煤电基地燃煤固废的资源化.ppt

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1、,徐州意创化工科技有限公司,初论煤电基地燃煤固废的资源化,陈孟伯 陈舸,徐州市燃煤固废利用工程技术研究中心,摘要：煤电基地内集中了大量多品种燃煤固废物（如PC灰、CFB灰、CFB脱硫灰、脱硫石膏、亚硫酸钙等）。虽然、级PC灰及小部分脱硫石膏得到了使用，但基地中产出的巨量原状粉煤灰及脱硫石膏等则更需在基地内就地、就近、大用量、可持续、低成本的开发应用。同时，基地中有大量煤矿，其井上下有许多工程可大量吸纳使用这些燃煤固废。但实践证明，单一品种的任何一种固废其功能有限，难适应矿山工程的需要。因此，煤电基地燃煤固废资源化必须两种以上固废复配才能实现复配产物功能化，产业规模化，满足矿山工程的需求。,关键

2、词：煤电基地 矿山工程 固废复配就地、就近、大用量、可持续、低成本原则,徐州意创化工科技有限公司徐州市燃煤固废利用工程技术研究中心,一、前言,徐州市燃煤固废利用工程技术研究中心徐州意创化工科技有限公司,一、前言,燃煤固废：在各类大气污染物中，由石化燃料引起的污染，特别是燃煤造成的污染最严重，对其治理的任务最迫切。煤是一种低品位的能源，我国原煤中灰分、硫分含量较高，大部分煤的灰分在20%-28%之间；硫分含量变化在0.1%-10%之间。燃煤产生的污染主要是煤烟型污染，产生的烟气成分主要有二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫等硫氧化合物、氮氧化合物。,上述几种气体成分中，SO2及NOx是严重的污染物，是治理

3、的主要对象。另外，燃煤中粘土质矿物，也在不同炉温下产出许多细微的粉尘粒（各类粉煤灰），威胁大气和环境。另还有少量有害痕量元素（如汞等），其累计量大时会产生累计沉淀污染的危害。,概括起来，污染物有,燃煤固废资源化的两个阶段,从粉煤灰资源化的发展来看，经历了煤电基地形成前，电厂与矿山分离，电厂大部分在城市，此时对粉煤灰的利用集中在城市PC灰的资源化上，集中在建材制品（砖、块、板、粒、浆等）、水泥生产、砼应用、生产高附加值产品中。此阶段奠定了粉煤灰的理论和应用基础；消纳了不少PC灰，成熟了粉煤灰利用中若干粉体技术及设备，贡献是巨大的。但随着大型煤电基地的兴建，各类燃煤电厂大量地集中在基地，各类燃煤固

4、废不仅产量大，物化性能与PC灰差异很大的若干粉煤灰新品种出现了。同时，基地多远离大中城市，一些成熟的资源化产品遇到了市场、运距、二次污染的压力和要求，减少粉煤灰资源化过程中能耗的压力。因此，如何在基地将多品种原状粉煤灰用好，迫切需要解决。我们认为，解决此矛盾的原则应该是：就地、就近、大用量、可持续、低成本地用好电厂各类原状粉煤灰，使其功能化、产业规模化。这就是我国煤电基地粉煤灰资源化的第二个阶段。,这两个阶段的区别在于，前阶段主要研究的是需经过二次运输、二次加工（主要是PC灰）的资源化技术。煤电基地形成后，新阶段的特征是以直接利用电厂产出的多品种原状粉煤灰，尽量减少长距离（以水力管道输送难解决

5、的运距）二次运送及二次加工。实现,就地、就近、大用量、可持续、低成本的利用。这个阶段并不排斥前阶段已有粉煤灰利用的各项成果，而是追求应用粉煤灰品种更全、用量更大、成本更低、污染更小。是为了满足矿山工程对各种粉煤灰性能的要求。而许多功能必须是两种以上粉粒复合组成才能实现。,燃煤固废资源化是煤电基地推行循环经济 实现生态文明的主要技术支撑,粉煤灰的利用是循环经济三大技术支撑：减量化、再利用、资源化中的减量化和资源化（又称再利用）范畴。对煤电基地建设有重要的现实意义。循环经济又为燃煤固废资源化的发展创造了广大空间和指明了途径。粉煤灰粉体技术是由粉煤灰化学、粉体工程学、建材工程学、采矿工程学、无机材料

6、学及相应工艺技术等组成。我们体会，只有通过不断创新粉体技术，让基地粉煤灰实 现功能化、产业化，才能实现各类粉煤灰的资源化，真正做到“有粉能成材”。,充分利用粉煤灰等燃煤固废开发新型胶凝材料 节约、替代水泥不断减少水泥用量,水泥和砼己在世界经济中发挥了巨大的作用，在材料科学上有极其重要的地位。而且，在一段时间内仍会继续发挥着巨大的作用。煤电基地是水泥及砼的最大用户之一，每天每年都有巨量消耗。而且，由于矿山支护材料的变化及采矿方法和工艺的不断改进，支护材料中水泥及砼的需求量还会大量增加。但从科学发展观的角度来衡量，水泥工业由于在资源上、能耗上、对环境污染等方面存在很大的缺陷。生态文明建设，呼唤绿色

7、环保胶凝材料以减少水泥的生产和使用。另方面，煤电基地又是各种燃煤固废产量最大，品种最集中最齐全的地方，很适宜配制研发出各种新型胶凝材料。因此，一场以燃煤固废物为主要原料生产新型胶凝材料，逐步替代和减少水泥用量的技术必将在煤电基地广泛而迅速地推广。,二、我国煤电基地燃煤固废资源化的特点及主要工程项目,按照1998年1月12日国务院国函19985号文第四条的规定：“除以热定电的热电厂外，禁止在大中城市城区及近郊区新建燃煤火电厂”。自此，我国大批燃煤电厂皆新建在我国20个大中型煤电基地内。其中既有特大型煤粉炉电厂（PC锅炉），又有容量规格不等的中小型低热值燃煤电厂（CFB锅炉）。这些锅炉的燃烧工艺差

8、别较大，产出的粉煤灰品种多，物性差别也很大。这些基地成了我国粉煤灰产出量最大、污染最严重的重灾区，但同时也是燃煤固废资源化最好的用武之地。,基地中的众多矿山，是多工序、多环节、涉及地面、井下的立体生产企业。井工开采的矿井，地下被采空，地面会塌陷。随着采深不断加大，我国煤矿中将有70%的矿井受煤自燃发火威胁；井下支护、充填等需要大量的充填及支护材料。而这些项目仍大量使用黄土、水泥、砂子等自然资源，不仅成本高，而且破坏生态环境，加剧污染。另方面，煤炭基地中又有大量燃煤固废，在基地中堆积。事实上矿井中有大量可消纳燃煤固废的工程项目。实践证明，除作建材及支护材料对粉煤灰质量要求较高外，许多工程对灰质量

9、的要求不如使用在水泥、砼中那样严格，可直接使用原状灰（包括湿排及干排的皆可），而不必磨细、烘干等，可以较好地形成燃煤固废替代部分自然资源的良性循环。这是煤电基地使用粉煤灰的一个重大特点，也是我们在基地中制定燃煤固废资源化技术的一个依据。,煤矿井下防治煤自燃及防治水患等的安全工程,我国将有70%的煤矿井煤自燃。长期以来，国内多以黄泥浆为主体进行煤自燃防治。粉煤灰由于其化学成分与黄土类似。可以作为无机防灭火材料及防治水患的原材料。但灰中含炭若高于8%以上，必须进行炭自燃及炭被点燃的处理。另方面，由于粉煤灰密度小，颗粒间空隙大，遇水后又无自行粘稠成膜的能力，故要添加外加剂，让浆体能高吸水，高饱水、分

10、子间形成结构，才会有较好地防灭火效果及防治水患的功能。CFB脱硫灰具有脱硫相（CaO+CaSO4）及少量熟料成分，遇水具有水硬性，这对应用其防灭火是可行的。我国早在上世纪90年代，就有以石膏为原料进行防灭火的实践，证明脱硫石膏用于防灭火也是可行的。,使用方法：要建设一个防灭火及防治水患的注浆系统（参见实例1）。一个年产300万吨的煤矿，防灭火年耗原状粉煤灰约6万吨以上。一年可少挖6-8亩地，节约黄土7-8万吨。需要有注浆泵、回水泵，大量的管材，配件及必要的计量手段。,井下喷射砼及沿空送巷、留巷工程,为减少煤岩层压裂后被空气氧化及加固支护，需要在煤岩壁上喷射砼。为了减少巷道的掘进量、缓解采掘接续

11、矛盾，煤矿山正在推广使用沿空送巷、留巷工程，需要大量的新型胶凝支护材料。当燃煤固废作为井下支护材料使用时，要保持化学成分中SiO2、Al2O3的含量。若其含炭量高于8%时，灰中炭粒会抑制灰的硬化，减少密度，增大含水量，并直接影响砼的强度。当灰中CaO及SO3量适中时，会有利于灰及砼的水化和尽快生成钙矾石及水化C-S-H等早强水化物。因此，磨细的CFB脱硫灰适量掺入砼中可行。但要防止其中f-CaO及SO3的后期膨胀性的影响。当其与PC灰掺用作为粉煤灰砂浆时，效果较好。当灰作为支护材料时，必须考虑其承载力与弹性模量E0，粉煤灰承载力在200kpa以上，E0达30Ma以上，软化系数为40%。,使用方

12、法：,是在水泥砼中掺入10-20%的粉煤灰；或高掺复配粉煤灰形成新型砼支护材料。一个工程就可年耗粉煤灰等约2万吨以上（有的可达3-4万吨）。此类工程既需要各类机具、设备、模板、管路，也需要各种外加剂（砼的、粉煤灰的、及新型复配材料的）。粉煤灰替代水泥、砂子，可节约资源，减少污染，而且可改善砼的功能，使其更适应井下支护的要求。此项目对基础研究、外加剂、对设备之间的配套及配合要求也较高,煤电基地地面塌陷地及空场要填充后再上盖建筑物。另有拦河坝、除灰坝工程，井下有分层开采、沿空护巷、大型隔离墙及采空区充填等。需以燃煤固废作为填充料。因此，击实性能对工程有重要意义。对边坡的稳定、强度和施工的难易影响很

13、大。其抗剪强度决定了边坡与地基的稳定性，决定了挡土墙所必须支载的荷载。抗剪强度与材料的内聚力（c）及内摩擦力（）有关。同土壤相比，粉煤灰的值高出30-50%，而c值约小30-50%。但应指出，不同粉煤灰c、值差别很大，在应用时须先试验确定。回填工程中，因密度不可能达到最大值，还要考虑雨季，渗水时的毛细水作用等不利因素。另外，填充料其承载力、弹性模量、压缩系数、水硬性、水稳定性、抗液化性等指标需要提前实测。,“三下”开采及地面塌陷减沉充填,当煤层处于河流、湖泊下，铁路及重要公路下，城镇及村庄下开采时，为了减少地表下沉危及地面上述地物的安全及为了减少对农田的破坏，要求煤矿开采时采取塌陷减沉措施，需

14、要大量燃煤固废填料。实施时，需要对煤矿地层柱状有细致的研究，从中找出关键岩层位置、厚度、力学性质等，准确定位钻孔位置。并了解岩层运动规律。要有完整的制浆、注浆系统、设备、计量器具、大量管材、输送泵类、钻机、钻具。要有精确计算与测量配合、要新建注浆站等，对技术要求较高，需要多项目配套实施。,塌陷地复垦,井工开采时地表将塌陷成千疮百孔，塌陷深度变化在煤层开采厚度的30-70%之间。这么大的塌陷深度在回填复垦时不仅有个材料来源，复垦成本问题，还会因塌陷处于地表潜水位以下，与地表浅水流域相通。因此，复垦时回填的各类燃煤固废必须进行放射性、重金属、痕量元素等的检测和处理，确保对周围环境及小流域内的水源、

15、空气、环境不造成新的危害与污染。复垦中重要的工程内容是粉体材料的搬运（主要是水力输送及自卸汽车运送等）。当回填材料使用煤矸石时，还要有防止煤矸石自燃的研究与措施。,农、林、草种植,煤电基地塌陷地复垦面积大，在其上的农、林种植，不能从外地搬运黄土、熟土来进行。将固废进行复配，添加外加剂，制造“人造土壤”是可行的。我公司自2002年以来就先后在三个煤矿塌陷地、矸石山等地处，进行了小范围的农、林、草种植，尝试成功。这项工程是改善基地环境和人民生活条件，改善工农关系、建立和谐矿区的重要举措。,关于建材（砖、块、板、粒、砂浆）生产问题,在基地利用粉煤灰生产各种建材，因靠电厂近，有电有余热可用，场地问题容

16、易解决，生产成本较低，具一定优势。据调查，生产建材，目前不是技术、设备问题，主要是市场问题。是以厂为圆心，销售半径内销售市场的容量及可持续需求的时间问题，确定时应谨慎为好。在建材项目上，以建粉煤灰砂浆厂陶粒生产厂加气砼生产厂蒸养固废砖厂的顺序为好。而且一个煤电基地建议建1-2个厂足够，实施产品就地供应的方案。,生产高附加值产品的问题,有些粉煤灰中含有沉珠、磁珠、漂珠、碳精粉、高铝、高铁、贵重金属等高附加值组分。当这些组分品位的含量达到可提取的经济价值后才可考虑。上项目是可遇不可求的。粉煤灰在污水处理和烟气脱硫中的应用报道不少，但其吸附性能比起沸石、麦饭石等较差，至今并未见大规模应用。粉煤灰在高

17、分子制品中的应用附加值较高，具有成为聚合物填料的潜质，但也存在一些缺点（如颜色、表面性能等方面），影响了粉煤灰在高分子制品中的应用。,三、粉煤灰资源化粉体技术中的几个问题,几种工程性能差别较大的燃煤固废,客观存在着四种不同性质的粉煤灰 粉煤灰因锅炉燃煤工艺特别是炉温等的不同，产出了煤灰炉灰（PC灰）及循环流化床灰（CFB灰）两大类。当PC炉和CFB炉脱硫后，则其差别更大。PC炉脱硫产出的是脱硫石膏或亚硫酸钙。而CFB炉脱硫是石灰石在炉内燃烧（当然，采用LIFAC干法脱硫工艺、SDA半干法脱硫工艺则另当别论），产出的灰中增加了一个脱硫相。其许多性质与原CFB灰不同，与PC灰在物化性质、工程特性等

18、方面差别更大。由含钙量高的褐煤烧出的粉煤灰，由于灰中f-CaO含量较高等原因，其使用暂时也受限制。,当前，要注意不同粉煤灰售价上的悬殊，有人将 CFB脱硫灰 磨细后顶替PC灰销往市场的倾向。粉煤灰的销售、使用必须验明正身，必须有科学的管理办法。,粉煤灰的飞灰与底渣,燃煤电厂排出的飞灰和底渣统称粉煤灰。灰与渣在化学成分上区别不大，只有量的差别，但其物理性质及可利用的方便程度差别较大。粉煤灰中飞灰与底渣各占的比例是由锅炉炉型、炉温、炉的燃烧情况及燃料品种所决定的。对PC灰渣，渣的质量不及飞灰。流化床灰和脱硫灰，其飞灰与底渣的质量正相反。,表1 七家燃煤流化床脱硫灰和渣(国内),CFB脱硫灰的底渣和

19、飞灰由于在流化床内时间、位置不同，因而特性也不同。正常排出的CFB脱硫渣无结焦，呈白色或浅灰色颗粒状，最大粒径约1020mm，不含玻璃体，烧失量低，多数情况下SO3和CaO含量也较低。因此，脱硫渣的利用面比脱硫飞灰广、效果好，应用的难度也小，这个特点正与PC灰相反。渣的利用往往要磨细。当电厂灰与渣一起湿排时，则较难区分，会增加简易筛分的工序。,脱硫石膏与亚硫酸钙,脱硫石膏是来自排烟脱硫锅炉，颗粒细小、品位高的湿态二水硫酸钙晶体。煤电基地中，大型煤粉炉电厂是脱硫石膏的主要来源。有些中型燃煤电厂采用干式脱硫，产出了亚硫酸钙（CaSO41/2H2O）。它在资源化过程中尚有许多难题要解决。,原状灰及湿

20、排灰的使用,原状灰系指电厂排出未经二次加工的粉煤灰，有干排灰及湿排灰两种。经过多年努力，即使是湿排的原状灰也可大量使用到生产陶粒、加气砼、粉煤灰砌块、空心块及粉煤灰砖（烧制或蒸压）、生产砌筑水泥等方面，对长期堆积的劣质湿排灰已找到了上高附加值综合利用的途径。但遗憾的是，目前国内仍有湿排原状灰堆存。我公司多年来，一直致力于在煤矿井下大量使用湿排原状粉煤灰作为防灭火材料及喷射砼和井下支护使用。在其资源化过程中，要针对不同粒级和化学成分的原状灰添加不同外加剂才能顺利地搅拌、输送，符合防灭火等工程的需要。有的矿以湿灰掺入水泥中（小于30%）作充填溶洞或较大的含水裂隙之用。,湿排原状粉煤灰掺入水泥砼中，

21、往往因为玻璃体活性低、反应慢、含水量大且不均匀，直接拌和砼时质量无法控制，造成砼需水量比加大，抗压强度减小之弊病，故往往还要采取干燥、筛分、粉磨、添加外加剂等措施。而矿山有些工程，如井下防灭火、地面减沉充填、采空区充填、壁后充填、隔离充填等等，则完全可大量持续地使用湿排原状灰，此时粉煤灰浆体中添加的激活剂有水泥、石灰、石膏、水玻璃等无机料，也有高分子有机材料。我公司通过多年的摸索，自主开发了PCAS-1、PCAS-2等外加剂，已在我国推广应用到80多个矿山，使用效果良好。如某矿一年仅原状CFB脱硫灰就消耗6-8万吨，替代了大量黄土及水泥、砂子等。,粉煤灰的性质与粉体技术的关系,粉煤灰掺合在水泥

22、中使用时，有不同掺合量，主要影响因素有：对于CFB脱硫灰及高钙灰，不仅要预先磨细，而且因灰中CaO、SO3的含量较高（如高钙灰、CaO的含量有的高达30%以上）。其工程特性发生重大变化，如产生水硬性及后期膨胀性等等，在掺入砼的量要十分慎重。然而这种原状灰却可用在矿山的一些工程中。灰中的碳，要经过1000以上才能燃尽。其化学性质稳定，不参加水化反应，吸水后表面形成憎水膜，影响水分子渗透和灰的水化反应，还影响灰的工程性能（如压实性等），所以灰中含碳量高于5-8%，影响建材生产及砼工程。,灰的细度。不同用途如建材、水工、公路、砼工程等已有标准，有明确要求。必要时要进行磨细达标。粉煤灰颗粒群特征（指灰

23、的粒径及其分布、颗粒形态、比表面积等）严重影响粉煤灰的需水量比、强度比等指标，还影响其本身浆体和掺灰后水泥砼浆体的一系列流变性能、浆体的屈服应力、塑性粘度和触变性的大小。这些参数对具体的粉体技术影响很大。而基地一些工程对灰细度要求不严，可以大量使用原状灰，使用时细灰代水泥、粗灰代砂子。,粉煤灰在砼中具有“粉煤灰效应”，这是其形态效应、密实效应、活性效应、界面效应、微集料效应之和。粉煤灰的形态效应主要影响新拌砼的和易性和流变性能；微集料效应则可影响砼后期的密实性和耐久性能。粉煤灰活性较慢，可通过添加激活剂等措施获得，还有利于提高砼的强度；粉煤灰掺合到水泥砼中不仅是节约水泥，降低成本，其在水泥砼中

24、的积极作用，更有利于砼的综合性能。掺合量的多少要视工程要求、粉煤灰的品质等综合考虑。在资源化中以粉煤灰本身为主体，采用多种固废复配是一条重要途径，这是固废资源化的创新。,关于固废浆体及固废砼浆体的水力输送问题,当电厂向贮灰场水力排灰或是电厂到矿山段灰浆水力输送及矿山从地面向井下长距离水力输浆，有的运距长达30公里甚至更多，高差上百米或更多。产生了输浆管磨损、结垢甚至堵管等问题。为了节水和减少灰水排放的污染，水力输送已向高浓度输送方向发展。设备向高浓度、高扬程、大容量方面发展，一些专门输送新型浆体（如高粘度等）的新泵正在研制中。为了解决节水、除垢、堵管，使输送畅通和流量正常。要解决浆（粉）体运送

25、系统中关于水力输灰系统（稀浆、浓浆输灰系统）、节水技术、粉煤灰浆体特性（颗粒特性、浆体的化学稳定性、流变特性、沉降特性、浆体稳定性）、水力输灰阻力、输灰临界流速等系列理论与技术问题。,管道的结垢、堵管之事，表面看很简单，实际影响因素十分复杂；煤种、灰的特性（是否脱硫、颗粒粗细、灰的化学成分）、冲灰水水质、输送系统的运行工况、管材（直径、变径及管壁材质）、管道布局（特别是管道起伏、拐弯次数及输送倍线等）等都会影响管道内的结垢甚至堵塞。从动力学过程看，水力输灰管道结垢的形成，实质上是粉煤灰中CaCO3等向管壁转移、沉淀的过程。当水冲灰浆时，灰中f-CaO析出，管中灰水PH值升高，Ca2离子浓度加大

26、，加之水中就有一定碳酸根离子（CO32-），极易形成CaCO3饱和溶液，过饱和结晶核及无定形物质，最后以CaCO3结晶体的形式附着在管壁上，形成坚硬灰垢的堆积，堵塞管径，乃至堵管事故。,矿山工程的需要，是改进燃煤固废资源化技术的源泉和动力。任何单一品种的燃煤固废因其物化本质的限制，皆不能承担起许多矿山工程对综合功能的要求。只有将多种固废及外加剂综合复配起来，才能满足和实现矿山工程对材料功能的特殊要求。而燃煤固废也只有走功能化、规模产业化之路才能真正实现就地、就近、大用量、可持续、低成本的要求。,四、实例,以原状CFB灰及原状CFB脱硫灰全灰或几种灰复配，在添加PCAS-1、PCAS-2等系列外

27、加剂后，形成防治井下煤自燃新型固废浆材，经过全国80个煤矿多年的应用实践，防灭火效果良好、成本大幅下降，替代了数以千万吨计的黄土（少挖农田上千亩）。每年已消纳坑口电厂350万吨粉煤灰。,本文有三个核心思想一、煤电基地有自己的固有特点，在其燃煤固废资源化的过程中，一定要走一条适合自己特点的资源化道路。二、煤电基地中的煤矿，是一个可以大量可持续利用燃煤固废的地方，一定要下决心挖掘煤矿山使用燃煤固废的新项目，煤电基地燃煤固废的资源化才有更广阔的出路。煤矿山充分利用燃煤固废是其推行循环经济的重要内容，一定会收到好的社会效应环境效应和经济效应。三、虽然燃煤固废的资源化是煤电基地重要的节能减排措施，但是在其资源化的过程中，仍有大量可以节能减排的工作要做。,以上观点与各位代表讨论。,PPT图案元素均选自百度图片网,谢谢观看,谢 谢 观 看,谢 谢 观 看,陈,