“十二五”山西省煤矸石及粉煤灰綜合利用探討

鄭中南

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院)

·試驗(yàn)研究·

“十二五”山西省煤矸石及粉煤灰綜合利用探討

鄭中南

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院)

介紹了山西省煤矸石和粉煤灰資源量情況，并針對(duì)性的提出了綜合利用方案。如煤矸石可以用作循環(huán)流化床鍋爐燃料、煤矸石制磚等；粉煤灰可以作為路基填料、制作水泥、高性能混凝土、生產(chǎn)墻體材料、提取硅鋁合金、加氣混凝土、燒結(jié)陶粒和制作纖維紙漿等用途。對(duì)“十二五”做好上述資源綜合利用工作，提出了建議。

煤矸石；粉煤灰；綜合利用；探討

1 煤矸石和粉煤灰資源量

我國(guó)粉煤灰堆放量15億 t以上，儲(chǔ)灰場(chǎng)占用土地4萬(wàn)hm2。山西省火電裝機(jī)容量已近4 000萬(wàn)kW，年排放粉煤灰約2 000萬(wàn) t，需堆放幾百公頃土地。

2 煤矸石綜合利用途徑分析

過(guò)去較多采用煤矸石分層堆放，復(fù)土綠化處理，但煤矸石的污染本質(zhì)未變，近年來(lái)美國(guó)又將深埋的煤矸石挖出重新處理。

針對(duì)山西省目前情況，煤矸石較好的利用途徑有如下幾種：

2.1循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電及供應(yīng)熱能(蒸汽)

近20年來(lái)，循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展迅速，將洗煤的副產(chǎn)品煤矸石、煤泥、洗中煤作為燃料，產(chǎn)生中溫中壓或高溫高壓蒸汽，發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)，已廣泛使用，循環(huán)流化床鍋爐及配套發(fā)電機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)流化床鍋爐及配套發(fā)電機(jī)組參數(shù)

在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中，可以加入<1 mm的石灰石顆粒爐內(nèi)脫硫，脫硫效率可達(dá)到85%，不但有利于環(huán)保，而且燃燒后的粉煤灰中含石膏(CaSO4)，可以用作優(yōu)質(zhì)的建材原料。

此因素對(duì)工程質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在兩方面，即材料質(zhì)量和設(shè)備質(zhì)量。材料是建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)保證，若其未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)就被使用在施工中，會(huì)大大縮短建筑壽命。很多施工單位為牟取巨大的利潤(rùn)，在材料購(gòu)買上通常只要求價(jià)格低廉，并未將其質(zhì)量和實(shí)際施工聯(lián)系到一起，有的建筑完工后不久，就會(huì)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響住戶的人身安全。機(jī)械設(shè)備是現(xiàn)代建筑施工的必備品，針對(duì)施工需求，近年來(lái)我國(guó)對(duì)機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化力度很大，施工水平也在穩(wěn)步提升當(dāng)中[2]。但在機(jī)械的自動(dòng)化研究方面還存在很多不足，若能進(jìn)一步提升建筑機(jī)械的自動(dòng)化水平，施工效率和質(zhì)量會(huì)有很大提升。

2.2煤矸石制磚

大量土地挖土燒制黏土磚，還要占用大量土地堆放煤矸石。煤矸石燒結(jié)磚既解決了上述矛盾，又利用了煤矸石本身的熱量，是節(jié)能減排的好項(xiàng)目，在山西省已逐步推廣應(yīng)用，代替黏土磚，其生產(chǎn)工藝過(guò)程為：

1) 原料制備：煤矸石發(fā)熱量在1.774 72～2.09 34 MJ時(shí)為最佳。而我國(guó)大部分煤矸石平均熱值為3.768 12～3.977 46 MJ/kg,需加入35%～40%黏土、頁(yè)巖(粉煤灰)，以降低熱值。原料破碎、混碾攪拌均勻后堆放陳化。

2) 雙級(jí)真空擠磚機(jī)成型擠出：成型壓力大于2.0 MPa。

3) 干燥后,用隧道窯焙燒。

實(shí)心煤矸石磚有以下優(yōu)點(diǎn)：

a) 高強(qiáng)度：強(qiáng)度在30 MPa以上，可作為承重材料或基礎(chǔ)材料。b) 裝飾性：可作為外墻承重和裝飾作用，也可用于賓館、飯店及別墅藝術(shù)墻用。c) 用作道路廣場(chǎng)用磚，發(fā)揮其高強(qiáng)度和裝飾性的優(yōu)點(diǎn)。煤矸石多孔磚密度為600～900 kg/m3，可減輕建筑自重。用作承重多孔磚時(shí)，孔洞率為25%～30%，強(qiáng)度10～15 MPa以上；用作非承重多孔磚孔洞率可達(dá)45%～50%。多孔磚隔熱保溫及隔音效果好，符合建筑節(jié)能要求。

一條年產(chǎn)6 000萬(wàn)塊煤矸石磚(折標(biāo)磚)可消耗煤矸石193 410 t/a，占地面積20 000 m2，投資1 500萬(wàn)元，職工人數(shù)60人。

3 粉煤灰資源綜合利用途徑分析

粉煤灰綜合利用，化害為利、變廢為寶、保護(hù)環(huán)境，是我國(guó)一項(xiàng)長(zhǎng)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。粉煤灰資源綜合利用主要途徑有：

1) 粉煤灰填筑公路路基、代替土石料作填料，已使用多年。

2) 粉煤灰生產(chǎn)水泥。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，強(qiáng)度可達(dá)32.5級(jí)(原425級(jí))，而且大大降低粉磨電耗。

3) 超細(xì)粉煤灰高性能混凝土。將殘余含碳量低的粉煤灰磨成400目以下的超細(xì)粉煤灰，加到混凝土中可生產(chǎn)高性能混凝土，特別是提高混凝土的早期強(qiáng)度。山西省汾河二庫(kù)建壩時(shí)已應(yīng)用，三峽大壩澆灌混凝土?xí)r以50元/ t的高價(jià)(當(dāng)時(shí)煤價(jià)才100元左右)購(gòu)買神頭二電廠50萬(wàn) t發(fā)電機(jī)組的粉煤灰運(yùn)到工地使用。

4) 生產(chǎn)墻體材料。粉煤灰蒸壓磚、粉煤灰小型砌塊、粉煤灰粉色路面磚、粉煤灰板材及外墻裝飾板等均已在各熱電廠及粉煤灰加工廠大量生產(chǎn)，實(shí)際使用效果很好。

5) 粉煤灰提取硅鋁合金。鋁硅合金質(zhì)輕而堅(jiān)韌，鑄造性能好，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，耐腐蝕性強(qiáng)，合金熔點(diǎn)低，適用于鑄造形狀復(fù)雜、要求高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、高氣密性的鋁合金鑄件和壓鑄公差小、表面質(zhì)量高的鋁合金鑄件，一般用于汽車、拖拉機(jī)、船舶、飛機(jī)、火箭及內(nèi)燃機(jī)車零件以及醫(yī)療器械、儀器零件、日用品、裝飾用品、電子工業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)或領(lǐng)域，鋁硅合金在高溫時(shí)還原性強(qiáng)，如果在冶煉時(shí)使用鋁硅合金作為脫氧劑，可以減少鋼產(chǎn)生皮下氣泡的敏感度，從而提高鋼的質(zhì)量，作為發(fā)熱劑可用于冶煉高熔點(diǎn)金屬，如：鉻、錳、鉬、釩等。目前，我國(guó)有兩種生產(chǎn)鋁硅合金的方法：第一種方法是用純鋁、純硅熔煉后摻兌成硅鋁合金；第二種方法是用高品位的鋁土礦在礦熱爐中煉成鋁硅合金。但其售價(jià)均略高于電解鋁(16 000元/t)。

粉煤灰中含有大量SiO2、Al2O3等化合物，如山西省某電廠粉煤灰中硅鋁含量為61.13% Si ，21.16 % Al ，很適于生產(chǎn)FeAl 17 Si 40牌號(hào)的硅鋁合金。

將粉煤灰與添加劑、還原劑、黏結(jié)劑按比例進(jìn)行混合攪拌后制成高強(qiáng)度的球團(tuán)，通過(guò)礦熱爐進(jìn)行冶煉還原，制得粗鋁硅合金，再經(jīng)精煉爐，添加精煉劑、精煉除渣、鑄錠，就可制得含鋁量很高的鋁硅合金。

每1萬(wàn)噸硅鋁合金約使用6萬(wàn) t成分合適的粉煤灰，生產(chǎn)成本約6 600元/ t。全世界年需用硅鋁合金數(shù)百萬(wàn)噸，我國(guó)年需50萬(wàn) t，因此，用粉煤灰提取硅鋁合金將有很大的發(fā)展前途。

6) 粉煤灰蒸壓加氣混凝土。加氣混凝土是廣泛使用的輕型墻體材料(體積密度為600 kg/m3)。以粉煤灰為主要原料(66%～72%)，并配合石灰(15%～20%)，石膏(2%～5%)，水泥(7%～10%)，鋁粉(360 g/m3)。原材料經(jīng)破碎、制漿、攪拌混合后，澆注入模具(4.2 m×1.2 m×0.6 m)，送入靜停室(溫度40～45℃)，靜停1.5～2 h，使坯體內(nèi)水化反應(yīng)充分，恰當(dāng)發(fā)泡，穩(wěn)定硬化，脫模后按要求規(guī)格用縱橫鋼絲進(jìn)行切割，再送入直徑為2.68 m，長(zhǎng)30 m的蒸壓釜內(nèi)進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)(抽真空0.5 h，升壓1.5 h，1 MPa 195℃蒸汽恒壓養(yǎng)護(hù)7 h)，再降壓出釜。作為高層建筑輕型墻體已廣泛應(yīng)用。

7) 粉煤灰燒結(jié)陶粒。高強(qiáng)度粉煤灰陶粒以粉煤灰為主要原材料及5%添加劑成球后，于1 200℃高溫焙燒，經(jīng)成球和燒結(jié)工藝將粉煤灰細(xì)小顆?；旌衔镛D(zhuǎn)變成具有高強(qiáng)輕質(zhì)、粒型合理、吸水率低、質(zhì)量穩(wěn)定、保溫性能和泵送性能優(yōu)異的圓球狀輕質(zhì)、高強(qiáng)顆粒，是配置輕骨料混凝土的關(guān)鍵組成材料。顆粒粒徑5～20 mm級(jí)配連續(xù)，屬結(jié)構(gòu)型高強(qiáng)輕骨料范疇。用其配置陶?；炷量梢陨a(chǎn)混凝土多孔磚和小型混凝土空心砌塊、空心樓板和大型屋面板等；能用做現(xiàn)澆高層建筑的梁、板、柱及框架等；還可以用做熱帶地區(qū)的屋頂隔熱層材料、城市的道路的聲屏障、音響建筑的吸音板、道路工程的抗滑路面、用作水的過(guò)濾劑，花卉的保濕載體和蔬菜的無(wú)土栽培等。高強(qiáng)粉煤灰陶粒輕骨混凝土和普通混凝土砌塊相比，在保持強(qiáng)度等重要指標(biāo)前提下，自重減輕30%，導(dǎo)熱系數(shù)降低50%，收縮及溫度變形系數(shù)降低40%～60%，特別適用中高層工業(yè)及民用建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)混凝土。

一般單條粉煤灰陶粒生產(chǎn)線年產(chǎn)粉煤灰陶粒10萬(wàn)m3，投資638萬(wàn)元，成本28元/ m3。目前，陶粒銷售價(jià)160元/ m3，年銷售收入約1 600萬(wàn)元。

國(guó)家優(yōu)惠政策規(guī)定：企業(yè)利用本企業(yè)外的大宗粉煤灰作為主要原料，生產(chǎn)建材產(chǎn)品的所得，免征所得稅5年，減免增值稅和產(chǎn)品稅。對(duì)以上所述有關(guān)產(chǎn)品均適用。

8) 粉煤灰纖維紙漿。粉煤灰(85%)、石膏(5%)和石灰(10%)混合后壓制成塊狀，于沖天爐中熔化，經(jīng)高速四輥離心機(jī)制成纖維，再經(jīng)過(guò)分散、除渣、濃縮、抄漿等處理，最后成為符合造紙要求的無(wú)機(jī)纖維紙漿，可以配入木漿造紙，節(jié)約木漿20%左右。該技術(shù)是華東理工大學(xué)及廈門榕興紙業(yè)公司的專利技術(shù)，已有一條年產(chǎn)30 000 t的生產(chǎn)線投入生產(chǎn)，正在擴(kuò)建中。山西省文水縣晉榕礦物纖維有限公司已引進(jìn)專利技術(shù)工藝，正在興建一條30 000 t/年生產(chǎn)線，最終規(guī)模將達(dá)到4×30 000 t。

我國(guó)2007年紙和紙板消費(fèi)量7 290萬(wàn) t，進(jìn)口木漿845萬(wàn) t，每噸進(jìn)口價(jià)格660～720美元，因此，粉煤灰纖維紙漿的研制成功并批量生產(chǎn)將具有很大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

煤矸石及煤灰綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D見圖1。

圖1 煤矸石及煤灰綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

4 建 議

1) 加快煤矸石和粉煤灰資源綜合利用項(xiàng)目的核準(zhǔn)工作。發(fā)展煤矸石和粉煤灰資源綜合利用、延伸煤炭產(chǎn)業(yè)鏈，是煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)煤炭資源綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的必然選擇。為此，建議相關(guān)部門積極爭(zhēng)取國(guó)家有關(guān)上述項(xiàng)目核準(zhǔn)上的支持。并在土地申購(gòu)、資金籌措、引進(jìn)外資、水資源供應(yīng)、電力上網(wǎng)等方面給予政策支持。

2) 加強(qiáng)煤矸石和粉煤灰資源綜合利用項(xiàng)目的資金支持。發(fā)展煤矸石和粉煤灰資源綜合利用項(xiàng)目需要大量的資金，而煤炭企業(yè)增值稅稅賦過(guò)重，稅費(fèi)繁多，特別是山西省在增收可持續(xù)發(fā)展基金后，煤礦的噸煤生產(chǎn)成本大幅度增加，當(dāng)煤炭市場(chǎng)需求萎縮時(shí)，一些煤質(zhì)差的煤礦生產(chǎn)成本已高于銷售價(jià)格，致使許多煤炭企業(yè)資金嚴(yán)重短缺，影響了煤矸石和粉煤灰利用項(xiàng)目的發(fā)展。為此，建議積極爭(zhēng)取國(guó)家對(duì)煤炭企業(yè)實(shí)行有區(qū)別的部分稅費(fèi)減免，對(duì)一些重大項(xiàng)目(如大型煤矸石坑口電廠、粉煤灰提取硅鋁合金、燒制陶粒等)給予國(guó)債投資或資金補(bǔ)助以及稅收、信貸等方面的支持。建議從升級(jí)煤炭可持續(xù)發(fā)展基金中拿出部分專項(xiàng)資金，發(fā)揮政府投資的導(dǎo)向作用，用于補(bǔ)助上述煤炭循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目。

3) 制定煤矸石和粉煤灰資源綜合利用優(yōu)惠政策。國(guó)家應(yīng)出臺(tái)更多煤矸石電廠的優(yōu)惠政策，切實(shí)提高煤矸石電廠的經(jīng)濟(jì)效益，如對(duì)使用煤矸石進(jìn)行成本補(bǔ)貼、降低中水價(jià)格等。積極爭(zhēng)取國(guó)家制定有關(guān)政策，加快黏土磚退出市場(chǎng)的步伐，鼓勵(lì)使用以煤灰、爐渣和煤矸石為原料的新型建材等。

ComprehensiveUtilizationofCoal-refuseandFly-ashinShanxiProvinceDuring"12thFive-yearPlan"

ZhengZhong-nan

Introduces the resource of coal-refuse and fly-ash in Shanxi province, proposes the targeted program about utilization path of coal-refuse and fly-ash. Such as coal-refuse can be used as fuel of CFB, coal-refuse brick, etc.,fly-ash can be used as roadbed fill, production of cement, high performance concrete, wall materials, extraction of Silicon aluminum alloy, aerated concrete, sintered ceramic grain and the production of fiber pulp. The text made some comments and suggestions to do the work of the comprehensive utilization of resources well during "12th Five-year Plan".

Coal-refuse；Fly-ash；Comprehensive utilization；Investigate

鄭中南 男 1984年出生 2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)學(xué)院 助理工程師 太原 030001

TD849

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1672-0652(2010)08-0046-04

2010-07-14