基于流态化熔融燃烧技术的煤气化细渣制备岩棉的可行性研究

推荐 为解决煤气化细渣（CGFS）堆存导致的土地资源浪费与重金属污染问题，中国科学院工程热物理研究所研究人员开展流态化熔融燃烧技术研究。结果表明，15wt% CGFS替代燃料可稳定生产符合建筑保温要求的岩棉，同时降低16.8%燃料消耗。该技术为煤化工固废减排与建材行业碳中和提供新路径。

　　

论文解读
煤气化作为煤炭低碳利用的核心技术，每年在中国产生超过3000万吨细渣（CGFS）。这些细渣含30wt%残碳和60wt%富硅铝酸盐灰分，若简单填埋不仅占用土地，更可能引发重金属渗滤风险。传统岩棉生产依赖玄武岩与焦炭高温熔融，而CGFS粒径不足1mm的特性使其无法直接用于冲天炉工艺。在此背景下，中国科学院工程热物理研究所创新性地将循环流化床的燃料适应性与喷动床的高温反应性结合，提出流态化熔融燃烧技术，并通过中试规模验证其在岩棉生产中的可行性。

研究团队搭建包含预热炉、熔融燃烧炉和均质化炉的三段式实验装置。以工业分析显示固定碳含量29.77wt%、低位热值9.77MJ/kg的CGFS为对象，在15wt%掺混比例下，系统实现预热带880.7°C、熔融燃烧带1457.1°C、均质化带1553.6°C的稳定温度梯度。此时溢流口析出纤维状液态渣，冷凝后呈现玻璃质表面与非晶结构，酸性系数1.81满足建筑外墙保温要求，同时燃料与原料需求分别降低16.8%和13.8%。但当掺混比增至25wt%时，溢流口出现岩屑堵塞，冷凝渣呈土灰色并检出透辉石晶体[Ca(Mg,Al)(Si,Al)₂O₆]，酸性系数升至2.47超出标准阈值。

研究证实CGFS的双重属性：残碳可作为替代燃料（Alternative Fuel），灰分中硅铝成分适合作为原料（Raw Material）。技术优势源于流态化熔融燃烧系统对颗粒物的强分散能力，使粒径<1mm的CGFS在湍流场中充分暴露于高温区。然而高掺混比导致黏度突变与结晶析出，揭示需优化多组分配比并控制烟气污染物排放。该成果为煤化工固废资源化提供理论支撑，未来研究将聚焦全量燃料替代与建材协同处置工艺开发。

关键技术方法
研究采用流态化熔融燃烧系统，包含三级反应装置：预热炉实现原料混合与预加热；熔融燃烧炉维持1450°C以上高温促进灰分熔融；均质化炉确保渣相成分均匀。通过调节CGFS掺混比例（15wt%-25wt%），结合热力学平衡计算与XRD物相分析，解析不同工况下的温度分布与结晶行为。

研究结论

1. 工艺可行性：15wt% CGFS掺混比例下，系统稳定运行且产物符合岩棉标准（酸性系数1.81）。
2. 性能优化：该比例下燃料需求降低16.8%，原料消耗减少13.8%，体现显著经济效益。
3. 风险预警：掺混比超过20wt%时，透辉石晶体析出导致黏度升高，堵塞溢流口并破坏非晶结构。
4. 环境效益：技术减少填埋需求，降低重金属污染风险，契合碳减排政策导向。

本研究的实践意义在于突破传统岩棉生产原料限制，将工业固废转化为高附加值建材。其理论价值体现在揭示细粒径物料在流态化场中的传热传质机制，为同类含碳灰渣的资源化提供范式参考。未来需深化多尺度模拟研究，建立掺混比与产品性能的定量关系模型，并探索烟气中二噁英等污染物的协同控制策略。