Page 305 - 《环境工程技术学报》2022年第5期

第 5 期 马慧等：富含硅铝的工业灰渣合成沸石的研究进展 · 1661 ·

自工业革命开始，化工行业的发展在提高人类 构致密，可溶 性 SiO 和 2 Al O 少 [18] ；沸腾炉渣和固硫
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生活质量的同时产生了大量灰渣，灰渣是我国排放 灰渣粒子结构疏松，吸水性非常强 [19] ；另外，由于循
量最大的固体废物之一，其资源化利用一直是全球 环流化床在燃煤过程中添加了脱硫 剂 (石灰石)，导
范围内亟待解决的难题。灰渣结构致密，性质稳定， 致固硫灰渣 中 Ca 含量偏高 。燃煤灰渣的主要化
[5]
O
不同的化工行业产生的灰渣在理化性质上相差较 学成分见 表 1。
大，因此对其资源化利用方式和工艺也不尽相同。 1.2 煤气化灰渣
火力发电厂燃煤灰渣、煤化工灰渣和铸造灰渣中含 煤气化是高效清洁化应用煤炭的主要途径之
有大量 的 SiO 和 2 Al O 3 [1-4] ，是一类富含硅铝的工业 一，目前工业化煤气化一般限于气流床、流化床和固
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灰渣，可以用作建筑材料、陶瓷、吸附材料等 [5-8] 。沸 定床气化工艺，主要以气流床煤气化工艺为主 。
[31]
石作为一类多孔硅铝酸盐材料，具有较高的阳离子 原煤颗粒的可燃部分在高温（>1 300 ℃）下与气化剂
交换能力，有广泛的应用前景 [9-13] ，因此，合成沸石是 反应形成飞灰，大部分飞灰颗粒在重力和气流作用
灰渣资源化的重要途径之一。 下捕获，向下流动至激冷室与激冷水接触，迅速固化
并破碎而形成粗渣；少部分未被捕获的飞灰颗粒随
1 富含硅铝的工业灰渣种类和来源
合成气流携带出气化炉，除尘后与激冷室的黑水结
1.1 火力发电厂燃煤灰渣 合，经压滤机形成滤饼，即细渣 [25,31] 。普遍认为煤气
中国是煤炭资源丰富的国家，201 年我国煤炭 化灰渣由粗渣和细渣组成 [26] 。一般 每 t 煤气化会产
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消费总量达 到 2.74×10 标准煤，占能源消费总量的 生 0.2～0.3 的灰渣，我国目前每年排放煤灰渣约为
t
t
59% ，长期来看，燃煤发电在我国电力结构的主体 3 亿～ 亿 t，占煤炭产量 的 10%～20%。与火电厂
[14]
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地位不会发生较大变化，预计 到 203 年燃煤发电占 燃煤灰渣类似，煤气化灰渣主要由大量的非晶相物
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比仍将达 到 1/2 [15] 。在火力发电厂燃煤生产过程中， 质以及少量的晶相物质组成，主要化学成分 为 SiO 、
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煤粉炉、沸腾炉以及流化床锅炉将煤中的无机矿物 Al O 、Ca O 和 Fe O 等（ 表 1）。灰渣的烧失量包括
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质灼烧形成氧化物和硅酸盐矿物组成的小颗粒残 S、F 和碳等物质的灰化，但碳的贡献率可 达 90 % 以
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渣，称为燃煤灰渣 [16] 。粉煤灰、沸腾炉渣和固硫灰渣 上，因此可以将烧失量作为灰渣中残碳量的代表
是 3 种比较典型的燃煤灰渣。 值 [32-33] 。Huan 等 [34 ] 发现，煤气化炉渣中的残碳来
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粉煤灰是从烟气中捕集而来的煤燃烧后的细 源于原煤热解的挥发分、部分气化碳或未反应的热
灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物；沸腾炉产生的 解碳。从 表 1 可以看出，煤气化灰渣的细渣与粗渣
炉渣即为沸腾炉渣；固硫灰渣是于循环流化床锅炉 中均含有一定的碳，且细渣含碳量明显高于粗渣，其
内燃烧产生的灰渣 [16-17] 。燃煤灰渣的矿物结构主要 烧失量可 达 36.1%。
由硅铝酸盐非晶型玻璃相物 质 (SiO 和 2 Al O )、晶 1.3 铸造灰渣
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相物 质 (石英石、莫来石、磁铁矿和赤铁矿 及少 铸造行业生产不同的有色金属，大多数铸造产
)
量未燃烧的炭组成，其主要化学成分含量 为 SiO > 品用于航空航天和汽车等行业。由于在铸造过程中
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Al O >Fe O >CaO。由于燃烧方式和温度的不同，粉 需要高温，因此耐火材料质量约占铸型材料 的 90%
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煤灰、沸腾炉渣和固硫灰渣的矿物结构和化学成分 以上，最常见的耐火材料是硅砂 [35] 。Abicho 等 [36]
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略有不同。粉煤灰粒子大多为玻璃相结构，表面结 报道铸造砂主要由石英砂、4%～16 % 的黏结 剂 (通

表 1 中国富含硅铝的工业灰渣化学组成

Table 1 Chemical composition of industrial ashes with higher content of silica and aluminium in China %
灰渣 SiO Fe O Al O TiO CaO MgO Na O K O SO 烧失量
2 2 3 2 3 2 2 2 3
粉煤灰 [1,20-21] 33.9～59.7 1.5～19.4 16.5～55.0 0.2～2.2 1.1～8.5 0.6～4.8 0.2～1.3 0.7～2.9 0～2.9 5.4～10.2
燃煤灰渣 沸腾炉渣 [1,22-23] 42.0～69.5 3.6～14.3 15.3～32.9 1.1～1.4 1.3～5.4 0.2～1.5 0.2～0.4 0.6～1.0 1.1～2.9 6.9～16.6
固硫灰渣 [1,5,17] 20.2～40.3 3.2～7.1 11.8～32.8 0.4～1.0 9.2～43.9 0.5～2.7 0.2～1.3 0.5～1.1 3.5～12.7 4.3～19.7
细渣 [24-26] 28.7～50.1 2.5～7.7 8.9～42.7 0.5～1.7 2.8～12.7 0.7～1.4 0.5～2.4 0.3～2.0 0.3～4.6 8.6～36.1
煤气化灰渣
粗渣 [24-26] 33.0～52.1 4.5～36.8 12.1～28.4 0.5～1.3 2.4～18.6 1.1～1.9 0.5～4.3 0.4～0.7 0.4～3.3 1.8～18.9
铸造废砂 [3,26-28] 53.4～98.8 0.1～2.6 0.3～36.8 0.1～1.1 0～1.8 0～0.8 0～0.5 0～0.4 0.2～0.8 0.5～5.6
铸造灰渣
铸造粉尘 [4,29-30] 41.1～93.2 0.4～4.7 1.5～22.4 0～4.9 0.3～4.6 0.6～6.2 1.1～1.4 0.1～4.6 0.3～13.3