通过综合筛分-水流分级方法对煤气化渣的耐洗性进行评估

《Waste Management》：Washability evaluation of coal gasification slag via an integrated sieving-water flow classification

　　刘宇飞|张倩|李乐|王海涛|彭志|张宝林|杨茂宇|史佩祥|黄伟 中国山西省太原市太原理工大学清洁高效煤炭利用国家重点实验室，邮编030024 **摘要** 对煤气化渣（CGS）中的残余碳进行可洗性评估和有效回收至关重要，这包括细渣（FS）和粗渣（CS），以实现这些固体废弃物的梯级利用和精准增值。本研究通过一种集成的筛分-水流分类策略，对典型的FS和CS样品的可洗性进行了评估。结果表明，残余碳主要集中在较大粒径的颗粒中，具体来说，在FS中是大于75微米的颗粒，在CS中是大于125微米的颗粒。通过这种集成筛分-水流分类过程，可以有效地回收残余碳：在FS的+75微米颗粒中，浮选物的失重（LOI）达到了82.62%，综合回收效率为42.78%；在CS的+125微米颗粒中，浮选物的LOI达到了82.93%，综合回收效率为71.78%。FS和CS的可洗性曲线构建出来，并显示出良好的可靠性，从而可以根据实际产品需求有针对性地选择最佳的水流分类参数。对于直接的水流分类过程，虽然也可以分离出细颗粒，但由于浮选物中LOI的富集程度有限，导致回收效率较低。本研究提供了一种新颖且高效的方法来富集CGS中的残余碳，并为未来应用中快速评估分离性和选择适当的分离条件提供了实用参考。 **引言** 煤气化是将煤炭清洁高效地转化为合成气的技术之一，这种合成气可用于联合循环或作为化工生产的原料，以替代通常由石油和天然气生产的工业化学品（Fang等人，2026年）。由于中国的能源结构以丰富的煤炭资源为特征，但石油和天然气储量有限（Sun等人，2025年），中国拥有世界上最多的煤气化设施，2024年这些设施消耗了超过3.5亿吨煤炭（Wang等人，2021年）。此外，中国的煤气化市场主要依赖于气流床煤气化炉，这种炉型具有较大的处理能力和较高的碳转化率，非常适合大规模工业应用的需求。然而，煤气化渣（CGS）这种在煤气化过程中不可避免产生的固体废弃物，严重阻碍了煤化工企业的可持续发展（Tang等人，2025年）。据估计，每吨煤炭在煤气化过程中会产生约10-20%的CGS（Li等人，2023年），仅中国的年产量就超过了7000万吨（Su等人，2024年）。目前，大部分CGS被堆放或填埋在垃圾填埋场，这可能导致有毒成分渗入土壤并污染水源（Guo等人，2026年）。CGS可以分为被粗合成气流携带的细渣（FS）（从过滤器中收集）和从煤气化炉的锁斗中排出的粗渣（CS）（Lv等人，2023年），如图S1所示。由于煤炭的复杂嵌合特性以及现有煤气化技术的局限性，煤炭中的有机物无法完全气化。因此，CGS是一种含有残余碳、无机矿物、水分和其他杂质的混合物。其中，残余碳由于其发达的孔结构和较大的比表面积，可以用于制备吸附材料和其他高附加值材料。最近的研究表明，经过适当的结构调节或复合改性后，基于煤炭的固体废弃物（如煤矸石和煤气化细渣）也可以转化为电磁波吸收材料（Xiang等人，2025年；Li等人，2026年）。无机矿物可以用作道路、桥梁等建筑材料的混合原料。遵循大规模消耗和固体废弃物高值利用的原则，从CGS中分离残余碳和无机成分对于实现这两种成分的精准定向增值至关重要，进而开发出满足市场需求的梯级利用模式（Ren等人，2023年）。 目前用于从CGS中分离残余碳和无机成分的常用方法主要包括泡沫浮选、重力分离和筛分分离。据报道，残余碳含量在不同粒径范围内的富集程度不同（Fan等人，2025年），因此可以直接使用筛分来富集CGS中残余碳含量较高的部分。然而，具有不同残余碳含量但尺寸相似的颗粒无法通过筛分分离。因此，需要额外的方法来实现碳和灰分之间的彻底分离。Han等人（Han等人，2024年）提出了一种预分级和超声预处理的联合工艺，减少了粗颗粒对浮选的不利影响。与全颗粒浮选相比，捕集剂的用量减少了84.09%，可燃物的回收率提高了17.29%，这表明基于粒径的分离对于提高碳-灰分分离效率的重要性。目前，泡沫浮选方法已被广泛用于CGS的分离（Jiao等人，2024年；Xie等人，2024年；Li等人，2025年）。Jiao等人（Jiao等人，2024年）使用表面活性剂对FS进行超声预处理，有效提高了浮选物的碳含量，并将沉降物的失重（LOI）降低到了8.83%。Li等人（Li等人，2025年）使用废弃食用油（WCO）作为浮选捕集剂，在最佳条件下实现了71.58%的未燃烧碳回收率。Cheng等人（Cheng等人，2026年）通过优化飞灰比例、改进甲基油酸捕集剂和增强预处理，实现了煤气化细渣的有效浮选回收（可燃物回收率为85.23%）。Zhang等人（Zhang等人，2026年）报告称，非离子表面活性剂通过辅助正十二烷吸附增强了CGFS的浮选效果，他们的实验-模拟联合分析进一步证实了表面和界面性质在决定分离行为中的重要作用。