气化渣于水泥砂浆及混凝土方面的研究与展望
摘要：随着现代煤油化工行业的发展，煤气化技术带来的副产物气化渣对于环境的污染及资源的浪费问题日益剧增，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。鉴于此，本文旨在分析气化渣来源及理化特性，探讨其在于砂浆材料和混凝土中的应用现状，期望开辟出一种大规模消纳气化渣，使其资源化利用的一条新道路。
Abstract: With the development of modern kerosene chemical industry, the problem of environmental pollution and resource waste caused by by-product gasification slag brought by coal gasification technology is increasing. How to eliminate the pollution of waste slag, realize scientific disposal and transform waste into treasure has become an important topic that needs to be broken through for the sustainable development of coal gasification industry. In view of this, this paper aims to analyze the source and physical and chemical properties of gasification slag, explore its application status in mortar materials and concrete, hoping to open up a new way to consume gasification slag on a large scale and make it a resource utilization.
关键词：气化渣；水泥砂浆；混凝土；理化特性    中图分类号：TU525.9
0引言
我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，大量煤炭的燃烧为我国的环境带来巨大的压力。作为煤炭资源高值化、洁净利用的煤气化技术逐步成为煤化工发展的龙头技术，然而气化炉内煤中矿物经过物理化学转变与残留的碳质颗粒会形成固体残留物气化渣。调查显示2019年我国气化渣的排放量达到3 300万吨，目前的主要处理方式为堆存与填埋，尚未出现大规模消纳气化渣的方法，堆存造成的水体污染、土壤重金属的富集、大气中颗粒物的增加严重影响了生态环境的治理。
目前气化渣的资源化利用技术主要聚焦在建工建材、生态治理、吸附催化等领域，由于其含碳量高、杂质高等特点，导致在建筑材料中的应用品质不稳定，生态治理易产生二次污染等问题，经济和环境效益差，因此煤气化灰渣规模化安全处置技术亟待解决。
1气化渣的来源及危害
煤气化是指煤或煤焦在一定的温度与压力下，通过水蒸气、氧气等氧化剂，将其粗制成水
煤气，再以其为主原料经过一定技术制备成一、二级化工产品。煤在气化炉中经历了众多热转化过程后，其中的矿物质与其余无机组分经过破裂、团聚和熔融等过程，结束后与未反应的煤或煤焦会形成气化渣。气化渣包括粗渣与细渣，其粒径分别集中在16~4目与小于200目。粗渣在气化炉壁，经过渣口下降管并淬冷后，迅速以固态小颗粒的形式沉降在激冷室底部，最终在气化炉渣口产生；而细渣则是由飞灰及细颗粒渣组成，最终产生在合成器的除尘装置中。二者残碳量也不同，粗渣残碳量介于5%-30%，而细渣残碳量介于30%-50%[1]。
迄今为止我国我煤气化渣利用及处理技术比较落后，大部分被迫堆放，并且由于长期堆放已经造成了部分城区PM2.5超标，其释放的刺鼻的气体不仅对空气有害，更危害了人们的身体健康；经过雨水冲刷的煤气化渣会随水流进入地表水系统，其中的有害物质与重金属元素会使水土污染，造成土地无法耕种，极大影响土地利用资源。而有害地表水又会通过水循环进入地下水，污染居民饮用水，因此，如何采用环保高效经济的煤气化渣处理系统，成为我国化工产业亟待解决的难题之一。
2 气化渣的特性分析
2.1 气化渣的物理特性
气化渣外表致密有光泽，整体呈现灰黑。粗渣一般存在于汽化炉底部的排渣口处，粒径介于3.75～9.00 mm，占总排渣量的 60%～80%；而细渣一般存在于除尘装置中，粒径在50μm 以下且以粉末状的形式存在含水率较高，占总排渣量的 20%～40%。根据方梦祥[2]等人的研究，可燃物在气化渣中分布不均，粗渣的可燃含量随粒径的增大而减小，而细渣的可燃物含量随粒径的增大而增大。粗渣中可燃物与 CO2的反应细渣的残碳含量明显大于粗渣，且因为渣样碳粒表面均具有发达的孔隙结构，气化细渣含水率较高，真空带式过滤机脱水后气化细渣含水率甚至达50%以上。渣中的大部分矿物质主要以无规则晶型惰性物质存在，粗渣碳粒比表面积大于细渣。
2.2 气化渣的化学性质
由于煤种、原煤产地、炉型、气化工艺等条件的差异，气化渣在矿物组分含量上存在差异，但均主要由 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和残炭等构成。而主要矿相为非晶态铝硅酸盐，夹杂着石英、方解石等晶相。陕西、宁夏、内蒙古、山东及部分中石化地区选取的代表性气化渣的化学组成见表 1[3]。可知气化粗渣一般含碳量较低，气化细渣残炭质量分数
均较高，在 20%左右，部分地区甚至达 40%以上。各地气化渣化学组成均以 SiO2、Al2O3为主，部分地区气化渣中 CaO、Fe2O3含量也较高。
表 1 不同炉型气化渣矿物含量[3]
Table 1 Mineral content of gasification slag in different gasifier types[3]
原料
主要矿物相对质量分数/%
烧失量/%
SiO2
Al2O3
CaO
Fe2O3
陕西粗渣
35.74
8.72
15.86
14.24
16.08
陕西细渣
14.87
7.73
8.15
8.74
52.92
宁夏粗渣
53.35
16.82
8.12
10.04
1.19
宁夏细渣
40.76
12.65
6.79
7.26
22.82
内蒙古粗渣
27.34
14.42
19.03
吴辉23.94
6.99
内蒙古细渣
32.02
12.89
11.19
11.53
25.39
细渣平均值
38.81
13.32
14.34
16.07
8.09
粗渣平均值
29.22
11.09
8.71
9.18
33.71
3气化渣掺杂水泥砂浆利用现状
气化渣在建筑材料方面的应用十分广泛，主要包括制备陶粒、水泥、混凝土、墙体材料以及砖材等。气化渣掺杂水泥砂浆多用于建工建材，如替代河沙作骨料、混凝土、烧结砖、墙体材料等，是气化渣掺杂水泥砂浆利用的最直接方式[11]。
如果气化渣掺量达到了10％，便能在水泥浆体中能起到成核作用，可使水泥发生水化反应，水泥浆体中水化产物数量便可提高，即缩短了凝结时间，还能使水泥砂浆的抗压强度有所提升。
在水泥窑中经过二次燃烧后的煤气化渣具有残碳含量低、热值极高的优点，如果把煤气化渣掺杂在水泥砂浆中，可达到节约能耗的目的，并且能提升水泥熟料的产量与质量。其中，煤气化细渣和粗渣煤的适用方向不同，煤气化细渣适合制备水泥或特殊的混凝土（如泡沫混凝土），而粗渣更适用于制备混凝土。煤气化细渣是一种具有比表面积大、黏附性强等特点的原料，综上所述：煤气化细渣是优良的水泥原料。煤气化渣还可作为混凝土的骨料或掺合料，研究表明，混凝土中掺入煤气化粗渣后其抗压强度能明显地得到提高，尤其是掺入研磨后的煤气化粗渣既能提高抗压强度又能更好地降低干缩率。
4气化渣于混凝土方面的应用
煤气化渣在建筑材料方面主要应用在制备砌体材料、煤气化渣掺制水泥和混凝土、煤气化渣作为道路材料和煤气化渣作为其他建筑材料4个利用方向。煤气化渣当中大量的活性SiO2和Al2O3可以用作与掺合料和骨料，但使用时其烧失量要求低于10%(GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》)。
刘开平等[4]在研究煤气现掺加研磨后粗渣的混凝土的抗压强度明显高于基准混凝土，原因是大量化渣应用于水泥混凝土的可行性的时候对掺加气化粗渣混凝土与普通混凝土的性能进行了对比，发非晶态活性物质在水化过程中生成了硅酸钙凝胶，可以增加混凝土的强度，并且掺加气化渣可以减小混凝土干缩率。赵水彬等[5]对煤气化渣特性进行研究并发现水泥熟料的制备可以用SiO2含量为50.59%的煤气化渣代替硅质原料， 混凝土的掺和可以用料玻璃相含量90%左右的煤气化渣替代。杨俊杰等[6]研究表明污泥气化渣经过处理后制备蒸压加气混凝土具有可行性，掺量为65%时，其绝干密度和抗压强度完全符合国家标准。可见，煤气化渣作原料可以改变混凝土的部分特性，比如改变混凝土的干缩率、强度、凝结时间等特性。