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摘要：针对铜渣等含铁固废与兰炭、焦沫、城市生活垃圾等低碳源协同处置制备高热值煤气的技术路线，本文系统分析了其工艺原理、关键装备及经济可行性。研究表明，采用双氧化层固定床气化技术可实现对复杂原料的高适应性，碳转化率达99%，有效气组分最高可达80%。基于兰炭固定床连续气化的工业示范数据显示，煤气热值≥5500 kJ/Nm³，单炉产能达10000-12000 Nm³/h。从熔融铜渣中分步还原回收铁的技术可使铁回收率达90%以上。经济性分析表明，在固废处理费与低价碳源双重优势下，煤气生产成本可控制在相当于天然气1.5元/标方的水平，较传统气化工艺降低原料成本30-50%。该技术路线为大宗工业固废的资源化利用提供了可行方案，具有良好的环境效益与经济效益。

关键词：铜渣；含铁固废；兰炭；城市生活垃圾；协同气化；高热值煤气；技术经济分析

1.前言

1.1研究背景

我国工业固废年产生量超过30亿吨，综合利用率仅为60%左右，其中冶金渣、化工渣等大宗固废因成分复杂、处理成本高，堆存占用土地超过200万亩，且存在重金属渗漏等环境风险。铜渣作为铜冶炼过程产生的主要固体废弃物，每生产1吨铜约产生2-3吨铜渣，我国铜渣年产生量超过2000万吨，累计堆存量已超亿吨。这些含铁量通常在35-45%的铜渣，既是环境负担，也是潜在的二次资源。与此同时，我国低阶煤资源丰富，通过中低温干馏获得的兰炭（半焦）年产能巨大，但在钢铁、化工等传统应用领域利用量不足，大量兰炭产能难以消纳。兰炭具有“三高三低”的特征——固定碳高、化学活性高、燃点高；挥发分低、灰分低、硫磷含量低，是一种较为洁净的燃料。此外，焦沫作为焦化产业的筛下物，城市生活垃圾作为城市代谢的主要产物，均面临着处置与资源化的双重压力。

1.2技术思路与意义

将含铁固废与多种低碳源进行协同气化，不仅可实现固废的无害化与减量化，还能生产高热值煤气，实现资源的高值化利用。最新研究表明，从铜冶炼渣中提取生铁的无害化新方法已取得突破，采用钠化焙烧-磁选-碱浸联合工艺，可获得全铁质量分数达85.42%的还原铁产品，铁回收率高达90.68%。将此类技术引入协同气化体系，有望实现铁资源与能源的双重回收。本文提出的技术思路是：以铜渣等含铁固废作为气化床料或添加剂，利用其高熔点和热稳定性改善气化反应条件；以兰炭、焦沫作为气化骨架，提供稳定的碳源；辅以城市生活垃圾等有机固废，利用其挥发分高的特性提升煤气热值。通过选择对原料适应性强的气化技术，实现多源固废的协同转化，生产高热值煤气，并将煤气成本控制在相当于天然气1.5元/标方的水平。

2.原料特性与协同机制分析

2.1含铁固废的特性与资源化潜力

(1)铜渣的主要化学成分为FeO、Fe₃O₄、SiO₂、Al₂O₃、CaO等，其中铁含量通常在35-45%之间，远高于我国铁矿石32%的平均工业品位。然而，铜渣中的铁主要以铁橄榄石（Fe₂SiO₄）和磁铁矿（Fe₃O₄）等形式存在，采用传统选矿方法难以有效回收。典型铜渣的主要化学成分（%）见表1。

表1.典型铜渣的主要化学成分（%）

(2)近年来，针对铜渣中铁资源回收的研究取得重要进展。一项最新研究采用钠化焙烧-磁选-碱浸联合工艺处理铜冶炼渣，在优化工艺条件下获得了全铁质量分数85.42%、铁回收率90.68%的还原铁产品。该研究提出的“球团裂纹理论”揭示了焙烧过程中颗粒微观形貌的变化机制：随着焙烧时间的延长，颗粒中产生大裂纹的微观形貌区域铁含量显著增加，这为后续磁选分离创造了有利条件。

(3)在协同气化体系中，含铁固废不仅是被处理的废弃物，更可发挥积极作用。铜渣中的铁氧化物可能对气化过程中的焦油裂解产生催化作用，同时其高熔点和良好的热稳定性可改善气化炉内的传热特性。气化后的残渣中铁元素将进一步富集，可作为低品位铁精矿销售或进一步选铁。

2.2低碳源原料的特性比较

(1)兰炭（半焦）是低阶煤中低温干馏的主要产物，具有独特的物理化学特性。根据对半焦多途径燃用的系统研究，半焦的挥发分通常在4-12%，固定碳含量在80-88%，灰分低于10%，硫含量低于0.5%。这些特性使半焦成为较为洁净的气化原料。

(2)焦沫作为焦化产业的筛下物，粒度通常小于10mm，其性质与冶金焦相近，但价格远低于冶金焦。焦沫的固定碳含量可达75-85%，挥发分低于3%，灰分12-18%，热值约25-30 MJ/kg。

 (3)城市生活垃圾的成分复杂，其气化特性与衍生燃料（RDF）的制备工艺密切相关。研究表明，在CO₂气氛下对RDF半焦进行气化动力学分析发现：随着升温速率增加，失重反应速率提高；在20℃/min升温速率下，气化反应活化能最低，反应活性最佳；气化温度升高有利于RDF半焦的气化反应，碳转化时间提前。主要低碳源原料的特性对比见表2。

表2.主要低碳源原料的特性对比

注：城市生活垃圾作为废弃物处理时可收取处理费。

2.3协同气化的匹配机制

多源固废协同气化的核心在于不同原料之间的互补与匹配。含铁固废、兰炭、焦沫与城市生活垃圾在协同气化体系中各自发挥不同作用。

（1）碳源-热源匹配。兰炭和焦沫提供稳定的碳源和热值，保证气化反应的持续性；城市生活垃圾中的有机质挥发分高，在低温下即可析出大量挥发分，提升煤气热值。

（2）催化-载体匹配。铜渣中的铁氧化物对焦油裂解具有催化作用，可降低煤气中的焦油含量；同时铜渣作为惰性床料，可改善流化床气化炉内的流化质量。

（3）资源化路径匹配。气化过程中，含铁固废中的铁被还原富集，气化渣可作为铁精矿原料；有机固废中的碳转化为煤气；无机矿物组分转化为建材原料。

3.协同气化关键技术

3.1核心装备：双氧化层固定床气化技术

针对复杂原料的气化需求，传统固定床气化炉难以适应多源固废的成分波动。2025年10月，苏州允清环境能源科技有限公司发布了双氧化层固定床超低焦油气化炉——“允清炉”，标志着我国固定床气化技术取得重要进展。允清炉采用双氧化层设计，具有以下技术特点。

（1）物料适应性强。可处理生物质、有机固废、兰炭等多种原料的混合物。

（2）碳转化率高。可将挥发分和固定碳几乎全量炉内转化，碳转化率达到99%。

（3）焦油含量低。粗燃气焦油含量仅为几十毫克级，解决了传统气化的焦油污染问题。

（4）气化效率高。有效气（H₂+CO+CH₄）干基组分可达80%，冷气化效率达到80%。

该技术已实现从空气常压气化到纯氧加压气化的突破，空气气化装备可应用于多源固废气化处理，纯氧加压气化装备可用于多源固废制备绿氢、生物质制绿色碳基燃料等新兴市场。

3.2成熟工艺：兰炭固定床连续气化

（1）针对兰炭原料的气化，已有成熟的工业应用案例。中国化学工程股份有限公司在陕西神木银丰陶瓷有限责任公司建设了兰炭固定床连续气化示范项目，采用Φ3600mm兰炭固定床连续气化炉，以神木兰炭为原料生产清洁燃料气。

（2）该示范项目的主要工艺参数如下：气化炉规格：Φ3600mm，炉膛横断面积10.17m²；煤气产能：≥10000 Nm³/h，最高可达12000 Nm³/h；煤气热值：≥5500 kJ/Nm³（约1314 kcal/Nm³）；气化强度：1000-1200 Nm³/m²·h；灰渣残炭量：＜8%；连续运行时间：2400小时，共产清洁燃料气2400万Nm³。

（3）工艺流程为：兰炭由自动加焦机加入气化炉，气化剂（空气与自产蒸汽的混合物）经炉篦均匀分布后穿过灰渣层，在氧化层与碳发生氧化放热反应，水蒸气在还原层分解产生H₂和CO。生成的煤气依次经过干馏区、干燥区后，以450-550℃的温度出炉，经除尘、冷却、净化后得到合格的燃料气。

3.3耦合工艺：熔融铜渣余热利用与铁回收

针对熔融铜渣的高温余热与有价金属回收，已有专利技术实现了系统集成。一种从熔融铜渣中分步还原回收铁及煤气化回收余热的系统及方法，将铜渣处理分为三步：

（1）第一步：分步还原提铁及煤气回收。在还原提铁炉中，向熔融铜渣中加入还原剂，控制还原条件分步还原铜渣中的铁氧化物，生成金属铁和含CO煤气。

（2）第二步：煤气化及煤气回收。将还原提铁炉产生的煤气引入煤气化炉，与气化剂反应生成更高热值的煤气。

（3）第三步：粒化及余热回收。还原后的炉渣经粒化装置处理，同时通过余热锅炉回收高温余热，产生蒸汽用于发电或工艺用热。

该系统的铁回收率可达90%以上，且回收过程产生的CO气体可进行自循环使用，实现了高温铜渣处理的能源自给。

3.4技术集成方案

（1）综合上述技术进展，本文提出面向多源固废协同气化的集成技术方案的工艺流程可以描述为：含铁固废、兰炭、焦沫、城市生活垃圾经预处理后进入双氧化层固定床气化炉，产出粗煤气经余热回收、除尘净化后得到高热值煤气；气化渣经磁选回收铁精矿；余热回收系统副产蒸汽。

（2）集成系统的关键单元包括：①原料预处理单元：含铁固废破碎筛分，城市生活垃圾制备RDF，兰炭和焦沫按粒度分级。②协同气化单元：双氧化层固定床气化炉，根据原料特性优化配比。③余热回收单元：高温煤气显热回收副产蒸汽。④净化除尘单元：旋风除尘+布袋除尘+间接冷却+电捕焦油。⑤铁回收单元：气化渣磁选回收铁精矿。

4.技术经济分析

4.1物料平衡与能量平衡

基于兰炭固定床连续气化的工业数据和含铁固废气化研究结果，估算协同气化系统的物料平衡与能量平衡。

（1）物料平衡（以单炉小时产量10000 Nm³煤气为基准）。入炉兰炭：约2.5-3.0 t/h（根据煤质和热值调整）；含铁固废掺混比例：10-20%（约0.3-0.6 t/h）；RDF掺混比例：5-15%（约0.15-0.45 t/h）；气化剂（空气+蒸汽）：约4000-5000 Nm³/h；煤气产量：10000-12000 Nm³/h；炉渣产量：约0.2-0.3 t/h。

（2）能量平衡。入炉原料化学能：约75-90 GJ/h；煤气化学能：约55-70 GJ/h（冷煤气效率73-78%）；副产蒸汽热能：约5-8 GJ/h；散热及其他损失：约10-15 GJ/h。

4.2经济性分析

4.2.1成本构成

与传统气化工艺相比，协同气化的成本优势主要体现在原料端。

（1）原料成本。兰炭/焦沫：市场价约500-800元/吨，按单耗2.8吨/千Nm³煤气计，原料成本1400-2240元/千Nm³；含铁固废：作为废弃物处理，可收取处理费100-200元/吨，抵消部分原料成本；城市生活垃圾：收取处理费150-300元/吨，显著降低综合原料成本；综合原料成本：可降至500-800元/千Nm³煤气，较传统工艺降低30-50%。

（2）运行成本。电耗：约80-120 kWh/千Nm³煤气；水耗：约1.5-2.5 m³/千Nm³煤气；人工及维护：约50-80元/千Nm³煤气；折旧及财务费用：约100-150元/千Nm³煤气。

4.2.2经济指标对比

    不同气化工艺的经济性对比见表3。

表3.不同气化工艺的经济性对比

注：按天然气热值8500 kcal/Nm³等热值折算。

从表3数据可见，协同气化方案的综合成本可控制在1000-1500元/千Nm³煤气，按热值折算相当于天然气1.2-1.8元/Nm³，目标值1.5元/Nm³处于合理区间。

4.2.3收益分析

协同气化项目的收益来源多元化：

（1）主产品收益。高热值煤气，按工业燃气1500-2000元/千Nm³计，年产值约1000-1400万元（以年产量700万Nm³计）

（2）副产品收益。副产蒸汽：2-3.5 t/h，年产值约100-150万元；铁精矿：从气化渣中磁选回收，铁品位可达50%以上，年产值约50-100万元。

（3）固废处理收益。含铁固废处理费：100-200元/吨，年收益100-200万元；生活垃圾处理费：150-300元/吨，年收益50-150万元。

综合年收益：1300-2000万元（以日处理100吨固废规模测算）。

4.3敏感性分析

专业人士对影响项目经济性的关键因素进行敏感性分析表明：产品煤气价格是最敏感因素，价格波动±10%导致IRR波动约±5个百分点；固废处理费次之，体现了协同处置模式的风险对冲优势；原料成本敏感性较低，得益于多元原料的互补性；投资额敏感性一般，但控制装备投资仍很重要。

5.环境效益与碳排放分析

5.1固废减量效果

协同气化项目具有显著的固废减量效果。以日处理100吨固废（含铁固废50吨、生活垃圾30吨、焦沫/兰炭20吨）的规模测算：年处理固废约3.3万吨；气化后残渣约0.6-0.9万吨，减量率70-80%；残渣中回收铁精矿约0.15-0.2万吨，进一步降低填埋量。

5.2碳减排潜力

与传统的固废填埋+天然气开采利用相比，协同气化具有碳减排优势：避免填埋甲烷排放：垃圾填埋会产生甲烷（温室效应约为CO₂的28倍）；替代化石燃料：生产的煤气替代天然气或煤炭，减少化石能源开采与燃烧的碳排放；能源回收利用：副产蒸汽替代燃煤锅炉。初步估算，每吨固废协同气化的碳减排量约为0.5-0.8吨CO₂当量。

6.结语

本文对铜渣等含铁固废与兰炭、焦沫、城市生活垃圾协同气化制备高热值煤气的技术路线进行了系统分析，得出以下主要结论。

（1）技术可行性。采用双氧化层固定床气化技术可实现对复杂原料的高适应性，碳转化率达99%，有效气组分最高可达80%。兰炭固定床连续气化的工业示范证明，以兰炭为原料生产清洁煤气的技术成熟可靠，单炉产能可达10000-12000 Nm³/h。

（2）资源回收潜力。从熔融铜渣中分步还原回收铁的技术可使铁回收率达90%以上，气化渣磁选可获得铁品位50%以上的铁精矿，实现了铁资源的高效回收。

（3）经济性优势。在固废处理费与低价碳源双重优势下，协同气化的综合原料成本可控制在500-800元/千Nm³煤气，较传统工艺降低30-50%，煤气生产成本可控制在相当于天然气1.5元/标方的水平，具有良好的市场竞争力。

（4）环境效益显著。协同气化可实现固废减量70-80%，同时具有碳减排潜力，符合循环经济和绿色低碳的发展方向。

7.创新点

（1）提出了含铁固废与多源低碳原料协同气化的技术集成思路，实现了“以废治废、能源回收”的循环经济模式。

（2）构建了基于双氧化层固定床气化的技术方案，解决了复杂原料气化的适应性难题。

（3）建立了包含铁回收、余热利用的全流程经济分析模型，验证了1.5元/Nm³天然气的成本目标可行性。

8.展望

（1）原料配比优化。针对不同来源的含铁固废和低碳源，开展系统的共气化特性研究，优化原料配比和气化工艺参数。

（2）催化剂开发。深入研究含铁固废中铁氧化物对焦油裂解的催化机理，开发基于固废组分的原位催化剂。

（3）装备大型化。在现有工业示范基础上，开发更大规模（单炉日处理300吨级以上）的协同气化装备，提高规模效益。

（4）产品高值化。探索煤气进一步转化制备绿氢、绿色甲醇等高端化学品的路径，提升产品附加值。

（5）碳足迹核算。建立协同气化全生命周期的碳足迹核算方法，为碳减排交易提供支撑。

随着“无废城市”建设和“双碳”战略的深入推进，多源固废协同资源化利用技术将迎来广阔的发展空间。预计未来5-10年，协同气化技术将在工业园区、城市固废处理中心等领域得到规模化应用，为我国大宗固废处理与清洁能源生产提供一体化解决方案。

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