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煤化工指以煤炭為基本原料，經(jīng)過物理和化學(xué)的一系列加工，使煤炭轉(zhuǎn)化為氣體、液體、固體燃料及化學(xué)品和材料的過程[5]。煤氣化技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代煤化工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和抓手[6]。當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的煤氣化技術(shù)有固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床氣化技術(shù)[7]，其中氣流床氣化技術(shù)成為了煤炭高效清潔利用的主流方式。

煤氣化過程中，原煤在氣化爐內(nèi)經(jīng)高溫快速分解，然后與氣化劑進(jìn)行反應(yīng)轉(zhuǎn)化為合成氣。在這個(gè)過程中生成煤氣化渣，其中從氣化爐底部排出的氣化渣通常稱為粗渣，占比約60%～80%，頂部隨氣流攜帶而出的稱為細(xì)渣，占比約20%～40%[8]。隨著煤氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生的廢渣也逐漸增多，大量的煤氣化渣堆積不僅會(huì)造成灰塵飛揚(yáng)污染環(huán)境還占用了土地資源，造成了環(huán)境污染和生態(tài)破壞[9-10]。因此，對(duì)其進(jìn)行減量化、資源化和無害化處置，提高其利用率，緩解或消除環(huán)境問題，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)。

2.1組分分析

2.1.1元素組成

煤氣化渣主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和殘?zhí)冀M成，但是原煤產(chǎn)地不同、氣化爐型不同，所產(chǎn)生的氣化渣元素組成有所不同（見表1）。鄂爾多斯煤在多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐生成的粗渣和細(xì)渣中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO總含量都大于90%，殘?zhí)荚诖衷⒓?xì)渣中含量相近，分別為32.44%、39.66%[11]。陜西煤在多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐生成的粗渣和細(xì)渣SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO總含量都大于85%，粒徑較大的細(xì)渣含碳量比粒徑小的高[12]。陜西煤在Texaco氣化爐產(chǎn)生的粗渣和細(xì)渣主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和殘?zhí)?，總含量都大?0%，殘?zhí)荚诖衷?、?xì)渣中含量分別為18.89%、36.12%[13]。寧東煤在煤氣化裝置產(chǎn)生的粗渣和細(xì)渣的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO總含量都大于85%，細(xì)渣含碳量高于粗渣[14]。寧東煤在Texaco氣化爐產(chǎn)生的細(xì)渣的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO總含量大于80%，含碳量不超過10%[15]。此外，寧東煤在Texaco氣化爐、四噴嘴氣化爐、GSP氣化爐產(chǎn)生的三種煤氣化渣SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO總含量都大于85%，Texaco氣化爐殘?zhí)己孔罡?，其次是四噴嘴氣化爐，最后是GSP氣化爐[16]。 

2.1.2 礦物組成

煤氣化渣是由礦物質(zhì)和未燃碳顆粒組成，礦物質(zhì)種類和形態(tài)多而復(fù)雜，對(duì)礦物組成進(jìn)行分析有利于煤氣化渣的高效利用。通過XRD分析氣流床煤氣化生成的粗渣和細(xì)渣的礦物組成，發(fā)現(xiàn)細(xì)渣中礦物質(zhì)的主要成分為石英和莫來石，粗渣中礦物質(zhì)除了石英和莫來石以外還有鈣長(zhǎng)石[17]。對(duì)于不同的煤種和爐型，煤氣化渣的礦物組成不同。Texaco氣化爐產(chǎn)生的氣化爐渣玻璃相和無定形殘?zhí)己亢芨?，達(dá)到90％以上，另外還存在石英、方解石和斜長(zhǎng)石等晶相[13]。對(duì)寧東煤在Texaco、GSP氣化爐所產(chǎn)生的粗渣與細(xì)渣中的礦物組成進(jìn)行分析，由圖1可知，四種灰渣以無定形為主，均含有石英相，同時(shí)Texaco粗渣中還含有少量鎂鋁柱石，細(xì)渣中有少量三氧化二鐵，GSP粗渣中存在鈣鋁長(zhǎng)石[18]。帥航等[19]對(duì)魯西航天爐、陜西Texaco氣化爐、神木化工Texaco氣化爐及山東多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐產(chǎn)生的煤氣化渣的礦物組成進(jìn)行分析，結(jié)果表明氣化爐渣主要由非晶相組成，不同氣化爐渣的晶相不同，石英為主晶相，其次為方解石。

2.2 微觀形貌

由于煤氣化渣中粗渣和細(xì)渣的水分、揮發(fā)分、礦物組成、含碳量、粒徑分布等性質(zhì)存在較大差異，因此煤氣化渣的微觀形貌也不相同。通過SEM表征得出煤氣化渣由球體和絮狀物組成，且粗渣中的絮狀物和球體是連續(xù)分布的，而細(xì)渣中是分離的[20]。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道粗渣呈片狀或顆粒狀，表面光滑密實(shí)，部分渣樣完全熔融并團(tuán)聚成球狀，而細(xì)渣呈絮團(tuán)狀，表面呈蜂窩狀（見圖2）[17]。

不同的煤種、爐型所產(chǎn)生的煤氣化渣的微觀形貌也不相同。Texaco氣化爐產(chǎn)生的煤氣化渣中存在未燃燒碳顆粒和灰暗的玻璃狀顆粒，且粗渣比細(xì)渣中的玻璃狀顆粒的含量高很多[21]。新疆準(zhǔn)東中低變質(zhì)程度煤在Texaco氣化爐產(chǎn)生的爐渣為多孔結(jié)構(gòu)，殘?zhí)慷酁楹＞d狀多孔結(jié)構(gòu)，渣樣分布不均勻且疏松多孔[22]。寧東煤在煤氣化裝置中產(chǎn)生的粗渣含有很多不規(guī)則塊狀的物體，細(xì)渣中含有球形微珠，且球顆粒較大，球狀顆粒表面附著許多疏松多孔的絮狀物質(zhì)[14]。另外，寧東煤在Texaco、OMB及GSP氣化工藝所產(chǎn)生的煤氣化細(xì)渣中的物質(zhì)可分為黏結(jié)球形顆粒、多孔不規(guī)則顆粒和孤立的大球形顆粒，且相互錯(cuò)雜分布[15]。陜西某型氣化爐產(chǎn)生的煤氣化細(xì)渣主要由疏松多孔的焦炭顆粒和部分高溫下熔融的球形灰顆粒組成[23]。

綜上可知，不同煤種、不同工藝以及不同氣化裝置的煤氣化渣的元素組成和礦物組成存在差異，形貌也均不相同。煤氣化渣的礦相成分主要是由非晶相鋁硅酸鹽和少量的晶相礦物質(zhì)組成。粗渣大多呈顆粒狀或片狀，表面光滑密實(shí)，細(xì)渣則呈絮團(tuán)狀，表面蓬松且較多孔隙。由于煤氣化渣中含有大量的SiO2、Al2O3以及比較豐富的碳資源和多孔結(jié)構(gòu)，為其在廢氣廢水吸附、建工建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)。

結(jié)合煤氣化渣含碳量高、鋁硅含量高、比表面積較大、孔隙結(jié)構(gòu)比較發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行資源化利用。利用煤氣化渣制備介孔材料、活性炭、復(fù)合材料，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)資源化利用。

3.1 煤氣化渣制備介孔材料

煤氣化渣含有大量的硅元素，可以用來制備介孔材料，且由于介孔材料豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，因此具有良好的應(yīng)用前景[24]。Du等[25]將煤氣化渣經(jīng)過濃度為4mol/L的醋酸處理后，其比表面積增加到105.9m2/g；經(jīng)過相同濃度的鹽酸處理后，其比表面積得到大幅度提高，增加到430.0m2/g，并且隨著鹽酸濃度的增加，介孔量也逐漸增加。Zhang等[26]利用鹽酸處理煤氣化細(xì)渣，F(xiàn)e、Ca等金屬氧化物溶出，得到比表面積和孔體積分別為541m2/g和13.575px3/g、孔徑主要在2-8nm范圍內(nèi)介孔吸附劑，并將其進(jìn)行胺改性用于吸附CO2。同樣采用鹽酸酸浸處理煤氣化細(xì)渣，Liu等[27]將煤氣化細(xì)渣利用鹽酸酸浸，600℃高溫焙燒制備比表面積為364m2/g、孔體積為8.475px3/g、孔徑主要在2-6nm范圍內(nèi)的介孔玻璃微球（見圖3），由圖可見，浸出金屬氧化物的介孔玻璃微球表面孔結(jié)構(gòu)豐富。

為了提高煤氣化渣中硅的利用率，對(duì)煤氣化渣進(jìn)行堿活化。溫龍英[28]采用碳酸鈉焙燒活化-鹽酸酸浸處理煤氣化細(xì)渣（SiO247.67%、Al2O317.36%、Fe2O36.30%、CaO16.25%），制備比表面積為1573m2/g、孔體積為26px3/g、孔徑在2-3nm范圍內(nèi)、純度高達(dá)99.6%的二氧化硅介孔材料。李晨辰[29]將煤氣化渣（SiO240.80%、Al2O320.07%、Fe2O311.58%、CaO19.29%）通過鹽酸酸浸-NaOH活化獲得了化學(xué)活性高的高硅原料，然后通過溶膠－凝膠工藝制備比表面積為1347m2/g、孔體積為20.75px3/g、孔徑在2.91-3.65nm范圍內(nèi)的有序介孔硅基材料MCM-41。

利用煤氣化渣中的硅元素制備高附加值的介孔材料是煤氣化渣資源化利用的有效方式，煤氣化細(xì)渣由于具有較高的硅鋁含量，比表面積較大，相比于煤氣化粗渣，細(xì)渣中的鐵、鈣含量較低，更適用于制備介孔材料。煤氣化渣作為一種高溫?zé)Y(jié)的非晶態(tài)為主的煤基固廢，利用酸浸方式，尤其是鹽酸等強(qiáng)酸能有效除去Fe、Ca等可溶性金屬鹽，得到具有豐富介孔結(jié)構(gòu)的無定形二氧化硅材料。酸浸工藝具有簡(jiǎn)單、易操作的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)生多組分復(fù)雜廢液，因此要考慮對(duì)浸出液的處理與處置問題。

3.2 煤氣化渣制備活性炭

煤氣化渣的含碳量很高，通過直接活化和殘?zhí)挤蛛x兩種方式可以制備具有高附加值的活性炭。Wagner等[30]發(fā)現(xiàn)煤氣化粗渣中殘?zhí)季哂休^高的比表面積和微孔體積，可作為活性炭或優(yōu)質(zhì)炭產(chǎn)品的前驅(qū)體。采用水蒸氣作為活化劑，可將煤氣化粗渣中炭質(zhì)成分轉(zhuǎn)化為活性炭，然后通過水熱晶化反應(yīng)制備出活性炭/沸石復(fù)合材料，并應(yīng)用于吸附去除水溶液中亞甲基藍(lán)和重金屬Cr3+[31]。用KOH對(duì)煤氣化渣進(jìn)行活化，然后負(fù)載Fe3+制備煤氣化渣基活性炭，當(dāng)Fe負(fù)載量21%、甲基橙初始濃度250mg/L時(shí)，對(duì)甲基橙的降解率達(dá)97%[32]。Xu等[33]將煤氣化細(xì)渣用KOH活化法制備比表面積為2481m2/g，孔容為42.75px3/g的活性碳，并應(yīng)用于吸附工業(yè)廢水中的Pb2+。

煤氣化渣經(jīng)過浮選提碳后可用來制備活性炭。相關(guān)文獻(xiàn)指出將氣化細(xì)渣經(jīng)過泡沫浮選獲得的炭渣利用KOH進(jìn)行堿熔-水熱反應(yīng)（KOH和碳的反應(yīng)機(jī)理見圖4），可以制備總比表面積和孔體積分別為574.02m2/g和11.675px3/g的炭基多孔材料，并應(yīng)用于吸附廢液中的亞甲基藍(lán)[34]。此外，Miao等[35]將泡沫浮選后的煤氣化細(xì)渣通過KOH活化制備比表面積為1187m2/g，孔容為22.25px3/g的活性炭，用于CO2捕集。劉冬雪等[36]將煤氣化爐渣浮選分離出的精炭通過KOH活化法制備出了比表面積為1226.76m2/g，孔容為17.349999999999998px3/g的活性炭。利用CO2活化煤氣化渣的浮選精炭同樣可以制備活性炭。胡俊陽(yáng)[37]在活化溫度為900℃，時(shí)間為2.0h、CO2通氣量為0.80L/min的活化條件下制得活性炭的比表面積最大為533.2m2/g。

目前，煤氣化渣脫碳技術(shù)主要是浮選法，浮選得到的殘?zhí)冀?jīng)過活化可制備活性炭，但是這種方法對(duì)殘?zhí)己恳蠛芨?，一般只適用于煤氣化細(xì)渣，有一定的局限性。不同的煤種和氣化工藝產(chǎn)生的煤氣化渣的特性、粒度差異較大，需要選取適宜的浮選工藝和設(shè)備。此外，浮選的流程復(fù)雜、藥劑消耗量大、生產(chǎn)成本高、難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，浮選后剩余鋁、硅和殘?zhí)嫉脑倮靡彩切枰鉀Q的問題。針對(duì)浮選法脫碳存在的問題，采取的措施如下[38]：1）開發(fā)高效低成本浮選藥劑，且藥劑消耗量小、無環(huán)境污染；2）改進(jìn)浮選設(shè)備，不同浮選設(shè)備適選粒級(jí)不同，應(yīng)針對(duì)不同粒級(jí)選用合適的浮選設(shè)備；3）改進(jìn)浮選工藝，例如在浮選過程前加入超聲波分散、選擇性分散絮凝等分散方法，以期提高浮選脫碳的效果。

3.3 煤氣化渣制備復(fù)合材料

由于煤氣化渣含有豐富的鋁、硅和碳資源，而且互相夾雜，考慮對(duì)其進(jìn)行綜合利用。以煤氣化渣為原料合成復(fù)合材料是其資源化利用的重要途徑之一。通過活化、酸堿改性等方法制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的吸附性能。將煤氣化細(xì)渣作為硅鋁源和碳源，依次用鹽酸和氫氧化鈉進(jìn)行酸、堿改性可制備P型沸石/碳復(fù)合材料，用于吸附去除結(jié)晶紫[39]。顧彧彥等[40]利用KOH活化-鹽酸浸出法將煤氣化細(xì)渣制備比表面積高達(dá)1347m2/g、總孔體積為17.25px3/g的碳硅復(fù)合材料，然后采用過硫酸銨氧化法對(duì)其進(jìn)行表面改性，溶液pH為5時(shí)，改性碳硅復(fù)合材料對(duì)Pb2+的去除率可達(dá)98.2%。以煤氣化細(xì)渣為原料，采用物理活化-鹽酸酸浸法，以水蒸氣為活化劑制備比表面積為765m2/g，孔容為16px3/g的炭硅復(fù)合材料，對(duì)Pb2+的去除率為92%；采用化學(xué)活化-鹽酸酸浸法，可以得到比表面積和孔容更高的炭硅復(fù)合材料，以K2CO3為活化劑，得到的炭硅復(fù)合材料比表面積為886m2/g，孔容為18.75px3/g，對(duì)水溶液中Pb2+的去除率提高到98%[41]。何軍[42]通過濃鹽酸和氫氟酸酸洗煤氣化細(xì)渣獲得了高石墨化的殘?zhí)?，利用化學(xué)共沉淀法將納米四氧化三鐵負(fù)載于氮摻雜殘?zhí)急砻妫@得了磁-碳結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，當(dāng)填充量為40wt.%時(shí)，在1.5mm厚度下有效吸收帶寬為4.32GHz，具有優(yōu)異的吸波性能。

煤氣化渣還可以用來制備高分子復(fù)合材料。Ai等[43]將煤氣化細(xì)渣脫碳獲得的玻璃微珠作為填料，利用鹽酸和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行改性，與聚丙烯熔融復(fù)合制成復(fù)合材料，可以提高聚丙烯材料的熱穩(wěn)定性。艾偉東[44]通過氣流分級(jí)技術(shù)處理煤氣化細(xì)渣之后，將其摻入低密度聚乙烯基體中，制備了低密度聚乙烯/煤氣化細(xì)渣復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)煤氣化細(xì)渣的粒徑越小，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度越大。Zhang等[45]發(fā)現(xiàn)鹽酸酸浸后的煤氣化細(xì)渣引入聚丙烯中制備的復(fù)合材料，當(dāng)填料含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別比普通的填料高49.84%、70.81%和139.63%。

煤氣化渣具有高的含碳量，鋁、硅元素大都以非晶態(tài)的鋁硅酸鹽的形式存在，雜質(zhì)成分主要包括鈣、鎂、鐵、鈉和鈦等元素，這些元素都互相夾雜、難以分離。 針對(duì)煤氣化渣高碳、高雜導(dǎo)致其難以資源化利用的問題，中科院過程所胡文豪等[46]提出“質(zhì)子酸循環(huán)活化－稀堿脫硅－尾渣分質(zhì)利用”工藝思路，采用循環(huán)酸浸法對(duì)氣化渣進(jìn)行活化除雜，高效溶出賦存于玻璃相內(nèi)部的鋁資源，并以循環(huán)酸液為原料制備聚鋁產(chǎn)品；經(jīng)活化后的煤氣化渣在低堿濃度下可高效脫硅，脫硅液可制備高模硅酸鈉溶液；最后針對(duì)活化與脫硅后的尾渣碳含量高的特點(diǎn)，分選高碳渣用于氣化爐循環(huán)摻燒，低碳渣去除殘?zhí)己笥糜诎l(fā)泡陶瓷材料的制備。該工藝不僅實(shí)現(xiàn)了鋁、硅、碳資源的協(xié)同利用，而且實(shí)現(xiàn)了煤氣化渣碳資源的回收利用，極大程度的發(fā)揮和利用了煤氣化渣的價(jià)值，對(duì)煤氣化渣的資源化利用提供了思路。

現(xiàn)有的煤氣化渣在制備材料方面的研究主要針對(duì)煤氣化細(xì)渣，粗渣由于含碳量較細(xì)渣低，雜質(zhì)含量較高，難以制備高附加值材料，在此方面的研究較少。應(yīng)根據(jù)煤氣化粗渣和細(xì)渣的性質(zhì)差異，開展針對(duì)性的研究，提高煤氣化渣的綜合利用率，加快資源化利用進(jìn)程。

隨著煤氣化技術(shù)快速發(fā)展，煤氣化渣的產(chǎn)生量也越來越大，對(duì)煤氣化渣進(jìn)行高值化、規(guī)?；o害化利用是目前需要解決的問題。建議在分級(jí)利用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鋁、硅、碳資源的協(xié)同利用；對(duì)相互夾雜的鋁、硅、碳全利用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；?。基于煤氣化渣產(chǎn)量大、鋁硅碳資源豐富、比表面積較大、孔隙結(jié)構(gòu)比較發(fā)達(dá)的特性，現(xiàn)有煤氣化渣的資源化利用前景如下：

（1）對(duì)煤氣化渣進(jìn)行分級(jí)利用，高效提取其中的鋁硅和碳，并用于制備介孔材料及活性炭，實(shí)現(xiàn)煤氣化渣的資源化利用。但煤氣化渣制備高值化產(chǎn)品過程中廢液的處理也是需要解決的問題，如酸浸提取鋁硅后的含鐵鈣及重金屬的強(qiáng)酸性廢液，浮選提取碳元素后產(chǎn)生的有機(jī)廢液。另外，還需考慮制備材料過程中剩余含鋁、硅及碳?xì)堅(jiān)幕厥绽谩Ｒ虼藨?yīng)開發(fā)新的制備技術(shù)將鋁、硅、碳資源化協(xié)同利用，盡可能發(fā)揮其最大利用價(jià)值。

（2）煤氣化渣在建工建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用雖然在一定程度上取得了良好的效果，但存在技術(shù)復(fù)雜、利用率低等問題，大都處在實(shí)驗(yàn)室研究階段或試驗(yàn)推廣階段，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化利用。應(yīng)開發(fā)工藝簡(jiǎn)單、可行性強(qiáng)、易工業(yè)化且具有一定經(jīng)濟(jì)效益的資源化利用綜合技術(shù)。

（3）相比于煤氣化粗渣，煤氣化細(xì)渣由于含碳量和硅鋁含量較高，F(xiàn)e、Ca等雜元素含量較低，比表面積較大，更適用于制備高附加值材料。且細(xì)渣的粒徑較小、孔隙較發(fā)達(dá)，在吸附、土壤改良方面的應(yīng)用較多。而粗渣殘?zhí)己勘燃?xì)渣低，結(jié)構(gòu)密實(shí)、穩(wěn)定性高，在建工建材領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。因此應(yīng)根據(jù)煤氣化粗渣和細(xì)渣的組成、結(jié)合和性質(zhì)特點(diǎn)，開展針對(duì)性的研究，提高煤氣化渣的綜合利用率，加快資源化利用進(jìn)程。