细渣中球形颗粒主要为铝硅酸盐矿物，多孔状与絮状颗粒为碳粒，粘附小球型颗粒为碳与无机颗粒混合体。而粗渣中颗粒主要为铝硅酸盐矿物颗粒或者碳与无机颗粒结合体，含碳量显著低于细渣。

综合利用煤气化渣，不但可减少固废堆存量，降低对环境的损害，通过资源化的工业利用还可变废为宝，提高企业经济效益。

当前我国煤气化渣的总体利用率偏低，应用主要集中在建材建工、土壤修复、道路建设和铝硅陶瓷制备等领域。

在建材建工领域，煤气化渣可用作水泥原料、混凝土、建筑用砖和墙体材料。

煤气化渣中含有大量硅铝氧化物，具有一定的火山灰活性，可用作水泥原料。未燃尽的煤渣与水泥、石子、水混合，可制无侧限抗压强度为3.7兆帕的水泥材料，能够满足《公路路面基层施工技术规范》（UT/J034-2000）的要求。

将碳含量为12%的煤气化渣与波特兰水泥混合，潮湿固化14天可制得压缩强度为5兆帕的水泥块样。采用煤气化渣替代50%～70%的黏土制成水泥，全龄期强度与原水泥强度基本相同，抗压与抗折强度分别达38.6兆帕和6.8兆帕，可满足国家《通用硅酸盐水泥》标准。

粉煤灰与煤气化渣均具有一定的火山灰活性，将高钙粉煤灰与煤气化渣作为原料，混合配制的硅酸盐水泥比表面积为350平方米/克，抗压强度可达48.8兆帕。

通过抗压强度、干缩性能的测试发现，在混凝土中掺入研磨后的粗渣，其抗压强度远高于基准混凝土，且随着龄期延长后期强度持续上升。掺细渣的混凝土强度低于基准混凝土，且细渣研磨后对后期强度的影响不大。掺煤气化渣有利于减小混凝土干缩率，煤气化渣研磨后比表面积增大，混凝土干缩率略有增大。

将煤矸石、钢渣、煤气化渣和锅炉渣按一定质量比加入水、氧化钙和硫酸钠，可制得强度为普通砖强度３倍的免烧砖。

例如，按水泥20%、豆沙石30%和煤气化粗渣50%质量比制备出免烧砖。将煤气化渣、锅炉渣、除尘灰、石灰、石膏、水泥以质量分数35.6%、32.4%、14%、8%、4%、6%混合，可制备出符合《蒸压灰砂砖》（GB11945-1999）和《非烧结砖垃圾尾矿砖》（JC/T422-2007）要求的免烧砖。

德士古煤气化渣掺加量为70%时，可制得抗压强度平均值大于7.5兆帕的墙体材料。在铁尾矿中添加部分煤气化渣，可制备铁尾矿烧结墙体材料。当添加20%的煤气化渣时，制备的墙体材料具有密度低于1.45克/立方厘米、导热系数低于0.23瓦/（米·度）、抗压强度高于300兆帕的优异性能。

在铝硅材料领域，煤气化渣可用于制备介孔材料、多孔陶瓷等。

煤气化渣含有丰富的铝硅碳资源，可制备附加值较高的无机材料。

如采用煤气化渣与碱性介质低温固相活化与稀酸浸出的方法得到富含铝硅的溶液，加入适当的模板剂，可制得比表面积高达1200平方米/克的二氧化硅介孔材料。

采用煤气化渣、高岭土和碳酸钙按照11:5:4的配比，在成型压力10兆帕、焙烧温度1180摄氏度条件下，可制备多孔陶瓷。采用模压成型工艺，可制备孔隙率为49.20%、平均孔径为5.96纳米的多孔陶瓷。

此外，煤气化渣还可循环掺烧，用作污水处理催化剂或土壤修复添加剂等。部分煤气化渣的含碳量较高，可用于煤气化炉的循环掺烧，以降低运行成本。如将煤气化渣、白泥、煤泥按一定比例混合，应用于循环流化床锅炉燃烧。曾有企业按照180吨/时的循环流化床锅炉设计比例，对河南德士古气化细渣进行掺烧，锅炉正常运行。

煤气化渣的颗粒形态不规则，颗粒比表面积较大、铝硅含量高，可以利用其活化特性制得水处理催化剂或土壤修复添加剂等。比如，可将煤气化渣用作废水处理中的吸附剂或催化剂载体处理含酚废水。

限于技术、市场和运输等方面的现实原因，目前煤气化渣的资源化综合利用还面临诸多困难。特别是在西部地区，大量灰渣基本上以堆存或填埋的方式处理，对环境和企业可持续发展非常不利。

建议企业和广大科研人员对不同煤种和气化工艺的煤气化渣进行分类研究，结合煤气化渣的特性开发出适用性强、经济价值高的灰渣综合利用技术或产品；建议煤化工产业适时启动煤气化渣利用的工业化示范。

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文章来源：《中国石油和化工产业观察》杂志

作者：李 涛 王红星 张西标

本期编辑：归归、石头

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