气化渣破碎与预干燥过程数值仿真及实验研究

为解决气化渣回收过程受高黏湿特性阻碍的问题,通过搭建实验级破碎和预干燥装置对其进行预处理,结合实验和单向CFD-DEM数值仿真研究了不同因素对气化渣破碎和预干燥效果的影响。结果表明,流场速度随转子转速增加而明显上升,但随着进气速度增加上升幅度减小。建模颗粒团尺寸确定为2 mm,随转子转速增加,颗粒与转子碰撞强度增大,运动速度为2~4 m/s的颗粒数量增多,破碎率升高;随进气速度增加,对颗粒的扰动作用增强,破碎率小幅增加;随进料量增加,颗粒与转子的碰撞强度下降到一定程度后趋于稳定,低速运动的颗粒数量急剧增加,破碎率降低。随进气速度和进气温度的增加,热风对颗粒的传热效果增强,出料温度升高;进气速度增加能有效减少低温颗粒的数量,进气温度升高对颗粒的升温效果影响有限。数值仿真和实验结果为气化渣的大规模工业化处理提供了理论参考。

煤气化渣气流分级提炭分质试验

煤气化渣提炭分质是实现其减量化、资源化、高值化利用的关键。基于此,提出研磨破碎-气流分级的干法提炭工艺,利用研磨使气化渣中炭灰结合物解离,再利用气流分级机内离心力和气体曳力作用,将解离所得的细颗粒进行高效分离。通过设计均匀试验并对各影响因素进行回归分析,获取优选试验条件并对该试验条件下的提炭效果进行验证。结果表明,气流分级提炭受多因素耦合作用影响,其中分级机频率和引风机频率是影响提炭效果的关键。均匀试验优选条件为分级机频率175 Hz、引风机频率5 Hz,喂料螺旋频率5 Hz,二次风口全开;该条件下所得富炭产品的收率为25.86%,烧失量49.76%,较原气化渣烧失量提高了26.91%,与试验预测值(49.64%)较一致,且试验效果明显优于未研磨破碎直接气流分级的气化渣。优选条件下气流分级得到的富炭产品的平均粒径(Dav)为5.95μm,满足橡胶补强填充料的粒度要求,其热值为16.73 MJ/kg,亦可作为细粉燃料等使用。同时,气流分级可实现较好的气化渣脱炭效果,所得脱炭渣烧失量低于10%,有利于其在建材等领域应用。研磨破碎-气流分级方法可实现气化渣的提炭分质,有利于其下游利用。

煤气化渣结构组成及其主要金属元素赋存形态

煤气化渣的减量化、资源化和无害化是目前煤化工行业的研究热点,对其物理化学特性及重金属含量与环境风险的研究是实现以上目标的基础。以宁东基地某煤化工生产企业的煤气化渣为研究对象,研究了粗渣和细渣的结构组成及主要金属元素赋存形态与环境风险。结果表明,煤气化渣由残炭和灰分(主要成分为SiO_(2)和Al_(2)O_(3),质量分数分别为50%和15%左右)组成。粗渣灰分含量高(质量分数>90%)且颗粒致密光滑,细渣残炭含量高(质量分数约20%)且孔隙丰富。含量高于500µg/g的金属元素主要富集在粗渣中,低于200µg/g的金属元素在细渣中富集。细渣中金属元素稳定性较低,特别是Cd,其非稳定态占比高于70%,且风险评价指数为34.16,环境风险高。本研究旨为煤气化渣的资源化和无害化处理提供基础数据。

煤气化渣活化过二硫酸盐和过一硫酸盐降解苯酚的比较

以固体废弃物煤气化渣(CGS)作为活化剂,构建了煤气化渣/过二硫酸盐(CGS/PDS)和煤气化渣/过一硫酸盐(CGS/PMS)体系,通过场发射扫描电子显微镜表征CGS的微观结构和元素组成,使用傅里叶红外光谱仪和X射线光电子能谱仪表征CGS表面官能团,考察了CGS投加量、PDS浓度、PMS浓度、初始pH等因素对降解苯酚的影响,推测了活化路径,探究了氧化机理。结果表明,CGS中Fe元素含量达11.9%且含有多种官能团,随着CGS投加量的增加,PDS和PMS对苯酚的降解效率逐渐增大。当CGS投加量为3.0g/L时,1.0mmol/L PDS反应60min后对苯酚的降解率达97.82%,0.4mmol/L PMS反应60min后对苯酚的降解率达98.88%。两种体系对苯酚的降解率均在p H=3时最高。共存Cl-对两个体系降解苯酚均表现出促进作用,而共存NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)对苯酚的降解产生抑制作用。CGS/PDS体系降解苯酚过程中产生了·SO_(4)^(-)和·OH,而CGS/PMS体系产生了·SO_(4)^(-)、·OH和·O_(2)^(-),但两个体系对苯酚的降解均以·SO_(4)^(-)占主导地位。研究结果可为固体废弃物煤气化渣高价值应用提供指导,为煤气化渣进一步应用于水污染控制提供理论依据。

煤气化渣中金属元素的分布和赋存形态的研究进展

煤气化是将煤转化为合成气的一种清洁有效的方法,但煤气化过程会产生大量的煤气化渣。随着煤气化技术的发展,煤气化渣的存储量不断增加。煤气化渣一般采用堆存和填埋的方式进行处理,由此导致了严重的环境污染和土地资源浪费,给煤化工企业的可持续发展带来了不利影响。本文介绍了煤气化技术,探讨了气化渣的化学和矿物组成、微观形貌以及碳的微观结构,综述了气化渣中关键金属的分布特征和化学形态的相关研究进展,以期对煤气化渣的综合利用和环境治理提供一些参考。

煤气化渣资源化利用综述

随着“双碳”目标的推进,社会对煤气化渣处理的关注与需求日渐紧迫。综合过往研究,介绍了煤气化渣的主要来源与排渣方式,并分别对比了粗渣与细渣在形貌、粒度组成、矿物物相、化学组成等方面的性质特点,为实现其“减量化、资源化、无害化”利用提供了理论依据。基于气流床煤气化粗渣、细渣显著的性质差异,探索了两者不同的资源化处理方式,并分析了当下利用途径存在的局限性。粗渣具有优秀的水化活性与火山灰活性,在矿井回填、路基填筑、水泥与混凝土骨料、陶粒材料以及墙体材料等中低值利用领域应用广泛,但存在重金属浸出风险、经济效益低等问题。细渣中残炭含量丰富,主要采用重选法与浮选法进行可燃体回收与灰渣分离。但其较高的细粒级含量降低了重选分选精度,复杂的炭-灰结合形态提高了浮选回收难度。同时细渣孔隙结构发达,比表面积高达258.29 m^(2)/g,具有一定的吸附能力,在土壤改良、催化剂载体、化工原料、陶瓷材料、吸附材料等领域应用潜力巨大,但高值化处理工艺复杂,成本较高,工业应用难度较大。针对这些问题,需基于煤气化渣的物化性质,探索大规模消纳与高值化利用相结合的途径,实现对煤气化渣分类分级的资源化利用。此外,需结合现场生产实践,探索煤气化渣就地解决的处理方法以降低运输成本,以及在其产生工艺过程中进行物化性质的诱导改善处理。

基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验研究

煤气化渣是由煤气化工艺产生的一种富含铝硅酸盐、灰组分及残炭的大宗工业固体废弃物,其规模化生产对生态环境造成了严重的影响。因此,将煤气化渣进行炭-灰分离是实现其减量化、无害化和资源化利用的关键。以煤气化渣为研究对象,采用高效解离-选择性絮凝耦合作用的工艺,为实现煤气化渣更为合理、高效的资源化利用,减少煤气化渣带来的土壤、空气、水体资源等污染问题,对煤气化渣进行提炭实验研究。首先分析了煤气化渣的理化性质,其次采用单因素变量法探究了磨矿时间、pH、絮凝剂种类、絮凝剂用量、高速剪切转速对煤气化渣提炭实验的影响,以实现残余炭产品的高度富集。结果表明:原煤气化渣灰分质量分数为67.19%,普通湿筛筛上物料灰分质量分数为54.3%,当煤气化渣磨矿时间为5 s, pH为7,絮凝剂聚氧化乙烯用量为0.4 kg/t,在转速为4 000 r/min高速剪切15 min的条件下提炭效果最佳,最终可获得产率为26.6%、湿筛筛上灰分质量分数为43.3%的残炭产品。对比普通湿筛法,基于高效解离-选择性絮凝实验方法在普通湿筛的基础上灰分质量分数降低了11%,降灰效果明显。

煤气化渣基Fe/Cu双活性催化剂的制备及其在制浆造纸废水深度处理中的应用

以煤气化渣酸浸处理制备的碳硅介孔材料为载体,通过碳热还原法制备了Fe/Cu双活性非均相Fenton催化剂,对催化剂的制备工艺进行了优化,以对氯苯酚为模型物探究了其催化H_(2)O_(2)去除对氯苯酚及处理制浆造纸废水的效果。结果表明,在煅烧温度900℃,浸渍液浓度0.2 mol/L,Fe/Cu物质的量比2∶1的条件下制备的催化剂具有最高的活性,对于对氯苯酚的去除率可达96.8%;在初始pH值=5,H_(2)O_(2)投加量16 mmol/L,催化剂投加量1.25 g/L,反应时间120 min的条件下,废水的COD_(Cr)去除率67.8%,色度去除率97.4%,出水COD_(Cr)浓度63.13 mg/L。

煤气化渣改良黄土的力学特性试验分析

为解决煤气化渣存量逐年增多且利用率低与黄土地区路基填料缺乏的双重难题,提出用煤气化渣改良黄土作为路基填料,改良土的力学性能直接决定其是否适用。通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、固结试验、黄土湿陷试验,分析和研究不同煤气化粗渣掺量和不同养护龄期下煤气化粗渣改良黄土的力学特性。结果表明:当煤气化粗渣掺量为6%且养护龄期为28 d时,黄土的无侧限抗压强度由364 kPa提高到568 kPa,增长了56%,黄土的黏聚力由42.1 kPa提高至81.8 kPa,增长了94.3%;煤气化粗渣掺量为6%时,黄土的压缩系数由0.33 MPa-1降为0.11 MPa-1,降低率达66.7%;煤气化粗渣改良黄土的湿陷系数随煤气化粗渣掺量的增加先降低后逐渐升高,当掺量为6%时,黄土的湿陷系数由0.035降低到0.016,降低率为55%。即在煤气化粗渣掺量为6%且养护龄期为28 d的条件下,煤气化粗渣改良黄土的无侧限抗压强度和抗剪强度得到显著提高,煤气化粗渣改良黄土的压缩系数和湿陷系数则显著降低。

高掺量煤气化渣制备免蒸压加气混凝土

为实现煤气化渣资源化利用,以煤气化渣为主要原料,高盐废水作拌合水,辅以Ca(OH)_(2)和NaOH制备出免蒸压加气混凝土。前期用正交试验和单因素试验方式,制备煤气化渣基胶凝材料。选取强度最高配比作为加气混凝土基体材料配比。主要研究双氧水和硬脂酸钙对加气混凝土物理力学性能及孔结构影响,并用XRD及SEM等微观检测方法分析不同养护温度加气混凝土的水化产物。结果表明:以煤气化渣的质量基准,外掺入占煤气化渣总量10%的NaOH、10%的Ca(OH)_(2),拌合水为高盐废水,煤气化渣基胶凝材料28 d抗压强度最高,达68.8 MPa。此外,向该胶凝材料中掺入双氧水作发气剂、硬脂酸钙作稳泡剂,制备出免蒸压加气混凝土。随双氧水掺量增加,加气混凝的孔径逐渐增大,连通孔增多,故干密度和强度一同降低。加入适量硬脂酸钙后,孔分布更均匀且孔的形态趋于规则的圆形,故强度明显提升。当双氧水和硬脂酸钙的掺量分别为5%、1.5%,养护温度80℃时加气混凝土的抗压强度最高,达2.9 MPa,对应干密度617.2 kg/m^(3)。微观分析表明:高掺量煤气化渣基加气混凝土的水化产物主要为C-S-H凝胶、C-A-H凝胶和沸石。孔壁处主要为相互交错重叠的箔片状C-S-H凝胶,存在少量杂乱交织的细长针棒状C-S-H凝胶。这些水化产物相互交联,使孔壁结构较为密实,利于强度的提高。

气化渣残炭粒子电极的制备及电催化性能研究

煤化工产业是我国的经济支柱之一,煤气化渣和气化废水是煤气化过程中产生的废弃物,目前处理方式过于简单,对环境造成很大污染。以微乳液作为捕收剂对煤气化细渣进行浮选,采用工业分析仪、FTIR(傅里叶红外光谱仪)、BET(比表面积测试)、SEM(扫描电子显微镜)、XRD(X射线衍射分析)、Raman(拉曼光谱)、XPS(X射线光电子能谱)等表征手段对残炭进行了理化性质分析,采用CV(循环伏安法)、EIS(电化学交流阻抗谱)测试分析残炭电化学性质,并考察残炭作为粒子电极在三维电化学体系的电化学性能和稳定性,研究了其作为粒子电极的可行性,提出残炭粒子电极去除氨氮机理分析。结果表明:浮选残炭具有较高的比表面积,孔结构以介孔为主,此外,残炭中部分碳因石墨化而展现出一定的导电性,为其在电化学应用方面提供了基础。另外,残炭粒子电催化体系电阻较小,有利于加快电荷转移速率。在相同条件下降解氨氮废水,残炭粒子三维电催化体系比二维电催化体系氨氮去除率高19.82%,其具有一定的催化能力。在残炭粒子电极循环试验中,残炭粒子重复使用5次,氨氮的去除率仅下降了5.3%,这一结果表明残炭粒子电极具有良好的稳定性。开发出一种新型的三维电催化体系中的粒子电极材料,通过系统的表征和性能评估,证明了气化渣残炭粒子电极在提高废水处理效率方面有巨大潜力。残炭粒子电极的开发为气化渣的资源化利用提供了新思路,同时也为废水降解处理技术提供了新方法。

气化渣基脱硫活性焦制备工艺与性能评价

煤气化过程中产生的气化渣的处置问题日趋严重。气化渣中的残余炭具有较发达的孔隙结构和较大的比表面积,具有制备活性炭和其他高附加值碳材料的潜质。通过水介重力分选方法得到高品质气化渣分离炭后,采用配煤法制备脱硫活性焦,可实现气化渣的高附加值利用。通过单因素试验法及正交试验法考察在气化渣分离炭高掺比条件下配煤种类、比例及炭化、活化工艺条件对脱硫活性焦结构和性能影响。研究表明,气化渣分离炭在掺入比例为50%时,活性焦的最佳配煤组成为:焦煤29%、长焰煤8%、煤沥青13%;最佳炭化条件为:升温速率5℃/min、炭化温度700℃、炭化时间30 min;最佳活化条件为:活化温度900℃、升温速率8℃/min、活化时间120 min、活化水量1.0 mL/(g·h)。利用固定床反应装置对气化渣基脱硫活性焦进行脱硫和再生性能评价,在最佳配方和工艺条件下,公斤级试验制备的脱硫活性焦耐磨强度为97.26%,耐压强度为696.3 N(实测值),灰分为11.66%,碘吸附值为378.78 mg/g,脱硫值为28.5 mg/g,满足脱硫用煤质颗粒活性炭指标A型优级品的技术指标且再生性能良好。以气化渣分离炭作为碳源制备脱硫活性焦在大幅降低活性焦生产成本的同时,也为气化渣的高值化利用提供了一条可行途径,对气化渣的减量化、资源化、高值化利用具有重要意义。

氧化物组成对煤气化渣-污泥基地聚物力学性能和微观结构的影响

以煤气化渣和污泥为原料,通过水玻璃和氢氧化钠为复合碱激发剂制备地聚物,研究了氧化物组分摩尔比(n(H_(2)O)/n(Na_(2)O)、n(Na_(2)O)/n(Al_(2)O_(3))和n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3)))对地聚物抗压强度和微观结构的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)和比表面吸附仪(BET)对地聚物的表观形貌和孔结构进行了观察和分析,结合X射线衍射仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对地聚物的化学结构分析,初步探索了氧化物组分摩尔比对地聚物抗压强度和微观结构的影响机制。结果表明:高n(H_(2)O)/n(Na_(2)O)在一定程度上有助于原料中硅铝活性成分的溶解,但同时也会引起体系碱性降低,阻碍地聚合反应,过多水量还将增加样品内部孔隙率;高n(Na2O)/n(Al_(2)O_(3))能促进反应进行,但也会造成凝胶物质包裹未溶解的煤气化渣-污泥灰颗粒,并加重碳化反应;n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))的增加能促进生成硅酸盐寡聚物,有利于地聚物强度的发展。试验得出最佳配比为n(H_(2)O)/n(Na_(2)O)=12,n(Na_(2)O)/n(Al2O3)=0.8,n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))=3.0,所制得的地聚物1 d、3 d、7 d和28 d抗压强度分别达到58.1MPa、62.9 MPa、70.1 MPa和73.0 MPa。研究结果可为煤气化渣和污泥等大宗固废的循环利用拓展新途径。

煤气化渣对污泥深度脱水性能的影响

市政污泥深度脱水是一个亟待解决的问题。研究了利用固体废弃物煤气化渣作为骨架构建剂,与市政泥混合进行机械脱水实现以废治废。实验结果表明,添加不同比例的粗渣、筛分渣和改性渣,能有效提高污泥的脱水率,脱水率提高到58.62%~82.01%。脱水效果与煤气化渣的粒径、比表面积、空隙结构和添加量有关。大颗粒会降低脱水效果,而丰富的空隙结构会增加脱水效果。随着添加量的增加,脱水效果经历了平缓、快速增加和饱和三个阶段。最佳添加量分别为污泥绝干量的三倍(筛分渣)和一倍(改性渣)。煤气化渣在污泥中构建了间隙通道和层间通道,提供了刚性支撑,使内部水在压力作用下经脱水通道排出。

煤气化渣制备碳硅介孔材料及甲基橙吸附性能研究

开发了一种煤气化渣低成本制备碳硅介孔材料的方法,探究了影响孔结构的因素和在甲基橙中的吸附性能。采用酸浸法制备碳硅介孔材料,通过材料的孔隙结构和金属氧化物浸出率对制备工艺进行优化。结果表明,温度和时间影响较小,原料粒径和酸浓度影响较大。粒径较小的原料酸浸之后比表面积更大,酸浓度对于碳硅介孔材料的影响比较明显,最佳的酸浓度为16%(质量分数),金属氧化物浸出率和残余碳含量综合影响着比表面积和孔容的大小。煤气化渣基碳硅介孔材料的吸附过程与伪二阶吸附模型最为接近,吸附平衡符合Langmuir模型,对甲基橙最大的吸附量为89.13 mg/g。

煤气化渣对矿山废水中黄药的吸附性能研究

这是一篇环境工程领域的论文。本论文以煤气化渣作为吸附剂,处理矿山废水中的正丁基钠黄药,通过X射线荧光分析仪、扫描电镜、傅里叶红外光谱仪以及比表面积和孔径分析对煤气化粗渣(CGCS)和煤气化细渣(CGFS)的成分、结构特征和表面性质进行了表征,结果表明,CGFS有着更发达的孔径结构和更大的比表面积。吸附实验研究表明,两种煤气化渣对正丁基钠黄药的吸附均符合Langmuir吸附等温线模型,是自发放热的过程,该吸附过程符合准二级动力学模型,吸附速率常数CGFS>CGCS。其中,CGFS对正丁基钠黄药的吸附性能优于CGCS,其最大吸附量可达181.95 mg/g。

同时固定Cd和As煤气化渣基复合材料的制备及性能研究

本研究开发了一种铁改性煤气化渣材料(FGS),可以修复镉(Cd)和砷(As)复合污染的土壤。通过水相吸附实验和土壤修复模拟实验评估了FGS的钝化性能。FGS对水中Cd和As的最大吸附量分别为5.82和9.69 mg/g,而煤气化渣材料(CGS)的最大吸附量只有0.99和0.92 mg/g。X射线衍射图显示,铁氧化物被成功地负载到FGS上,Cd和As能够与Fe_(2)O_(3)和FeOOH发生络合从而显著提高FGS的吸附能力。在土壤中施用FGS后,DTPA提取Cd浓度从0.70 mg/kg降低到0.58 mg/kg,这与土壤pH从6.46升高到7.03以及Cd与含氧官能团或FeOOH的络合作用有关。由于FeOOH的络合作用,土壤中溶解As的浓度从15.33 mg/kg下降到13.72 mg/kg。本研究通过展示FGS作为土壤修复剂的应用潜力,揭示Cd和As的固定机理,为利用气化渣制备土壤Cd、As修复材料提供了理论依据。

煤气化渣活化过硫酸盐体系氧化去除菲

采用固体废弃物煤气化渣(CGS)作为过硫酸盐(PS)的活化剂,考察CGS/PS对菲的去除性能。使用SEM-EDS、XPS表征了CGS的微观结构和元素组成;通过自由基掩蔽实验和电子顺磁共振(EPR)实验确定自由基种类;考察了CGS质量浓度、PS初始浓度、初始pH、共存离子对CGS/PS体系中菲去除率的影响,探讨了反应机理并推测降解路径,并使用ECOSAR软件评估菲及其产物的毒性。结果表明,CGS中Fe元素质量分数为11.9%,可有效活化PS。在菲质量浓度为1 mg/L、pH=3、CGS质量浓度为0.7 g/L、PS初始浓度为1 mmol/L的条件下,60 min后CGS/PS体系对菲的去除率可达95.34%,PS的利用率为29.18%。菲降解过程符合伪一级动力学模型,CGS/PS体系产生了SO_(4)^(–)•和•OH,且SO_(4)^(–)•在菲降解过程中起主要作用,共存离子HCO_(3)^(–)、NO_(3)^(–)对反应的抑制作用较显著。菲主要通过去羰基、羟基化、脱碳等反应分解为长链酸、酯,最终转化为CO_(2)和H_(2)O。ECOSAR模型评估发现,菲降解的中间产物毒性普遍低于菲。

煤气化渣制备单一相Y分子筛研究

煤气化渣是煤化工固体废弃物,含有大量的硅元素和铝元素,可以作为原料合成高附加值的Y分子筛材料,实现资源利用。以宁夏宁东煤气化渣为原料,采用酸碱预处理和导向剂诱导水热合成法,通过优化工艺条件,成功获得了具有八面体形貌、单一相的Y分子筛。详细考察了酸碱预处理条件、硅铝比、水硅比、晶化温度、晶化时间、导向剂含量等因素对合成样品晶相的影响,并采用XRD、XRF、SEM、FT-IR等技术对煤气化渣合成Y分子筛样品的性质进行了分析。通过优化工艺条件,水硅比降低到了20,晶化时间缩短到了24 h,合成的Y分子筛产品具有较好的结晶度和高的比表面积,比表面积达到538 m^(2)/g,总孔体积达到0.350 cm^(3)/g。

煤气化渣替代矿渣制备超硫酸盐水泥的可行性研究

煤气化渣(CGS)富含硅、铝元素,具备作为胶凝材料前体的潜力,但其颗粒形态粗糙,活性较低。为了解决CGS活性低、利用难等问题,利用CGS部分替代矿渣(BFS),探究CGS替代BFS制备超硫酸盐水泥(SSC)的技术可行性,并借助傅里叶红外光谱、X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电子显微镜及能谱仪等微观测试技术对SSC水化产物的微观结构进行表征分析。结果表明,CGS作为制备SSC的原料,能提供初始水化所需要的硅、铝元素,驱动SSC发生水化反应。随着CGS掺量的增加,SSC胶砂的抗压强度呈逐渐减小趋势,而抗折强度受影响较小。CGS的最佳掺量为20%(质量分数),在此掺量下胶砂试样的28 d抗折强度最大,抗压强度也达到43.9 MPa。SSC的水化产物主要是水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等凝胶。研究结果显示CGS部分替代BFS完全可用于制备SSC。