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大型煤电化基地固废分质分类资源化利用研究

徐连兵1,卓锦德2,张 凯1

(1.国家能源投资集团有限责任公司,北京市东城区,100011;2.北京低碳清洁能源研究院,北京市昌平区,102209)

摘 要 宁东能源基地煤炭资源储量丰富,是我国具有代表性的煤炭、电力、煤化工产业集群基地之一,开发过程中产生的煤基固废合理处置与资源化利用问题成为制约该区域可持续发展的难题之一。针对宁东地区大型煤电化基地固废产量大、利用率低、尚无成熟的规模化利用技术及解决方案等问题,通过对5种典型大宗煤基固废基本材料性质及其相对应的市场应用原料性能分析,总结研究了大型煤电化基地固废分质分类资源化利用技术路径。研究表明,煤基固废的基本材料性质取决于产废企业煤炭开采及煤炭转化利用运行条件,产废企业对煤基固废基本材料性质的认知和固废生产环节相对应的原料品质管控,是煤基固废分质分类、原料化、资源化利用的基础;井下绿色充填、沉陷区密实回填复垦、活性粉体及高值化建材和生态修复材料4项关键技术经示范工程应用推广后,可支撑宁东地区煤基固废利用率由目前的42%提高到80%以上;宁东地区煤基固废利用途径应以年消纳量千万吨级别的井下绿色充填和采煤沉陷区回填为主,以活性粉体及高值化建材、生态修复材料等万吨-百万吨级别增值利用方式为辅,该方式可取代目前以填埋为主的固废处置方式。

关键词 煤基固废;分质分类;活性粉体;密实回填;井下绿色充填

0 引言

煤炭是我国的主要能源和重要的化工原料,煤炭开采产生的煤矸石、燃煤发电产生的粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏以及煤化工产生的气化渣,形成了5种典型的大宗煤基固废[1-5]。目前,我国西部煤炭储量、开采量和使用量巨大,煤电和煤化工产业高度集中,随着煤炭开采、燃煤发电和煤化工产业的快速发展,西部产煤区在支持和促进中东部地区与全国经济快速发展的同时,也给本地区留下数量巨大的煤基固废,存在大量占用土地、严重污染环境等问题[6-7],同时也成为制约西部地区经济社会发展的不利因素。

目前,西部地区煤基固废仍以堆存和填埋处置为主,综合利用率较低。关于煤基固废的利用主要集中在单一固废材料的应用研究,例如粉煤灰[8-9]主要用于建材、土壤改良及道路路面等利用,煤矸石[10-13]主要用于燃烧发电等,气化渣[2, 14]尚无产业化规模的利用。目前针对气化渣、煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、炉底渣基本材料性质的优势进而发挥其协同利用效果的研究较少,究其原因,主要是缺乏多源煤基固废材料分质分类资源化利用的系统研究。东部及沿海地区已经积累的煤基固废利用方式,不能完全适用于煤基固废产量大、产速快、堆积量远高于消耗量的西部地区。因此针对西部大型煤电化基地千万吨级固废产量,尚未形成可借鉴的、成熟的规模化利用路径[15]

笔者及研究团队以国家重点研发计划“大型煤电化基地固废规模化利用成套技术及集成示范”专项研究成果为基础,并结合现有煤基固废利用成果,针对宁东能源基地产生的5种煤基固废量较大以及利用率低的问题,分析研究了煤基固废基本材料性能与分质分类资源化利用途径;开发了多源煤基固废充填及回填材料技术,用于年消纳量千万吨级别的煤矿井下绿色充填及采煤沉陷区回填;开发了多源煤基固废活性粉体及土壤调节剂,用于万吨-百万吨级别的建材及生态治理。研究成果可为我国西部地区大型煤电化基地固废资源化利用提供综合性解决方案。

1 研究区固废种类及利用现状

宁东能源基地位于宁夏回族自治区中东部,辖区范围涉及灵武市、盐池县、同心县、红寺堡区等4个市县(区),南北长127 km,东西宽16~41 km,面积3 484 km2,占宁夏总面积的5.2%,其中核心区面积800 km2。该地区煤炭资源丰富,已探明储量273亿t,远景储量1 394.3亿t,被列为国家14个亿吨级大型煤炭基地、9个千万千瓦级大型煤电基地和4处现代煤化工产业示范区之一,是最具代表性的煤炭、电力、煤化工产业集群基地,也是我国最大煤气化生产煤制油和煤制烯烃生产基地。同时,由于宁东能源基地处于毛乌素沙漠腹地,降水稀少、生态环境极其脆弱,产生的大量煤基固废不仅压占土地资源,还存在进一步加剧水土流失、土地沙漠化以及地下水污染等生态问题。

宁东能源基地主要的煤基固废包括煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉底渣、脱硫石膏等, 2017-2020年宁东能源基地煤基固废产量与2020年煤基固废利用情况分别见表1和表2[16]

由表1和表2可以看出,2017-2020年煤基固废的产量分别为 1 512万t/a、1 436万t/a、1 853万t/a和2 310.1万t/a。2020年宁东能源基地的煤基固废利用总量为972.3万t,利用率达到了42%,其中矸石山的煤矸石利用率达到93%,显著高于其他固废种类。

2 研究区煤基固废材料性质

2.1 材料性质分析

从材料学角度分析,煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣(含气化粗渣和气化细渣)、脱硫石膏都具有3个基本的材料性质,包括化学成分与含量、粒径分布与形貌、矿物相组成与含量。化学成分与含量采用XRF方法(荧光光谱分析仪)表征其无机化学成分及含量,同时以双气氛热重方法表征其水含量及碳含量;采用SEM扫描电镜表征颗粒形貌,颗粒较小的粉煤灰、脱硫石膏及气化细渣采用激光粒度仪进行粒径分布分析,而颗粒较大的煤矸石、炉底渣及气化粗渣采用筛分法检测颗粒大小分布区间量;采用XRD方法(X射线衍射仪)表征其玻璃相含量及其矿物相组成。

从化学成分方面分析,煤矸石、粉煤灰、炉底渣及气化粗渣以硅铝酸盐为主要成分,脱硫石膏以硫酸钙为主要成分,而气化细渣以水为主要成分,主要化学成分差异较大;碳含量以气化细渣最高,其次是煤矸石及气化粗渣,然后是粉煤灰、炉底渣及脱硫石膏;水含量以气化细渣最高,其次是脱硫石膏及气化粗渣,而粉煤灰、煤矸石、炉底渣的水含量一般低于1%。在粒径分布与形貌方面,粒径分布中最大的是煤矸石,其次是炉底渣、气化粗渣,最小的是粉煤灰、脱硫石膏及气化细渣,形貌中只有煤粉炉粉煤灰为球型,其他均为不规则形貌。在矿物相组成与含量方面,无机矿物的玻璃相含量从高到低为气化渣、粉煤灰和炉底渣,其次是煤矸石,最小的是脱硫石膏。这5种大宗煤基固废的基本材料性质不尽相同,特别是化学成分、粒径大小范围及矿物玻璃相含量均具有较大差异,煤基固废基本材料性质对比见表3。

表3 煤基固废基本材料性质对比

煤基固废无机物含量/%碳含量/%水含量/%粒径/μm形貌无机矿物玻璃相含量/%煤矸石88.90(硅铝酸盐)10.600.50>10 000.0不规则29.4粉煤灰99.74(硅铝酸盐)0.160.100.1~380.0煤粉炉球型其他不规则65.7炉底渣99.35(硅铝酸盐)0.230.42100.0 ~4 750.0不规则48.0脱硫石膏92.91(硫酸钙)0.146.950.2~185.0不规则9.6气化粗渣86.70(硅铝酸盐)2.1011.20200.0 ~ 2 360.0不规则77.9气化细渣13.20(硅铝酸盐)33.0053.805.3~460.0不规则65.0

2.2 材料性质控制因素

煤基固废基本材料性质主要取决于使用的煤炭化学成分、煤炭开采或转化工艺以及环保工艺操作条件等3大因素,因此即使是同一个煤基固废生产单位,在不同生产期也可能生产不同性质的煤基固废。煤基固废基本材料性质控制因素如图1所示。

图1 煤基固废基本材料性质控制因素

化学成分取决于煤炭化学成分及环保工艺操作条件,例如含有不同无机矿物的煤炭、不同的环保工艺操作条件,包括燃煤电厂炉内脱硫造成的粉煤灰高硫含量及高钙含量、脱硝控制不当造成的高氨含量、烟气蒸发处理脱硫废水提高的氯离子含量等。矿物相组成与含量也取决于煤炭化学成分及煤炭开采与转化过程中的温度造成的矿物相变化,例如高铝煤炭。由于不同的锅炉燃烧温度,煤粉炉粉煤灰的氧化铝以莫来石形态存在,同时玻璃相含量较低,而循环流化床锅炉粉煤灰的氧化铝则以偏高岭石的形态存在,玻璃相含量较高。粒径分布与形貌则取决于煤预处理、转化工艺及收集系统,只有煤粉炉能产生球型颗粒,而其他均为不规则的颗粒形貌。

因此,产废企业需了解其自身不同的运行条件对煤基固废基本材料性质的影响,包括化学成分与含量、颗粒大小范围及矿物组成与含量,也需根据其相对应的利废企业或市场应用的原料品质要求,进行分质分类的品质管控,这也是固废原料化、资源化利用的基础。

3 煤基固废资源化利用技术路径研究

3.1 煤基固废材料性能效应与利用方向

煤基固废的化学成分、粒径分布与形貌、矿物组成这3个基本材料性质,直接对应产生3种材料性能效应:一是颗粒效应用于集料或填料用途,例如用于改良土壤的孔隙率、取代天然砂石、塑料的填料等利用;二是矿物相效应在碱性条件下具有胶凝性能,主要用于建材及工程固化材料中的辅助胶凝材料;三是化学成分效应,接近黏土组分的灰主要作为水泥或陶瓷的原料,不同形态的碳用于燃烧或者碳材料,高含量的有害元素限制了其应用途径,而高含量的有价元素如镓、锗等则可以用于提取。

根据3个基本材料性质并通过3类材料的性能效应,可归纳出金字塔式的两大利用方向及6类应用市场:一是消纳利用,主要包括2个应用市场,即井下充填材料及回填复垦材料;二是增值利用,主要包括4个应用市场,即道路材料、建筑材料、土壤改良材料和其他工业材料。

煤基固废用于回填复垦主要基本材料的性质,关键在于颗粒大小的级配以及其化学成分是否满足污染物排放的标准,而用于井下充填材料的制备不仅要考虑到颗粒大小及化学成分,还需要考虑煤基固废中矿物相的凝胶性质,以满足抗压强度的要求。土壤改良与回填复垦对煤基固废基本材料的性质要求相似,重点在于颗粒大小分布对土壤孔隙率或密实性的改善及其化学成分对土壤的污染风险,特别是重金属含量。建材与井下充填对煤基固废基本材料的性质要求相似,不但需要适当的颗粒大小分布、低有害化学成分含量以及较高的矿物相胶凝性质,还需要满足抗压强度的要求。由于煤基固废基本材料性质差异大(见表3),其产生的材料性能效应不同,因此不同的煤基固废对应的应用市场也会有所不同,需充分发挥不同煤基固废中不同基本材料性质的优势,达到原料化协同利用的最佳效果。

3.2 宁东基地煤基固废资源化利用技术路径

根据煤基固废基本材料性质,研究分析其潜在的材料性能效应,在此基础上通过产废单位对固废生产的管控,形成适用于宁东能源基地应用市场需求的类别,是煤基固废分质分类资源化利用的有效途径。多源煤基固废作为充填、回填、活性粉体及土壤改良原料的4项主要技术说明如下。

(1)制备环保型多源煤基固废井下绿色充填材料。首先以满足《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》(GB 18599-2020)第I类一般工业固废要求的煤矸石和气化粗渣为骨料,以水泥、粉煤灰、脱硫石膏、炉底渣为胶凝材料可以制备环保充填材料。根据充填材料制备实验初步结果,充填膏体最优配比为煤矸石∶粉煤灰∶气化渣∶水泥为1.0∶4.2∶4.2∶0.6。该材料第三方检测报告显示,28 d的强度为6.7 MPa,煤基固废在充填材料中的掺量超过90%,其中气化渣在充填材料中的掺量为15%,充填浆体初凝时间为5.91 h,终凝时间为9.7 h。粉煤灰及炉底渣矿物玻璃相与水泥水化反应生成的碱进行激发反应,再辅以具有凝胶性的脱硫石膏,作为充填材料中的凝胶材料。测试结果表明,以气化粗渣作为骨料,被凝胶材料包覆固化后,重金属渗出率可满足《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》(GB 18599-2020)的要求。

(2)用于采煤塌陷区回填复垦。对煤基固废不同化学成分及颗粒大小分布条件下进行最佳配比研究,例如煤矸石及粉煤灰的无机物含量均以硅铝酸盐为主,但煤矸石粒径的范围是厘米级别,而粉煤灰的粒径范围是微米级别,相差2个数量级,可进行颗粒大小复配达到最佳级配。对煤基固废作为填充料的回填层机械压实性能进行测试分析,结果显示,矸石和粉煤灰质量比为1.0∶0.6时,制备的密实回填材料在0~25 MPa的压实应力范围内压实率减少最小。回填压实后,形成再生的硅铝酸盐矿物,覆表土后可进行复垦绿化。

(3) 制备多源煤基固废活性粉体和高值化产品。对粉煤灰、气化渣、炉底渣及脱硫石膏进行不同配比的优化试验,可以制备出复合活性粉体,活性粉体的比表面积为350 m2/kg,需水量比96%,7 d 活性指数为74%,28 d活性指数为79%。通过开展活性粉体对水泥和混凝土性能影响的试验研究,发现活性粉体用于水泥及混凝土后,不但可以降低水泥熟料及水泥用量,还可以进一步提高混凝土的适用性和质量,实现高值化利用。

(4)制备生态修复材料和盐碱化土壤调理剂用于土壤改良。通过对宁东基地电厂粉煤灰进行酸法重金属浸出实验后发现,高浓度重金属(Cr、As和Zn)的浸出率超过70%,生态修复材料中粉煤灰的掺量可以达到45%以上。通过不同配方试验研究,将分离剔除重金属超标的煤基固废与有机肥、生物基磺酸盐等进行复配,可以研发出盐碱化土壤调理剂,该土壤调理剂施用后土壤的pH值降低10%以上,盐分降低15%以上,重金属检测值低于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的风险管控值。其中将粉煤灰与牛粪、秸秆共同压制成育苗钵可以培育耐旱耐盐碱植株,将粉煤灰与气化细渣、牛粪掺混可以研发出沙生植物栽培基质,其基本理化性质接近或优于商品育苗基质,但成本可降低62%。

4 结语

根据宁东基地的生产特点与市场需求,该区域的煤基固废利用途径主要以年消纳量千万吨级别的井下充填和采煤沉陷区回填为主,以高值化建材、土壤改良材料等万吨-百万吨级别增值利用方式为辅,才能够消纳产量超过2 000万t/a的煤基固废,同时产生良好的生态效益与经济效益,并取代目前以填埋为主的固废处置方式。本研究结合地方市场需求,提出了井下绿色充填、塌陷区分质分类密实回填、高值化建材和土壤改良材料这4种主要利用技术,经过示范工程推广应用后,可支撑宁东地区煤基固废利用率由目前的42%提高到80%以上。

大型煤基固废资源化利用是一项系统工程,必须包含消纳量大的充填及回填,但目前在国内仍未被地方政府认可为资源化利用途径之一,同时煤炭企业自身充填及回填的消纳也不在固废利用优惠政策内。因此,得到地方政府对回填及充填的认可及支持,建立产废企业、利废企业和政府之间合作共赢、利益共享的可持续商业化运营模式,才有可能解决偏远地区固废量大的问题。

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Study on qualitative classified resource utilization of solid wastes in large-scale coal, power and coal chemical industry cluster base

XU Lianbing1, JOW Jinder2, ZHANG Kai1

(1. China Energy Investment Corporation, Dongcheng, Beijing 100011, China;2. National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Changping, Beijing 102209, China)

Abstract Ningdong Energy Base is rich in coal resources and is the most representative coal, power and coal chemical industry cluster base in China. The reasonable disposal and resource utilization of coal-based solid waste generated in the resource development process has become one of the problems restricting the sustainable development of the region. Aiming at the problems of massive solid waste production, low utilization rate and lack of mature large-scale utilization technology and solutions in large-scale coal, power and coal chemical industry cluster base in Ningdong region, through the analysis of the basic material properties of five typical bulk coal-based solid wastes and raw material property requirements of their corresponding market applications, this paper summarizes and studies the technology path of solid waste qualitative classified resource utilization in large coal, power and coal chemical industry cluster base. The research shows that the basic material properties of coal-based solid waste depend on the operation conditions of coal mining and coal conversion, the recognition of basic material properties of coal-based solid waste and the quality control of raw materials corresponding to solid waste production by waste producing enterprises are the basis of quality classification, materialization and resource utilization of coal-based solid waste. The utilization rate of coal-based solid waste in Ningdong region can be increased from 42% to more than 80% after the demonstration project application and promotion of the four technologies including green mining filling, dense backfill reclamation, activated powder, high-value building materials and ecological restoration materials. The utilization path of coal-based solid waste in Ningdong region should be mainly based on underground green mining filling and coal mining subsidence area backfill with annual consumption of more than 10 million tons, supplemented by value-added utilization modes of activated powder and high-value building materials and ecological restoration materials of greater than 0.01 to 1 million tons annually. This method can replace the current solid waste disposal method mainly based on landfill.

Key words coal-based solid waste; qualitative classification; activated power; dense backfill; underground green mining filling

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引用格式:徐连兵,卓锦德,张凯. 大型煤电化基地固废分质分类资源化利用研究[J].中国煤炭,2022,48(7):131-136.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.020

XU Lianbing, JOW Jinder, ZHANG Kai. Study on qualitative classified resource utilization of solid wastes in large-scale coal, power and coal chemical industry cluster base [J]. China Coal, 2022,48(7):131-136.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.07.020

基金项目:国家重点研发计划“大型煤电化基地固废规模化利用成套技术及集成示范”(2019YFC1904300)

作者简介:徐连兵(1973-),男,山东日照人,高级工程师,主要从事热能动力、锅炉燃烧以及煤炭清洁高效利用等方面的研究。 E-mail: 12000033@chnenergy.com.cn

中图分类号 TQ536.4;X75

文献标志码 A

(责任编辑 王雅琴)