煤渣回用技術研究進展及應用分析

尉曉妮，王琨，王東

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

目前，渣場填埋依然是國內多數煤化工企業煤渣處理的第一選擇。隨著我國煤化工規模的日益壯大，煤渣產量也逐年增加，簡單填埋不僅侵占土地，其安全和環保風險也日益引起重視，最新發布的《一般工業固體廢物貯存場、處置場污染物控制標準》也對一般工業固廢填埋提出了更加嚴格標準。提升回用附加值，拓寬煤渣回收利用途徑，以廢治廢、變廢為寶成為當前緊要問題。

1 煤渣物理特性

水煤漿氣化時，原料煤在高溫區中快速完成氣化反應逸出氣體，熔融態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孔結構明顯的玻璃渣固體小顆粒渣體。根據原煤煤種、產地及氣化操作不同，煤渣主要成分和性狀也有所不同。煤渣中殘碳質量分數大致 33%～37%，比表面積0.20～0.35 m2·g-1，同時含有比例不同的硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、鈦、鉻等氧化物。典型煤渣化學組成見表1[1]。

表1 3種典型煤渣的化學組成質量分數/%

2 煤渣吸附機理研究

2.1 吸附機理

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，能為被吸附物質提供大量著位點，煤渣中的殘碳也具有部分活性炭的性能，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研究，都是從開發煤渣的吸附、儲能特性出發的。

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能材料優勢并不突出，一般都要經過改性處理提高性能。煤渣改性分為物理改性和化學改性2種，物理改性主要是物理加工，使其表面蜂窩狀結構更加豐富，開放性孔徑更多，比表面積更高；化學改性則主要是通過加入酸性、堿性或者其他鹽類組分，激發煤渣中的Si、Al活性點，使其活性更高，功能更具針對性。

3 煤渣應用研究

3.1 作污水處理劑

工業廢水來源繁多、排放量大、組成復雜，煤渣便宜易得、能吸附多種污染物的優點使煤渣用于工業廢水的研究成為煤渣吸附的熱點研究方向。

彭娟等[2]以磁性Fe3O4/改性煤渣復合材料，研究其對Cr6+的吸附性能。結果表明，在pH=3～7 酸性條件下，磁性Fe3O4/改性煤渣復合材料對Cr6+的去除率達到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。結果表明，粉煤灰對Cu2+、Zn2+去除率均達97%以上，對Ni2+的去除率在65%左右，驗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吸附下渣粒對氟和砷的吸附性能。結果表明，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95%以上。李向霞[5]等用氯化鎂改性煤渣研究其除氟效果。結果表明，當選擇F-溶液的初始質量濃度為30 mg·L-1和吸附劑投加量為30 g·L-1時，在pH=2～11的范圍內氯化鎂改性煤渣吸附F-的效率均達到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用技術對偶氮染料的顏色和TOC吸附效果。結構表明，連用法脫色率可達99.6%，TOC去除率可達72.7%。

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

ZHENG[9]等利用煤渣-生物降解聯用法處理高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) %。廢水經處理后可達中國藥物廢水排放標準。

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度，疏松多孔結構使得這些再生骨料吸附力和滲透性達到要求，加之來源廣泛、價格低廉、預處理簡單，煤渣部分代替砂石等天然骨料成為煤渣回用的另一個重點研究方向。

張娟[10]等研究了不同煤渣摻量對半剛性基層性能的影響。結果表明，半剛性基層的7 天無側限抗壓強度隨煤渣摻量的升高而降低，后期抗折強度下降緩慢；當煤渣摻量小于15%時，半剛性基層的干燥收縮隨煤渣摻量的升高而降低；當煤渣摻量為15%時，半剛性基層的收縮量增大；當煤渣摻量為10%時，半剛性基層的干燥收縮率最低。試驗結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用提供了試驗依據。

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。結果表明，當替代率為20%時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骨料對混凝土性能的影響，發現煤渣的摻入會提高混凝土的后期強度。

張立明[12]等研究了煤渣摻量和腐蝕時間對再生混凝土氯離子擴散系數的影響。結果表明，在相同腐蝕時間條件下，再生混凝土氯離子擴散系數隨著煤渣摻量的增加而先降低后增加，當煤渣粉摻量增加到30%時達到最小值。

劉雅慧[13]等針對海綿城市建設中城市雨水徑流下墊面填充基質功能單一問題，選取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4種單一基質和兩種復合基質進行吸附性能研究。結果表明，混合基質對氨氮和磷的吸附性能強于單一基質，蛭石、沸石和煤渣質量比為3∶3∶4時，基質對氨氮和磷的吸附性能最好，且強于任一單一基質，如果將混合基質引入海綿城市雨水滲濾系統，將大大增強城市雨水徑流阻控。

3.3 作儲熱材料

儲熱技術的主要問題在于成本高，因此對儲熱材料的選擇和改性，以及對材料的導熱系數、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將其應用到保溫材料也是煤渣回用的一個新方向。

趙文敬[14]等研究煤渣的蓄熱和導熱性能，及煤渣中添加鐵粉和水泥對樣品導熱性能以及儲熱性能的影響。結果表明，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，其導熱性能和蓄熱性能都會大幅提升，可作為太陽能光熱發電蓄熱材料的很好選擇。

夏群[15]等以煤渣與?；⒅闉楸夭牧?，試驗研究了100%再生粗骨料混凝土保溫空心砌塊的強度與熱工性能。結果表明，煤渣會降低砌塊的強度，但能提高砌塊的保溫性能，當煤渣取代量30%～50%時，采用最優配比可制備出滿足《自保溫混凝土復合砌塊》（JG/T 407—2013）的SIB I（3）1300 MU5.0 EC20 ES4 優等產品。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格偏貴等多個的問題。

4 結束語

煤渣的回用研究目前還處于實驗室階段，工業化應用還有待推進。隨著國家環保政策的日益嚴格和人們環保意識的持續提高，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。但制約這些技術發展的諸多問題也不容忽視，其中包括以下比較關鍵的兩點。

1）吸附飽和后煤渣的脫吸及重復利用。應進一步加強對煤渣處理廢液后的再生或利用研究，避免對環境造成二次污染。

2）工藝研究與推廣。煤渣回用研究目前多處于試驗階段，工業實踐較少，加強煤渣處理環境有害物質的工藝研究，開發相應的裝置，將大大促進其在環境工程領域的推廣和應用。