现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (9) : 22-26. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.09.005

技术进展

煤气化细渣中碳质资源的分离与应用现状

乔嘉璐 ¹^,² ,
李健 ¹^,²^,^* ,
曹二平 ¹^,² ,
温家乐 ¹^,² ,
闫琪 ¹^,² ,
刘东升 ¹^,² ,
陈鲁园 ³ ,
闫龙 ¹^,² ,
陈碧 ¹^,² ,
杨永林 ¹^,²

作者信息 +

Separation and application status of carbonaceous resources in coal gasification fine slag

Jia-lu QIAO ¹^,² ,
Jian LI ¹^,²^,^* ,
Er-ping CAO ¹^,² ,
Jia-le WEN ¹^,² ,
Qi YAN ¹^,² ,
Dong-sheng LIU ¹^,² ,
Lu-yuan CHEN ³ ,
Long YAN ¹^,² ,
Bi CHEN ¹^,² ,
Yong-lin YANG ¹^,²

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摘要

系统综述了CGFS中碳质资源的分离技术,涵盖物理法、化学法、联合工艺法等,深入剖析了各技术的优缺点及适用范围。同时,全面介绍了碳质资源在吸附材料、电化学材料、环境修复等领域的应用现状,并对未来的研究及应用前景进行了展望。

Abstract

This paper systematically reviews the separation technologies for carbonaceous resources in coal gasification fine slag,covering physical methods,chemical methods,combined process methods,etc.,and deeply analyzes the advantages,disadvantages and application scopes of each technology.Meanwhile,it comprehensively introduces the application status of carbonaceous resources in adsorption materials,electrochemical materials,environmental remediation and other fields,and looks forward to the future research and application prospects of carbonaceous resources.

Graphical abstract

关键词

煤气化细渣 / 资源化利用 / 分离技术 / 碳质资源

Key words

coal gasification fine slag / re-utilization / separation technology / carbonaceous resources

Author summay

乔嘉璐(2002-),女,硕士生。

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乔嘉璐,李健,曹二平,温家乐,闫琪,刘东升,陈鲁园,闫龙,陈碧,杨永林. 煤气化细渣中碳质资源的分离与应用现状[J]. , 2025, 45(9): 22-26 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.09.005

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随着煤炭清洁高效利用技术的快速发展,煤气化技术作为核心工艺之一,在煤化工领域广泛应用。然而,煤气化过程中产生的煤气化细渣(CGFS)因产量大、成分复杂且含有一定量的未燃碳资源,成为制约行业绿色发展的瓶颈问题之一。CGFS由无机矿物质和残碳组成,其中CGFS中无机矿物质主要由SiO₂、Al₂O₃及CaO等氧化物组成,而残碳包括无定形炭和石墨化碳^[1]。这部分残碳因受高温熔融作用影响,分散于无机组分中,导致其难以直接燃烧或资源化利用,传统堆存和填埋方式不仅占用土地资源,还存在重金属浸出、扬尘污染等环境风险。因此,CGFS的资源化利用已成为煤化工行业的研究重点之一^[2]。

当前,CGFS的资源化利用面临双重挑战:一方面,未燃碳的存在限制了其在建材领域的直接应用;另一方面,碳质资源的高附加值潜力尚未被充分挖掘。研究表明,CGFS中碳质组分的理化性质与活性炭相似,具有高比表面积和发达的孔隙结构,这为其在吸附材料、催化剂载体等领域的应用提供了条件。然而,碳质资源的高效分离是实现其高值化利用的前提。现有的分离技术包括物理分选(如筛分、磁选)、化学处理(酸浸、碱浸)及生物转化等,但受限于碳与无机组分的复杂结合状态,物理分选效率低、成本高,化学处理消耗试剂、产生废液的问题亟待解决。

综上所述,CGFS中碳质资源的分离与应用研究,需从多学科交叉角度突破技术瓶颈,探索高效、低成本的碳质资源提取方法,并拓展其在环境修复、高值化材料等领域的应用场景。本文中将从CGFS的组成、CGFS中残碳资源的分离和CGFS中碳质资源的应用3个方面进行综述,并对CGFS未来研究及应用方向进行展望。

1 CGFS的组成

1.1 CGFS的粒度组成

CGFS是煤气化技术规模化应用过程中产生的副产物,其粒度组成不仅直接影响后续资源化利用的可行性,还与气化工艺参数、煤种特性及炉内反应机制密切相关。

邱燕琳等^[3]对取自内蒙古自治区某煤化工企业的CGFS样品进行了粒度组成分析,如表1,可以看出,样品灰分随粒度级降低显著增大,小于0.125 mm粒级灰分大幅增加,说明全粒级混合浮选对CGFS的分离效果不显著,因此将样品0.125 mm分界进行浮选实验。邓二庆等^[4]以陕西榆林某地水煤浆气化厂的CGFS为研究对象,进行了工业分析,发现随着CGFS粒度的减小,其灰分呈现先降低再升高的趋势,其中0.125 mm粒级的灰分只有18.94%,而小于0.045 mm粒级的产率比较高,可作为吸附剂用于废水处理和废气处理^[5],但灰分高达64.21%,因此在浮选分离CGFS时,最优的粒级为0.125 mm。

通过以上研究发现,各粒度级灰分整体随粒度级的减小而不断增大,粒径小于0.125 mm的CGFS灰分较高,粒径大于0.125 mm的CGFS则具有较高的残碳含量,适合用于碳灰分离。CGFS的粒度组成是其理化特性和资源化利用的重要基础。通过粒度分级技术可以有效分离CGFS中的残碳和无机物,提高资源化利用率。

1.2 CGFS的灰分组成

CGFS是煤炭气化过程中不可避免的副产物,成分复杂,主要包括残碳和无机灰分^[6]。灰分的化学组成和物理特性直接影响CGFS的处理与利用方式。

于希豪等^[7]对取自山东某化工企业的CGFS进行了工业分析,CGFS的灰成分如表2所示,发现CGFS的灰分主要以SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃为主。杨帅等^[8]通过对德士古、四喷嘴对置式及GSP 3种气化炉细渣的组分分析发现,SiO₂是细渣中含量最高的氧化物,主要来源于煤中石英及黏土矿物的高温转化;CaO含量为20%左右,可能来自煤中的方解石或白云石分解,对灰渣的熔融特性及后续建材利用有重要影响;Al₂O₃和Fe₂O₃含量相对较少,分别源自煤中的高岭石和硫铁矿等矿物的氧化。葛家君等^[9]研究发现,CGFS中SiO₂和Al₂O₃含量最高,表明灰分组分主要由硅酸盐和铝酸盐组成,CGFS可以通过重力分选进行炭灰分离。

CGFS的灰分组成复杂多样,化学组成和矿物组成受到原料煤种、气化工艺等多种因素的影响。通过对灰分组成的深入研究,可以为CGFS的资源化利用提供理论依据和技术支持。未来的研究应进一步优化分离技术,提高灰分与残碳的分离效率,并探索更多高附加值应用途径。

2 CGFS中残碳资源的分离

2.1 物理分离方法

CGFS的碳灰分离物理方法主要基于碳与灰分的物理性质差异,如密度、粒度、磁性、表面特性等。

2.1.1 浮选法

浮选法的原理是利用液体表面张力使悬浮液中固体污染物黏附在气泡上,通过亲水性和疏水性的差异实现有用矿物分选的过程^[10]。浮选法作为一种基于表面性质差异的物理分离方法,在CGFS处理中展现出潜力。

邱燕琳等^[3]对取自内蒙古某煤化工企业的 CGFS进行了磨矿和浮选实验,发现磨矿解离对浮选脱灰的效果有显著的影响,在相同的磨矿时间下,对比湿法球磨和棒磨的磨矿效率,湿法球磨能获得更高的碳、灰解离度。然后使用煤油、甲基异丁基甲醇为浮选剂进行浮选实验,最终得到了灰分为39.15%的低灰精矿产品。Liu等^[11]采用常规浮选法分级从CGFS中富集残碳,实验流程如图1所示,在最优实验条件下的分步释放浮选中,C₃灰分最低为29.21%,分步浮选为有效实现CGFS的资源化利用提供了科学的参考价值。Ye等^[12]采用取自宁夏神华集团某煤制油厂的CGFS样品进行实验,围绕以复合捕收剂为核心的浮选方式展开研究,对传统捕收剂(十二烷)和复合捕收剂在CGFS浮选效果、作用机制等方面进行对比。发现复合捕收剂浮选效果显著优于十二烷,这是因为复合捕收剂中的含氧官能团和芳烃通过物理吸附在残碳表面,增加了疏水位点,形成疏水油膜。相比之下,十二烷仅通过范德华力与残碳表面相互作用,难以形成连续疏水油膜。因此,增加浮选捕收剂成分多样性可提升CGFS浮选效率。

CGFS浮选脱碳技术在提高资源利用率方面具有显著优势,但仍面临药剂消耗大、工艺复杂等问题。通过优化浮选工艺、改进设备设计及开发新型低耗药剂,有望实现CGFS的高效资源化利用。

2.1.2 重力分离法

重力分选是一种基于物料密度差异的物理分离方法,基本原理是利用不同密度颗粒在介质中沉降速度的差异实现分离。

在CGFS处理中,重力分选主要利用碳和灰分的密度差异,通过调节分选介质密度和分选条件,实现碳和灰分的有效分离。Yu等^[13]研究了螺旋分离器对CGFS中残碳的富集行为,实验流程如图2所示,通过实验发现,螺旋分离机可以有效去除CGFS中的灰分,并富集CGFS中的碳组分。将CGFS原料分离为精矿、中矿和尾矿,其中尾矿中的灰分含量高达90%,占给料总灰分的18.5%。任振玚等^[14]利用水介质旋流器重力分选富集CGFS中的残碳,通过一次分选可使碳的回收率达87.31%,且富灰产品的灰分高达95.68%^[15]。

通过综合物料特性、处理规模及成本,选择适配的物理方法或组合工艺,可有效提升CGFS的资源化利用率,减少环境负担。

2.2 化学分离方法

化学法对CGFS进行脱灰提碳的机理是通过酸、碱或混合试剂选择性溶解CGFS中的无机矿物质,保留残碳的物理化学结构,实现碳-灰分离,但需解决试剂消耗、二次污染及能耗问题。

2.2.1 酸处理法

Wu等^[16]将CGFS与6 mol/L的盐酸溶液在室温下混合,使CGFS中的部分矿物质溶解在酸溶液中,接着使用40%的氢氟酸处理,更有效地去除 CGFS中的硅、铝等杂质,为后续研究和材料制备提供较为纯净的原料。Luo等^[17]采用一步水热硝酸处理法进行CGFS脱灰,实验过程如图3所示,利用硝酸的强腐蚀性和氧化性,实现脱灰并制备高性能吸附材料。Miao等^[18]采用酸处理法,使用质量分数35%的盐酸、氢氟酸和硝酸对CGFS进行处理,将处理后得到的样品再分别用质量分数35%的氢氟酸、硝酸和盐酸进行处理,结果表明,盐酸和氢氟酸联合处理可以去除所有的矿物质。

2.2.2 酸碱混合处理法

Wang等^[19]以CGFS为原料用KOH和酸浸法对CGFS进行脱灰,使灰分降低到了24.2%,同时研究了KOH:CGFS质量比、活化温度、HCl:CGFS配比对CGFS孔结构的影响,优化了CGFS合成的反应参数。Zhang等^[20]采用了一种高效且环保的两步脱灰提碳方法,实验流程如图4所示,首先将CGFS与氢氧化钠按质量比1:4混合,在450℃下进行熔融碱浸出反应。然后将熔融碱处理后的样品用盐酸溶液进一步浸出,最终灰分含量降至0.44%,得到的残碳用作超级电容器碳材料。

通过化学分离法可以使CGFS中的无机矿物脱除,实现碳灰的分离,得到理想的残碳产物,具有高比表面积和孔隙率,可以用作高值化材料,从而实现CGFS的资源化利用。

2.3 联合工艺分离方法

2.3.1 预先分级-浮选法

邓二庆等^[4]提出联合工艺,工艺流程如图5所示,全粒级CGFS以0.125 mm为分界进行物理筛分,对小于0.125 mm粒级的CGFS进行两段浮选,二段浮选精矿与粒度大于0.125 mm的CGFS成为最终精矿,最终得到灰分为26.38%的精矿产品,此工艺减少了CGFS浮选药剂的使用,具有广阔的工业应用价值。

2.3.2 浮选-化学联合法

苗泽凯等^[21]以CGFS为原料,首先通过浮选预处理实现CGFS中残炭和灰颗粒的高效分离,再将浮选得到的残碳用盐酸和氢氟酸进行脱灰处理,最终使灰分降低至1.5%。Miao等^[22]采用了泡沫浮选法和酸处理法从CGFS中脱灰提碳制备高纯碳,首先通过泡沫浮选法制备富灰颗粒和初步分离残碳,然后将CGFS用20%的盐酸溶液处理,接着用30%氢氟酸处理,最终残碳灰分低于3%,得到适合制备活性炭的原料。

3 CGFS中残碳资源的应用

3.1 制备吸附材料

利用CGFS制备活性炭的工艺和原理基于CGFS的特性^[23]。CGFS中含有一定量的碳质,这些碳质是制备活性炭的基础原料。制备原理主要包括活化过程,通过物理活化或化学活化的方法,在高温下使碳质发生反应,形成丰富的孔隙结构,从而提高活性炭的比表面积和吸附性能。

于希豪等^[7]利用CGFS为原料制备了吸附剂用于吸附亚甲基蓝(MB),采用了简单的化学活化法改性CGFS,利用稀酸/稀碱进行实验,发现稀酸活化后的CGFS平均孔径从0.718 nm增大到1.410 nm,稀碱活化后的CGFS比表面积和孔体积明显增加,对MB的吸附量最高达159.92 mg/g,实现了对MB的高效吸附。舒锐等^[24]以气化后的CGFS为原料,以NaOH为活化剂,采用高温碱活化法制备了一种高性能的吸附材料,在最优的实验条件下,CGFS对孔雀绿的吸附值可达4 784.1 mg/g,脱除率可达到95%。

CGFS残碳可通过优化活化工艺制备高性能活性炭,适用于环境修复领域,但需解决规模化生产中的灰分控制问题,探索活化尾气资源化路径。

3.2 制备电化学材料

CGFS中含有一定量的残碳,具有潜在的电化学应用价值^[25]。残碳因高碳含量、多孔结构和潜在导电性,有望转化为电化学材料。

Han等^[26]利用CGFS中廉价且大量的残碳为原料,通过KOH湿法在不同温度下制备了具有较高碳含量和丰富孔结构的电极材料。制备的超级电容器性能优异,循环稳定性好,电容保持率达103.81%。韩宝宝等^[27]将CGFS制备的碳材料应用于电极的活性材料,发现使用HNO₃活化后的碳材料作为超级电容器经过1万次循环后,电容值保持在初始值的96.03%。闫琪等^[28]深入剖析CGFS中的残碳作为三维电催化体系粒子电极材料的性能,发现残碳粒子电极电荷转移电阻更小,残碳具备成为高效电极材料的潜力。

CGFS在电化学领域的应用已从实验室探索迈向初步产业化,尤其在碳基电极和过渡金属催化剂方面表现突出。随着新能源产业的快速发展,CGFS有望成为低成本、高性能电化学材料的重要来源之一。

3.3 制备环境修复材料

在当前环境问题严峻、资源循环利用需求迫切的背景下,研究CGFS对土壤的影响意义重大。CGFS的粒径较小、孔隙较发达,在土壤改良方面的应用,为环境修复提供了新途径。

Zhu等^[29]研究发现CGFS的加入使土壤碳含量显著增加,提高了土壤肥力和生物活性,促进土壤中微生物的生长和繁殖,改善土壤结构。研究表明,CGFS还可以用作碱性沙地土壤改良剂,不仅可以提高土壤理化性质,而且为CGFS的安全和环境友好利用提供了新途径。朱丹丹^[30]研究了不同CGFS掺入量条件下水稻生长情况,如图6所示,发现 CGFS使盆栽实验中玉米和小麦的出苗率提高至100%。

将CGFS用于土壤改良,实现了固体废弃物的原位再利用,减少了废弃物的排放和对环境的压力,为固体废弃物的环保处理提供了新方向,在环境修复和资源循环利用方面具有重要意义。

4 结论与展望

CGFS残碳的高效回收与高值化利用是固废资源化的关键课题。通过物理-化学联合工艺优化,并结合绿色化、功能化改性,CGFS残碳有望在能源、环保及材料领域实现更广泛的应用,为“双碳”目标下的资源循环提供新思路。未来应加强以下几个方向的研究。

(1)物理分离方法因操作简单、成本低而被广泛研究。然而,CGFS中残碳与灰分紧密结合,物理方法难以实现高效分离,且残碳回收率和纯度较低。未来可通过优化分选工艺或结合表面改性技术,提高物理分离效率。此外,开发智能化分选设备可能成为突破方向。

(2)化学方法能有效去除灰分并提升残碳的孔隙结构和电化学性能。然而,化学法存在试剂消耗大、废液处理等问题。未来可探索绿色化学工艺,如采用可回收的碱性熔剂减少污染;结合生物浸出或电化学脱灰技术,降低化学试剂用量。

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金项目(22168043)

陕西省教育厅科技计划项目(22JS047)

榆林市科技局科学技术研究与开发项目(2024-KJZG-ZQNLJ-002)

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榆林市科技局科学技术研究与开发项目(CXY-2022-186)

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Received	Accepted	Published
2025-05-22
Issue Date
2025-09-15

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