煤渣回用技术研究进展及应用分析

尉晓妮，王琨，王东

（1.陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南 714000；2.中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300450）

目前，渣场填埋依然是国内多数煤化工企业煤渣处理的第一选择。随着我国煤化工规模的日益壮大，煤渣产量也逐年增加，简单填埋不仅侵占土地，其安全和环保风险也日益引起重视，最新发布的《一般工业固体废物贮存场、处置场污染物控制标准》也对一般工业固废填埋提出了更加严格标准。提升回用附加值，拓宽煤渣回收利用途径，以废治废、变废为宝成为当前紧要问题。

1 煤渣物理特性

水煤浆气化时，原料煤在高温区中快速完成气化反应逸出气体，熔融态煤渣在激冷室中与高压激冷水迅速接触，冷却固化为蜂窝状细孔结构明显的玻璃渣固体小颗粒渣体。根据原煤煤种、产地及气化操作不同，煤渣主要成分和性状也有所不同。煤渣中残碳质量分数大致 33%～37%，比表面积0.20～0.35 m2·g-1，同时含有比例不同的硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、钛、铬等氧化物。典型煤渣化学组成见表1[1]。

表1 3种典型煤渣的化学组成质量分数/%

2 煤渣吸附机理研究

2.1 吸附机理

比表面积决定了吸附容量和吸附活性的大小，对其吸附性起决定性作用。煤渣中所含的几种主要金属氧化物可作为骨架支撑，形成煤渣激冷后疏松多孔但又强度很高的良好性能。煤渣孔隙率一般在在50%～60%，比表面积大，表面能高，能为被吸附物质提供大量着位点，煤渣中的残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，因此目前对煤渣回用的技术研究，都是从开发煤渣的吸附、储能特性出发的。

2.2 改性提升

比较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

单一煤渣作为吸附或者储能材料优势并不突出，一般都要经过改性处理提高性能。煤渣改性分为物理改性和化学改性2种，物理改性主要是物理加工，使其表面蜂窝状结构更加丰富，开放性孔径更多，比表面积更高；化学改性则主要是通过加入酸性、碱性或者其他盐类组分，激发煤渣中的Si、Al活性点，使其活性更高，功能更具针对性。

3 煤渣应用研究

3.1 作污水处理剂

工业废水来源繁多、排放量大、组成复杂，煤渣便宜易得、能吸附多种污染物的优点使煤渣用于工业废水的研究成为煤渣吸附的热点研究方向。

彭娟等[2]以磁性Fe3O4/改性煤渣复合材料，研究其对Cr6+的吸附性能。结果表明，在pH=3～7 酸性条件下，磁性Fe3O4/改性煤渣复合材料对Cr6+的去除率达到98%。王浩等[3]研究了粉煤灰、膨润土和沸石作对重金属Cu2+、Zn2+、Ni2+的吸附。结果表明，粉煤灰对Cu2+、Zn2+去除率均达97%以上，对Ni2+的去除率在65%左右，验证了粉煤灰代替膨润土去除Cu2+、Zn2+的可行性。

李娟[4]等用蜂窝煤煤渣研究了静态吸附下渣粒对氟和砷的吸附性能。结果表明，煤渣对高氟水的吸附效果好于低氟水，对高浓度及低浓度的砷均具有较好的吸附效果，去除率可达95%以上。李向霞[5]等用氯化镁改性煤渣研究其除氟效果。结果表明，当选择F-溶液的初始质量浓度为30 mg·L-1和吸附剂投加量为30 g·L-1时，在pH=2～11的范围内氯化镁改性煤渣吸附F-的效率均达到90%以上。

高丽娟[6]等研究了芬顿试剂氧化法与煤渣吸附法联用技术对偶氮染料的颜色和TOC吸附效果。结构表明，连用法脱色率可达99.6%，TOC去除率可达72.7%。

杨金辉[7]、马万征[8]等研究了原状煤渣对富营养化废水中氨氮和总磷的吸附效果。杨金辉试验中总磷去除率可达46.4%，马万征试验中氨氮去除率最高可达45%。

ZHENG[9]等利用煤渣-生物降解联用法处理高COD的药物废水，药物废水的COD、BODs、SS、色度的去除率分别为(99.7±0.3) %、(98.2±0.4) %、(98.5±0.3)%和(96.3±0.2) %。废水经处理后可达中国药物废水排放标准。

3.2 作建筑基料

SiO2和Al2O3等氧化物的存在保证了煤渣有足够的强度，疏松多孔结构使得这些再生骨料吸附力和渗透性达到要求，加之来源广泛、价格低廉、预处理简单，煤渣部分代替砂石等天然骨料成为煤渣回用的另一个重点研究方向。

张娟[10]等研究了不同煤渣掺量对半刚性基层性能的影响。结果表明，半刚性基层的7 天无侧限抗压强度随煤渣掺量的升高而降低，后期抗折强度下降缓慢；当煤渣掺量小于15%时，半刚性基层的干燥收缩随煤渣掺量的升高而降低；当煤渣掺量为15%时，半刚性基层的收缩量增大；当煤渣掺量为10%时，半刚性基层的干燥收缩率最低。试验结果证明了煤渣可以作为半刚性基层中集料的替代材料，为煤渣在道路工程中的应用提供了试验依据。

ISA[11]等研究了煤渣与粒化高炉矿渣替代砂制备水泥混凝土的耐久性。结果表明，当替代率为20%时混凝土的综合耐久性最佳。MALKIT 等研究了煤渣替代混凝土中的细骨料对混凝土性能的影响，发现煤渣的掺入会提高混凝土的后期强度。

张立明[12]等研究了煤渣掺量和腐蚀时间对再生混凝土氯离子扩散系数的影响。结果表明，在相同腐蚀时间条件下，再生混凝土氯离子扩散系数随着煤渣掺量的增加而先降低后增加，当煤渣粉掺量增加到30%时达到最小值。

刘雅慧[13]等针对海绵城市建设中城市雨水径流下垫面填充基质功能单一问题，选取蛭石、煤渣、陶粒、火山石4种单一基质和两种复合基质进行吸附性能研究。结果表明，混合基质对氨氮和磷的吸附性能强于单一基质，蛭石、沸石和煤渣质量比为3∶3∶4时，基质对氨氮和磷的吸附性能最好，且强于任一单一基质，如果将混合基质引入海绵城市雨水渗滤系统，将大大增强城市雨水径流阻控。

3.3 作储热材料

储热技术的主要问题在于成本高，因此对储热材料的选择和改性，以及对材料的导热系数、比热容等热性能的研究极其重要。利用煤渣密度低、孔隙率大、吸水率高、兼具保温隔热性能等特点将其应用到保温材料也是煤渣回用的一个新方向。

赵文敬[14]等研究煤渣的蓄热和导热性能，及煤渣中添加铁粉和水泥对样品导热性能以及储热性能的影响。结果表明，煤渣自身有微小的蓄热能力，将煤渣与铁粉按照6∶4比例参配，并加入少量水泥作为黏合剂，其导热性能和蓄热性能都会大幅提升，可作为太阳能光热发电蓄热材料的很好选择。

夏群[15]等以煤渣与玻化微珠为保温材料，试验研究了100%再生粗骨料混凝土保温空心砌块的强度与热工性能。结果表明，煤渣会降低砌块的强度，但能提高砌块的保温性能，当煤渣取代量30%～50%时，采用最优配比可制备出满足《自保温混凝土复合砌块》（JG/T 407—2013）的SIB I（3）1300 MU5.0 EC20 ES4 优等产品。这一研究有望解决天然骨料资源紧缺、建筑垃圾与煤渣堆放以及墙体保温材料市场价格偏贵等多个的问题。

4 结束语

煤渣的回用研究目前还处于实验室阶段，工业化应用还有待推进。随着国家环保政策的日益严格和人们环保意识的持续提高，简单填埋的成本将越来越高，煤渣回用研究成果的推广步伐将越来越快。但制约这些技术发展的诸多问题也不容忽视，其中包括以下比较关键的两点。

1）吸附饱和后煤渣的脱吸及重复利用。应进一步加强对煤渣处理废液后的再生或利用研究，避免对环境造成二次污染。

2）工艺研究与推广。煤渣回用研究目前多处于试验阶段，工业实践较少，加强煤渣处理环境有害物质的工艺研究，开发相应的装置，将大大促进其在环境工程领域的推广和应用。