水煤浆气化灰渣工程土及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于煤化工工业固体废弃物综合处理领域，涉及水煤浆气化灰渣工程土及其制备方法与应用，具体涉及水煤浆气化装置排放的灰渣制备的工程土以及该工程土的制备方法与应用。


背景技术：

2.2018年我国煤炭消费量为39亿吨，煤炭消费占能源消费的比重为59％左右。煤炭消耗过程产生的各类灰渣和煤渣约5亿吨(按干基计算)，除沿海和经济发达地区燃煤锅炉的部分灰渣得到资源化利用外，煤气化装置排放的粗渣和细渣等缺乏工程应用途径，煤化工装置排放的煤渣占用了大量土地资源。
3.国能包头煤化工有限责任公司采用水煤浆气化技术生产合成气，煤气化装置每年排放的气化粗渣、气化细渣共约70万吨，气化渣含水量超过50％，气化渣中含炭量高，不能利用现有的成熟技术添加到建筑领域的原材料中，目前是通过运输到渣场进行堆存，如受刮风等因素影响势必将造成环境污染。随着环保标准的提升，产业政策的升级，亟需寻求处理效果更好、工艺稳定性更强、运行费用更低的煤气化渣处理技术，以破解煤化工企业可持续发展与生态环境保护的矛盾。将水煤浆气化装置排放的煤渣、锅炉装置排放的粉煤灰等固体废物进行大量消纳和利用，将解决煤灰煤渣持续运输至渣场导致的无处堆放的问题。
4.根据排放的煤气化灰渣的不同特性，目前国内外研究主要集中在以下几个方面：
5.1)制备吸附过程材料；2)作为混凝土或砂浆的骨料或填料使用；3)制备建筑制品，如墙体材料、蒸压砖等；4)分离提出气化渣中si、al等物质；5)制备高附加值产品，如作催化剂载体等；6)作为土壤改良材料，包括作为土壤调理剂等。
6.以上为国内外煤气化灰渣治理技术综述，尽管一些方法可行，但是煤气化装置远离产品应用市场、大型工业化处理煤灰煤渣的工程应用技术不够成熟，所有技术都存在无法在短时间内大批量处理堆存庞大的煤气化灰渣的缺陷和不足。由于国能包头煤化工有限责任公司的煤气化灰渣堆存量巨大，占地面积大和维护费用高，对环境影响日益增加，用几十年乃至上百年完成治理显然不现实，因此开发一种在几年时间内完成上千万方的煤气化灰渣治理的技术成为首选方案。
7.李显忠等人在上世纪九十年代将天津碱厂数千万方碱渣制成工程土，大规模用于滨海新区的滩涂地回填造地，取得了显著的经济、环境和社会效益。其研发团队在2016年～2021年完成了山西晋城煤矸石制工程土的研究，成功将其应用回填造地、公路路基和种植绿化领域。


技术实现要素：

8.本发明利用水煤浆气化装置排放的废弃煤气化灰渣为主要成分来配制工程土，具体是将水煤浆气化装置排放的粗粒灰渣或其与水煤浆气化装置排放的细粒灰渣的混合物与当地黄土以及任选的燃煤锅炉排放的粉煤灰按特定的重量份数比加水拌和配制成具有
一定含水量的工程土，各组分间在相互改性的作用下，形成比重、易溶盐含量、密度和最大干密度、饱和度、湿陷系数、无荷膨胀率、压缩系数和压缩模量、粘聚力c、内摩擦角加州承载比cbr满足回填和筑路等要求的工程土，实现煤气化灰渣的无害化处理与应用。
9.在第一个方面，本发明提供一种水煤浆气化灰渣工程土，由包括重量份数比为(3.5-8):(0-3.5):2:(0-1)的水煤浆气化装置排放的粗粒灰渣、水煤浆气化装置排放的细粒灰渣、黄土和粉煤灰的原料，加水拌和而成，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-55％；
10.所述原料中的各组分(例如，粗粒灰渣、细粒灰渣、黄土和粉煤灰)都是经干燥(例如，晾干或烘干(如105-110℃条件下烘干))处理的组分。
11.在一些实施方案中，所述原料由重量份数比为(3.5-8):(0-3.5):2:(0-1)的粗粒灰渣、细粒灰渣、黄土和粉煤灰组成。
12.在一些实施方案中，所述粗粒灰渣可以是水煤浆气化装置中由渣池中捞出的灰渣，具体地，该粗粒灰渣是水煤浆气化工艺中水煤浆与氧气在高温部分氧化反应生成粗煤气时而产生的熔渣，熔渣被冷激固化后由渣池中捞出，采用皮带或斗提机等设备输送出水煤浆气化装置而得到的；除水份外，该粗粒灰渣含有未气化的残碳，经烘干脱水后，干燥的粗渣中残碳含量低于30％可以用于配制本发明的工程土；所述粗粒灰渣的化学成份是水煤浆经过高温气化后的残余固体，除残碳和水分外，粗粒灰渣中含有大量非晶态的多种金属氧化物和石英、方解石等晶态物质，以氧化物形式表示所述粗粒灰渣的灰组成主要含有25-42％的sio2、10-22％的al2o3、7-20％的fe2o3、10-20％的cao，允许na2o、k2o、tio2、so3、mgo的含量均不高于3.8％，sro、mno含量均不高于1％，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；该粗粒灰渣的粒径分布可以为：20-2mm占40-45％，2-0.5mm占20-25％，0.5-0.25mm占8-12％，0.25-0.075mm占5-10％，0.075-0.005mm占5-7％，小于0.005mm占1-21％，例如，20-2mm占43.3％，2-0.5mm占24.7％，0.5-0.25mm占10.6％，0.25-0.075mm占8.5％，0.075-0.005mm占6.3％，小于0.005mm占6.6％；易溶盐含量可以为0.03-0.24％，例如为0.087％；比重可以为2.10-2.26，例如为2.18；
13.所述水煤浆气化装置排放的细粒灰渣是水煤浆气化装置沉降池底部的沉降物，具体地，该细粒灰渣是水煤浆气化装置中出气化炉激冷室的黑水与出洗涤塔底部的黑水经沉降后，由沉降槽底部分离出的沉降物，经真空过滤机、卧螺机等设备经脱水后的细粒灰渣从气化装置运出；除水份外，细粒灰渣含有未气化的残碳和多种金属化合物，金属化合物以非晶态和石英、方解石等晶态的结构存在。经烘干脱水后，残碳含量低于43％可以用于配制本发明的工程土；所述细粒灰渣的成份是水煤浆经过高温气化后的残余固体，除水分和残碳外，细颗粒灰渣中的非挥发组分的结构为多种非晶态的金属氧化物和石英、方解石等晶态结构，非挥发分主要，以氧化物形式表示所述细粒灰渣的灰组成主要含有23-45％的sio2、15-25％的al2o3、7-18％的fe2o3、7-20％的cao、允许na2o、k2o、tio2、so3、mgo的含量均不高于4.5％，sro含量不高于1％，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；该细粒灰渣的粒径分布可以为：0.25-0.075mm占30-40％，0.075-0.005mm占45-55％，小于0.005mm占5-25％，例如0.25-0.075mm占33.9％，0.075-0.005mm占51.3％，小于0.005mm占14.8％；易溶盐含量可以为0.15-0.25％，例如为0.235％；比重可以为2.10-2.28，例如为2.13；
14.所述黄土为习惯说法，根据地区差别可选择不同的土质，例如煤气化灰渣场周边地下1米左右的土，比重可以为2.41-2.72，例如为2.67；
15.所述粉煤灰是燃煤锅炉除灰系统排放的粉煤灰；以氧化物形式表示所述粉煤灰组成主要含有39-58％的sio2、15-22％的al2o3、5-9％的fe2o3、5-12％的cao，允许na2o、k2o、tio2、so3、mgo的含量均不高于3.5％，mno的含量不高于1％，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；比重可以为2.20-2.40，例如为2.33。
16.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述原料由所述粗粒灰渣和所述黄土组成；
17.优选地，所述粗粒灰渣和所述黄土的重量份数比为8:2，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为25％-35％，例如25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％，或这些数值中的任意二者之间的数值或范围，如27％。
18.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述原料由所述粗粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰组成；
19.优选地，所述粗粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰的重量份数比为7:2:1，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-30％，例如22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％，或这些数值中的任意二者之间的数值或范围，如24.5％。
20.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述原料由所述粗粒灰渣、所述细粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰组成；
21.优选地，所述粗粒灰渣、所述细粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰的重量份数比为3.5:3.5:2:1，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为40％-55％，例如40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％，或这些数值中的任意二者之间的数值或范围，如45％。
22.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述水煤浆气化灰渣工程土的比重为2.37-2.44，密度为1.42-1.73g/cm3，最大干密度为0.98-1.36g/cm3。
23.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述水煤浆气化灰渣工程土的饱和度为73-85％，湿陷系数为0-0.001，无荷膨胀率为0-0.6％。
24.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述水煤浆气化灰渣工程土的压缩系数a
1-2
为0.08-0.22mpa-1，压缩模量为11.0-22.74mpa。
25.在一些实施方案中，上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土中，所述水煤浆气化灰渣工程土的粘聚力c为5.1-39.0kpa，内摩擦角为32.7-48.1
°
，加州承载比cbr为10.9-31.4％。
26.在第二个方面，本发明提供制备上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土的方法，包括如下步骤：
27.(1)将所述原料中的各组分进行干燥(例如晾干或烘干)；
28.(2)将干燥后的各组分按照规定的重量份数比加水拌和均匀，使混合均匀后得到的水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-55％。
29.在第三个方面，本发明提供上述任一所述的水煤浆气化灰渣工程土在回填工程或筑路工程中的应用。
30.本发明制备的水煤浆气化灰渣工程土的含水量较高，例如在24.5％-45％的含水
量下，最大干密度为0.98-1.36g/cm3，这个结果表明，在相当大的一个含水量范围内，灰渣土都可以被压密或击实接近最大干密度，从而减少了填垫的施工难度。
31.对于湿陷性和膨胀性，本发明制备的水煤浆气化灰渣工程土的最大湿陷系数为0.001，无荷膨胀率低于1％，表明灰渣土不具有湿陷性和膨胀性。
32.对于力学性能，以粗粒灰渣8:黄土2、粗粒灰渣7:黄土2:粉煤灰1、粗粒灰渣3.5:细粒灰渣3.5:黄土2:粉煤灰1制备的工程土的压缩系数a
1-2
分别为0.1mpa-1
、0.08mpa-1
、0.22mpa-1，对应的压缩模量分别为17.69mpa、22.74mpa、11mpa，为中低压缩性土，表明本发明制备的工程土均能满足回填土的力学性能的要求，夯实后，做为回填土有很好的性能；另外，加州承载比cbr在10.9％以上，表明本发明制备的工程土达到了高等级公路路基的承载力要求。
33.对于腐蚀性，本发明制备的水煤浆气化灰渣工程土的so
42-含量和cl-含量很低，表明其具有微腐蚀至弱腐蚀性，对环境影响很小。
34.总之，本发明制备的水煤浆气化灰渣工程土具有较高的岩土力学指标，为中低压缩性工程土，没有湿陷性和膨胀性，腐蚀性弱，适用于大规模回填和筑路工程。
35.同时，本发明提供的水煤浆气化灰渣工程土的制备方法可靠、易操作、速度快且成本低，可用于对水煤浆气化装置排放的灰渣进行大批量处理，实现短期内完成水煤浆煤气化炉排放灰渣的治理目标。
具体实施方式
36.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
37.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
38.以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
39.本发明中，如无特殊说明，“％”表示质量百分含量。
40.本发明中，按照国家《土工试验方法标准》gb/t 50123-2019测定含水量、易溶盐含量、比重、密度、最大干密度、饱和度、湿陷系数、无荷膨胀率、压缩系数a
1-2
、压缩模量、粘聚力c、内摩擦角和加州承载比cbr。
41.粗粒灰渣取自国能包头煤化工有限责任公司水煤浆气化装置排放的灰渣，是水煤浆气化装置中由渣池中捞出的灰渣，含水量为65％，经烘干脱水后，残碳含量为22％。以xrf荧光检测法分析出以氧化物标的的非挥发分的主要组成为：38.26％的sio2、17.97％的al2o3、17.18％的fe2o3、16.55％的cao、3.72％的na2o、1.67％的k2o、1.38％的tio2、0.91％的so3、1.29％的mgo、0.81％的sro、0.23％的mno，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；粒径分布如下：20-2mm占43.3％，2-0.5mm占24.7％，0.5-0.25mm占10.6％，0.25-0.075mm占8.5％，0.075-0.005mm占6.3％，小于0.005mm占6.6％；易溶盐含量为0.087％；比重为2.18。
42.细粒灰渣取自国能包头煤化工有限责任公司水煤浆气化装置沉降池底部的沉降物，是水煤浆气化装置中出气化炉激冷室的黑水与出洗涤塔底部的黑水经沉降后，由沉降槽底部分离出的沉降物，经过卧螺机初步脱水后，细粒灰渣的含水量为66.5％，经烘干脱水后，残碳含量为39％。以xrf荧光检测法分析出以氧化物标的的非挥发分的主要组成为：
44.3％的sio2、22.84％的al2o3、10.67％的fe2o3、10.97％的cao、4.45％的na2o、1.72％的k2o、1.18％的tio2、1.14％的so3、1.97％的mgo、0.43％的sro，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；粒径分布如下：0.25-0.075mm占33.9％，0.075-0.005mm占51.3％，小于0.005mm占14.8％；易溶盐含量为0.235％；比重为2.13。
43.粉煤灰取自燃煤锅炉排放的粉煤灰，残碳含量为1.25％。以xrf荧光检测法分析出以氧化物标的的非挥发分的主要组成为：54.65％的sio2、21.87％的al2o3、7.33％的fe2o3、5.99％的cao、1.67％的na2o、3.08％的k2o、1.15％的tio2、0.59％的so3、1.35％的mgo、0.06％的mno，其它微量有害金属组分的含量不超过国家的环保标准要求；比重为2.33。
44.黄土取自国能包头煤化工有限责任公司煤气化灰渣场周边地下1米左右，比重为2.67。
45.实施例1、粗粒灰渣和黄土以重量份8:2的配比制备工程土
46.1、将粗粒灰渣和黄土烘干。
47.2、将烘干后的粗粒灰渣8公斤、黄土2公斤加水拌和，使混合均匀后得到的煤气化灰渣工程土的含水量达到25％-35％范围。
48.3、进行土工试验后，制备的煤气化灰渣工程土的各项指标如表1所示。
49.实施例2、粗粒灰渣、黄土和粉煤灰以重量份7:2:1的配比制备工程土
50.1、将粗粒灰渣、黄土和粉煤灰烘干。
51.2、将烘干后的粗粒灰渣7公斤、黄土2公斤、粉煤灰1公斤加水拌和，使混合均匀后得到的煤气化灰渣工程土的含水量达到22％-30％范围。
52.3、进行土工试验后，制备的煤气化灰渣工程土的各项指标如表1所示。
53.实施例3：粗粒灰渣、细粒灰渣、黄土和粉煤灰以重量份3.5:3.5:2:1的配比制备工程土
54.1、将粗粒灰渣、细粒灰渣、黄土和粉煤灰烘干。
55.2、将烘干后的粗粒灰渣3.5公斤、细粒灰渣3.5公斤、黄土2公斤、粉煤灰1公斤加水拌和，使混合均匀后得到的煤气化灰渣工程土的含水量达到40％-55％范围。
56.3、进行土工试验后，制备的煤气化灰渣工程土的各项指标如表1所示。
57.表1实施例中各配方工程土的性能指标
[0058][0059]
表1表明，实施例1制备的工程土的压缩系数a
1-2
为0.1mpa-1，压缩模量为17.69mpa，为中压缩性土；实施例2制备的工程土的压缩系数a
1-2
为0.08mpa-1，压缩模量为22.74mpa，为低压缩性土；实施例3制备的工程土的压缩系数a
1-2
为0.22mpa-1，压缩模量为11mpa，为中压缩性土；并且，实施例1-3制备的工程土的加州承载比cbr在10.9％以上。实施例1-3制备的工程土满足一般工程回填土和高等级公路路基要求。
[0060]
另外，实施例1-3制备的工程土的so
42-含量分别是110.35mg/kg、465.36mg/kg、395.85mg/kg，cl-含量分别是119.57mg/kg、157.40mg/kg、207.26mg/kg，表明实施例1-3制备的工程土具有微腐蚀至弱腐蚀性，对环境影响很小。
[0061]
本发明制备的工程土可以被充分机械碾压，用于回填工程和用作高等级公路路基。
[0062]
已经参照实施方式和实施例对本发明进行了描述。然而，本发明并不限于上述实施方式和实施例中描述的方面，并且可以进行各种变形。但应当理解，对本领域技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和等同替换。因此，本发明不限于已经在本文中描述的具体实施例。更确切地，本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。

技术特征：
1.一种水煤浆气化灰渣工程土，由包括重量份数比为(3.5-8):(0-3.5):2:(0-1)的水煤浆气化装置排放的粗粒灰渣、水煤浆气化装置排放的细粒灰渣、黄土和粉煤灰的原料，加水拌和而成，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-55％。2.根据权利要求1所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述原料由所述粗粒灰渣和所述黄土组成；优选地，所述粗粒灰渣和所述黄土的重量份数比为8:2，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为25％-35％。3.根据权利要求1所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述原料由所述粗粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰组成；优选地，所述粗粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰的重量份数比为7:2:1，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-30％。4.根据权利要求1所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述原料由所述粗粒灰渣、所述细粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰组成；优选地，所述粗粒灰渣、所述细粒灰渣、所述黄土和所述粉煤灰的重量份数比为3.5:3.5:2:1，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为40％-55％。5.根据权利要求1-4任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述水煤浆气化灰渣工程土的比重为2.37-2.44，密度为1.42-1.73g/cm3，最大干密度为0.98-1.36g/cm3。6.根据权利要求1-5任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述水煤浆气化灰渣工程土的饱和度为73-85％，湿陷系数为0-0.001，无荷膨胀率为0-0.6％。7.根据权利要求1-6任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述水煤浆气化灰渣工程土的压缩系数a
1-2
为0.08-0.22mpa-1，压缩模量为11.0-22.74mpa。8.根据权利要求1-7任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土，其特征在于：所述水煤浆气化灰渣工程土的粘聚力c为5.1-39.0kpa，内摩擦角为32.7-48.1
°
，加州承载比cbr为10.9-31.4％。9.制备权利要求1-8任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土的方法，包括如下步骤：(1)将所述原料中的各组分进行干燥；(2)将干燥后的各组分按照规定的重量份数比加水拌和，使混合均匀后得到的水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-55％。10.权利要求1-8任一项所述的水煤浆气化灰渣工程土在回填工程或筑路工程中的应用。

技术总结
本发明公开了水煤浆气化灰渣工程土及其制备方法与应用。本发明公开的水煤浆气化灰渣工程土由包括重量份数比为(3.5-8):(0-3.5):2:(0-1)的水煤浆气化装置排放的粗粒灰渣、水煤浆气化装置排放的细粒灰渣、黄土和粉煤灰的原料加水拌和而成，所述水煤浆气化灰渣工程土的含水量为22％-55％。本发明制备的水煤浆气化灰渣工程土具有较高的岩土力学指标，没有湿陷性和膨胀性，腐蚀性弱，适用于大规模回填和筑路工程，同时本发明提供的水煤浆气化煤灰渣工程土的制备方法可靠、易操作、速度快且成本低，可用于对水煤浆气化装置排放的灰渣进行大批量处理，实现短期内完成水煤浆煤气化炉排放灰渣的治理目标。灰渣的治理目标。


技术研发人员：闫国春 张艳红 赵代胜 张先松 王立志 邵斌 张世杰 苏爱东 姜兴剑 刘泽 孙高攀 贾润安 李玉洋 代厚鑫 李显忠 万宇 赵志鹏 董海欧 孟庆周
受保护的技术使用者：神华工程技术有限公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/16