煤气化渣的综合利用

能源是全世界科技进步与社会变革的物质基础,近现代社会的每一次重大变革都与能源的变化息息相关，如蒸汽时代、电气时代。因此，我国在实现伟大复兴和社会主义现代化建设的道路上，必须重点解决好能源问题。我国的能源结构特点是富煤、缺油、少气。中国的煤炭资源丰富，分布广泛，因此一直以来以煤炭消费为主。

根据BP公司发布的《BP世界能源统计年鉴2019》，2018年，中国占全球能源消费量的23.6%和全球一次能源消费增长的34%。中国连续17年稳居全球能源增长榜首；中国煤炭消费连续第二年有所增长（0.9%）；煤炭在中国能源结构中的占比由十年前的72%和2017年的60%降至2018年的58%，创历史新低。

在未来20至30年，中国能源强度的下降速度约为年均1.7%。中国的能源结构继续演变，《BP世界能源展望2019》指出，中国的能源消费中煤炭占比将从2017年的60%下降至2040年的40%。在未来的几十年内，煤炭在我国能源结构中仍占主导地位，它也是我国战略上最为安全可靠的能源。然而，我国煤炭转化的过程中普遍存在污染严重、效率低等的问题，因此研究开发清洁、高效的洁净煤技术迫在眉睫。煤气化是煤炭高效、 清洁利用的核心技术之一，开展大规模高效清洁煤炭气化技术以及相关技术研究和产业化示范，对推 动相关产业发展，保障国家能源安全意义重大。

近几年的实践也表明煤气化技术对我国发展经济，促进社会生产的可持续发展有现实的意义。

而对于以煤为主要原料的火力发电行业，采用先进高效环保的洁净煤发电技术，是可持续展战略对工业必然需求。

煤气化技术是煤炭高效清洁利用的核心技术之一，也是发展现代煤化工的重要基础。目前,我国煤气化产生的煤气化渣的年排放量已经超过3300万吨，其处理方式主要为堆存和填埋，不仅占用了大量的土地，而且存在较大的生态环境安全隐患。因此，煤气化渣作为一种大宗煤基固体废弃物，实现其规模化、高附加值资源化利用，对解决其堆积产生的环境和生态问题具有重要意义。煤气化渣中含有大量的活性SiO2，Al2O3，Fe2O3和CaO组分，相比于目前研究较多的粉煤灰，煤气化渣经历了高温环境及快速的激冷，玻璃体组分的含量较高。宏观上来看，粗渣一般呈颗粒状、片状或块状等多种形态，表面较为密实且光滑；细渣则大多为粉末状或絮团状，相对粗渣质地疏松，颗粒表面具有非常多的孔隙，因此易于破碎磨细。粗渣与细渣的主要组成都为原煤中的矿物质，但是其表面形貌及结构有较大差异，研究者将出现差异的原因归结于残碳含量。基于气化灰渣的形成过程与结构特性，孔隙结构是气化灰渣的一个重要研究内容，研究者们可以从比表面积、孔容大小和孔径分布等结 构参数来研究灰渣的孔隙结构特征。

煤气化固体产物中粗渣与细渣由于含碳量、孔隙结构及化学性 质等方面有较大差异，因此对于二者的利用方式也有所不同。对于气化粗渣，由于其含碳量低，大部分为矿物质，回收利用价值较小，因此目前主要用作矿场回填；对于气化细渣，其碳含量髙于粗渣，且具有发达的孔隙结构，因此具有更多的利用方式。

有研究采用醋酸和盐酸对灰渣进行酸洗，从酸浓度、反应温度和反应 时间的角度探究了酸处理对灰渣导热系数的影响。结果表明，酸处理确实可以有效降低灰渣的导热系数，且相比之下醋酸的效果优于盐酸。在三种影响因素中，酸浓度的影响最大。灰渣处理后导热系数降低的主要原因是酸处理增加了灰渣的比表面积、介孔数量和结晶度。针对气化细渣中富含硅酸盐和残碳的特点，采用盐酸浸出与KOH活化的方法，成功制备多孔碳——二氧化硅复合材料 ，测试结果表明，该复合材料的比表面可达到1374m2/g。除了上述制备各种材料外，气化细渣最简单直接的利用方式就是回收进行二次气化。在气化过程中，采用水煤浆进料的方式具有运输方便、易于储存、适应性强等优点，可适用于多种类的气化炉。考虑到燃料的热值与运输贮藏成本，水煤浆在制备时需要在尽可能提高其固含率并降低表观粘度，同时也需要具有良好的流动性与稳定性。而将大颗粒的粗渣与小颗粒的细渣混配制浆，可以有效填补水煤浆内颗粒间的孔隙，在保证表观粘度的基础上，提高水煤浆的固化率，使粗渣与细渣结合共同利用。

煤气化细渣等固体产物一般具有较高的残碳含量（15%-40%）， 较大的比表面积和较宽的孔径分布范围，可作为有效的碳前驱体制备多孔碳材料。多孔碳具有各种优异的性能，被广泛用于二氧化碳捕集、吸附和能量转换过程中，尤其在氧还原反应的电催化和相应的储能装置中得到了极大的应用。普通的碳纳米管和石墨烯中的原子具有稳定的sp2杂化结构，限制了其在电催化领域中的应用，而通过掺杂杂原子（例如 N、S、P、B等）或过渡金属原子可以显Z著提高多孔碳的氧还原反应（ORR）活性。但是，目前的大多数方法都对碳前驱体要求较高，预处理过程繁杂，并且由碳前驱体制备多 孔碳材料的方法难度较大，这些导致成型多孔碳材料的成本较高。

煤气化细渣作为固体废弃物，其产量大且含有经过高温热转化过程的碳和过渡金属元素，具有较发达的孔隙结构，因此可以成为制备多孔碳的新碳源选择。