楊歡

摘 要：長期以來，煤矸石的大量堆放帶來了浪費(fèi)資源、影響生態(tài)環(huán)境等大量問題，為解決這些問題，本文以現(xiàn)有成熟的煤矸石綜合利用技術(shù)為基礎(chǔ)，將各個(gè)技術(shù)流程進(jìn)行優(yōu)化整合創(chuàng)新，并提出了煤矸石優(yōu)化利用產(chǎn)業(yè)鏈模型，將煤礦、電廠、水泥廠等有機(jī)結(jié)合，對煤矸石廢棄物進(jìn)行循環(huán)充分利用，實(shí)現(xiàn)廢棄物回收利用，帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：煤矸石；粉煤灰；產(chǎn)業(yè)鏈；效益分析；綜合利用

一.引言

煤矸石是指煤炭在開采、洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,影響生態(tài)環(huán)境，也是可利用的資源,具有雙重性。全國國有煤礦現(xiàn)有矸石山1500余座,堆積量30億t以上,占中國工業(yè)固體廢物排放總量的40%以上。預(yù)計(jì)到2020年，全國煤矸石年排放量將增至7.29億t。

二.煤矸石優(yōu)化利用產(chǎn)業(yè)鏈模型

該產(chǎn)業(yè)鏈以現(xiàn)有成熟的煤矸石綜合利用技術(shù)為基礎(chǔ)，將各個(gè)技術(shù)流程進(jìn)行優(yōu)化整合創(chuàng)新，將煤礦、電廠、煉鋼廠、水泥廠等有機(jī)結(jié)合，對煤矸石廢棄物進(jìn)行循環(huán)充分利用，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)電力與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

三.各項(xiàng)方案分析

（一）燃燒煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電

1.技術(shù)要求。循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但其燃燒的基本環(huán)節(jié)和工作過程基本上是相似的。燃煤和空氣進(jìn)入一個(gè)流態(tài)化燃燒室，發(fā)生摻混、燃燒，夾帶有大量細(xì)顆粒物料的煙氣在爐膛出口的氣固分離器中把所夾帶的固體顆粒分離下來，煙氣進(jìn)入尾部受熱面，而被分離器收集下來的物料通過返料器被送回主燃燒室循環(huán)再燃。約50%燃燒釋熱通過爐膛受熱面?zhèn)鹘o鍋爐汽水系統(tǒng)，使燃燒維持在850-900℃的穩(wěn)定范圍內(nèi)。

2.可行性分析。據(jù)全國電力行業(yè)CFB機(jī)組技術(shù)交流服務(wù)協(xié)作網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)，目前我國絕大多數(shù)的CFB鍋爐機(jī)組分布在熱電企業(yè)，CFBB發(fā)電技術(shù)已經(jīng)比較成熟，是名副其實(shí)的CFBB大國。因此利用CFBB來進(jìn)行煤矸石發(fā)電在技術(shù)上完全支持。

（二）利用余熱循環(huán)水供熱

1.概述。利用熱泵、熱管技術(shù)將其低品位余熱提升并盡可能用于輕工業(yè)生產(chǎn)過程、采暖，甚至回饋至電廠自身的熱力循環(huán)，以提高熱機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性，即所謂的“熱泵回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)”。

2.技術(shù)要求。盡管循環(huán)水余熱溫度低于45℃，現(xiàn)代熱泵技術(shù)將其提升至60～90℃，甚至更高一些是完全可行的。關(guān)鍵在于尋求能夠充分利用熱力發(fā)電廠廢棄熱或汽輪機(jī)低壓抽汽熱為驅(qū)動(dòng)源的高效低成本熱泵。吸附式熱泵雖還未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，但在工業(yè)余熱利用的研發(fā)中已顯出優(yōu)勢。工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的中溫、中壓余（廢）熱等應(yīng)該是最理想的熱泵驅(qū)動(dòng)能，既避免了高級資源的浪費(fèi)，還能充分利用廢棄能量。

3.效益分析。一般大型火電廠實(shí)際熱效率僅為40％，核電不及35％，大于60％熱量排到環(huán)境中?；厥者@部分熱能對于節(jié)約能源無疑是意義重大的。回收余熱，是實(shí)現(xiàn)廢熱“減量化、再利用、資源化”的實(shí)際行動(dòng)，不僅使電廠煤耗下降，而且使之環(huán)境影響代價(jià)最小。循環(huán)水供熱方案中消耗的蒸汽屬于電廠原供熱能力的一部分，也不會(huì)額外增加污染物排放。

（三）粉煤灰的深層利用

粉煤灰是產(chǎn)業(yè)鏈中循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電產(chǎn)生的一種廢棄物，是一種多孔隙的玻璃微珠活性材料。粉煤灰由于利用率較低,大量存放在儲(chǔ)灰池中,進(jìn)行覆土和水封,造成了很大隱患。解決粉煤灰的存放,提高其綜合利用率,已是一個(gè)亟需解決的問題。基于此，我們在該產(chǎn)業(yè)鏈中提出了三種循環(huán)利用途徑來減少粉煤灰的堆積。

1.合成水泥

（1）概述。在水泥配料中加入8%～9%粉煤灰代替黏土入回轉(zhuǎn)窯燒成熟料，熟料粉磨水泥時(shí)可加入40%粉煤灰生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽水泥，將殘余含碳量低的粉煤灰磨成400目以下的超細(xì)粉煤灰,加到混凝土中生產(chǎn)高性能混凝土。

（2）技術(shù)要求

①粉煤灰硅酸鹽水泥。為了提高復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度,我們采用國內(nèi)外的研究成果,設(shè)法加快粉煤灰與礦渣的水化速率。為了激發(fā)粉煤灰及礦渣的潛在活性,加入1%外加劑,使SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分從骨架上脫出,變成游離的離子或離子團(tuán),與水溶液中的Ca2+與OH-1等離子生成C-S-H、C-A-H與C-F-H等水硬性礦物。在生產(chǎn)水泥產(chǎn)品中,細(xì)粉煤灰的強(qiáng)度要比原狀粉煤灰高20%～30%。

②高性能混凝土。大壩混凝土的特點(diǎn)是體積大，除少數(shù)部位除外大都強(qiáng)度要求不高，但抗裂、抗?jié)B、抗侵蝕、抗凍融等性能要求高。粉煤灰是拌制高性能混凝土用得較普遍的摻合料。利用粉煤灰、高效減水劑配制出C60高性能輕質(zhì)混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為16%，高效減水劑摻量為1.0%，高性能混凝土28d強(qiáng)度高達(dá)77.3,MPa,擴(kuò)散系數(shù)低至1.5210-9cm/s,lm，節(jié)約水泥200kg。

（3）成本及效益分析

①效益費(fèi)用比法判斷工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性。經(jīng)過計(jì)算可得該工程項(xiàng)目的效益費(fèi)用比R>1.0,故判斷該工程項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上可行。

②社會(huì)和環(huán)境效益。其一，利用電廠的灰渣，可以減少環(huán)境污染，有效地減少灰場占地。其二，建廠利于就業(yè),利于地區(qū)工業(yè)布局。

（4）市場分析

混凝土材料是當(dāng)今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界的消耗量接近100億噸。我國的水泥產(chǎn)量多年來居世界首位，占1/3以上。同時(shí)我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，有關(guān)部門仍在計(jì)劃投資建設(shè)更多水泥廠。

2.回填復(fù)墾

（1）概述。根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)和發(fā)展的實(shí)際情況,因地制宜地對采煤塌陷土地進(jìn)行科學(xué)合理的回填，生產(chǎn)有機(jī)化肥，種植經(jīng)濟(jì)作物和適宜的植物解決粉煤灰揚(yáng)塵污染。

粉煤灰具有潛在的活性，可以反應(yīng)生成硅酸鈣、鋁酸鈣等具膠凝作用的化合物，填充了顆粒間的孔隙，改善了強(qiáng)度和抗?jié)B性，形成一塊具有隔水性能的剛度和強(qiáng)度均較好的板塊，有效的改善了地基的承載能力。

（2）技術(shù)要求。以推土機(jī)將調(diào)濕粉煤灰推鋪壓實(shí),用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓4～6遍,達(dá)到實(shí)干容重的要求,再在其上部覆蓋一層矸石。

生產(chǎn)煤矸石有機(jī)復(fù)合肥一般用化學(xué)活化法。選用含有機(jī)質(zhì)較高的破碎煤矸石粉與過磷酸鈣按一定比例混合,加入適量的活化添加劑,攪勻,加入適量水,堆漚活化即成。在活化后可摻入氮、鉀和微量元素等制成全養(yǎng)分矸石肥料。

（3）可行性分析（以秦嶺發(fā)電廠為例）。秦嶺發(fā)電廠已在儲(chǔ)灰場上成功種植小冠花。小冠花根系發(fā)育好,覆蓋面積大,覆蓋區(qū)濕度高,無粉塵飛揚(yáng),因此它是一種較好的保持水土、防塵、固灰植物,能起到覆蓋粉煤灰、防止污染、凈化環(huán)境的效果。小冠花還是一種蛋白質(zhì)含量較高的飼料,秦嶺電廠用純灰上種植的小冠花進(jìn)行了養(yǎng)牛、養(yǎng)羊?qū)嶒?yàn),證明小冠花對牛羊等反芻動(dòng)物無毒性,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）效益分析。

①有利于取長補(bǔ)短治理環(huán)境。隨著礦井的開采,地面將不可避免的形成大片塌陷區(qū),對自然生態(tài)造成一定的破壞。電廠發(fā)電需排出大量的粉煤灰,占用大量的農(nóng)田,污染了環(huán)境。利用電廠粉煤灰回填復(fù)墾,既解決了塌陷區(qū)的復(fù)耕問題,也解決了粉煤灰的存放問題。

②提高了煤電一體化項(xiàng)目的整體效益。粉煤灰作為塌陷區(qū)的充填材料,有利于減少電廠初期購置貯灰場用地等投資,減少粉煤灰貯存對環(huán)境的污染,并可保證礦井的塌陷區(qū)及時(shí)回填,造地復(fù)墾,在必要時(shí)可出賣復(fù)墾后的土地使用權(quán),從而獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

（四）金屬煉鋼與煤矸石的整合利用方案

1.概述。Al2O3含量介于35～62％的高鋁媒矸石、粉煤灰可制煉鋼高效脫氧劑硅鋁鐵合金、水泥速凝劑聚合鋁、以及凈水劑的聚合氯硅酸鋁。

2.技術(shù)要求。作為鋁鹽原料的爐渣必須符告：a、氧化鋁含量要高，一般要求在35%以上；b、礦物組分雜質(zhì)含量要低．含鐵量應(yīng)控制在1.5%以下，鈣鎂也應(yīng)控制在0.5%以下；c、酸溶出率一般要求大于80%。

通過浸取法提鋁后的煤矸石廢渣的主要成分為二氧化硅，對其進(jìn)行處理可制得硅酸鈉，加鹽酸進(jìn)行酸化后經(jīng)聚合得聚硅酸，而后和三氯化鋁進(jìn)行復(fù)合得聚氯硅酸鋁產(chǎn)品。

3.效益分析。利用粉煤灰來提煉硅鋁鐵合金作為煉鋼的脫氧劑，可以滿足鈦鋼煉制過程中脫氧劑的工業(yè)要求；同時(shí)所制吸附劑可用在污水處理環(huán)節(jié)中，可滿足整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的污水處理要求。不僅能把多余的煤矸石和粉煤灰變廢為寶，解決了環(huán)境污染問題，更產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。煉鋼廠建在煤礦旁邊，減少了成本。其生產(chǎn)的余熱可被水泥廠再次利用，形成產(chǎn)業(yè)循環(huán)，減少了能量損失。

四．總結(jié)

在煤矸石優(yōu)化利用產(chǎn)業(yè)鏈模型中，我們將循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠，洗煤廠與煉鋼廠有機(jī)結(jié)合，洗煤廠為煉鋼廠提供精煤，節(jié)省了煉鋼廠的運(yùn)煤成本費(fèi)用，發(fā)電廠為煉鋼廠提供電力以及生產(chǎn)生活供暖，發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰以及多余的煤矸石可以加工作為催化劑提供給煉鋼廠，同時(shí)粉煤灰制成吸附劑滿足產(chǎn)業(yè)鏈的污水處理需要，將這些工廠進(jìn)行一體化運(yùn)營可以大大節(jié)省成本費(fèi)用，同時(shí)還能大大減少煤矸石的堆積，在成本低的情況下創(chuàng)造出更大的效益。同時(shí)，因不同地區(qū)不同煤廠特點(diǎn)不同，我們建議因地制宜，利用產(chǎn)業(yè)鏈中適合本廠實(shí)際的技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)最大程度上的煤矸石回收利用。（作者單位：華北電力大學(xué)）

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