大型煤電化基地固廢分質(zhì)分類資源化利用研究

徐連兵，卓錦德，張 凱

(1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011；2.北京低碳清潔能源研究院，北京市昌平區(qū)，102209)

0 引言

煤炭是我國的主要能源和重要的化工原料，煤炭開采產(chǎn)生的煤矸石、燃煤發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰、爐底渣、脫硫石膏以及煤化工產(chǎn)生的氣化渣，形成了5種典型的大宗煤基固廢[1-5]。目前，我國西部煤炭儲(chǔ)量、開采量和使用量巨大，煤電和煤化工產(chǎn)業(yè)高度集中，隨著煤炭開采、燃煤發(fā)電和煤化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，西部產(chǎn)煤區(qū)在支持和促進(jìn)中東部地區(qū)與全國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也給本地區(qū)留下數(shù)量巨大的煤基固廢，存在大量占用土地、嚴(yán)重污染環(huán)境等問題[6-7]，同時(shí)也成為制約西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不利因素。

目前，西部地區(qū)煤基固廢仍以堆存和填埋處置為主，綜合利用率較低。關(guān)于煤基固廢的利用主要集中在單一固廢材料的應(yīng)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]主要用于燃燒發(fā)電等，氣化渣[2, 14]尚無產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的利用。目前針對(duì)氣化渣、煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、爐底渣基本材料性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)而發(fā)揮其協(xié)同利用效果的研究較少，究其原因，主要是缺乏多源煤基固廢材料分質(zhì)分類資源化利用的系統(tǒng)研究。東部及沿海地區(qū)已經(jīng)積累的煤基固廢利用方式，不能完全適用于煤基固廢產(chǎn)量大、產(chǎn)速快、堆積量遠(yuǎn)高于消耗量的西部地區(qū)。因此針對(duì)西部大型煤電化基地千萬噸級(jí)固廢產(chǎn)量，尚未形成可借鑒的、成熟的規(guī)?；寐窂絒15]。

筆者及研究團(tuán)隊(duì)以國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大型煤電化基地固廢規(guī)?；贸商准夹g(shù)及集成示范”專項(xiàng)研究成果為基礎(chǔ)，并結(jié)合現(xiàn)有煤基固廢利用成果，針對(duì)寧東能源基地產(chǎn)生的5種煤基固廢量較大以及利用率低的問題，分析研究了煤基固廢基本材料性能與分質(zhì)分類資源化利用途徑；開發(fā)了多源煤基固廢充填及回填材料技術(shù)，用于年消納量千萬噸級(jí)別的煤礦井下綠色充填及采煤沉陷區(qū)回填；開發(fā)了多源煤基固廢活性粉體及土壤調(diào)節(jié)劑，用于萬噸-百萬噸級(jí)別的建材及生態(tài)治理。研究成果可為我國西部地區(qū)大型煤電化基地固廢資源化利用提供綜合性解決方案。

1 研究區(qū)固廢種類及利用現(xiàn)狀

寧東能源基地位于寧夏回族自治區(qū)中東部，轄區(qū)范圍涉及靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡區(qū)等4個(gè)市縣(區(qū))，南北長127 km，東西寬16～41 km，面積3 484 km2，占寧夏總面積的5.2%，其中核心區(qū)面積800 km2。該地區(qū)煤炭資源豐富，已探明儲(chǔ)量273億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量1 394.3億t，被列為國家14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地、9個(gè)千萬千瓦級(jí)大型煤電基地和4處現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)之一，是最具代表性的煤炭、電力、煤化工產(chǎn)業(yè)集群基地，也是我國最大煤氣化生產(chǎn)煤制油和煤制烯烴生產(chǎn)基地。同時(shí)，由于寧東能源基地處于毛烏素沙漠腹地，降水稀少、生態(tài)環(huán)境極其脆弱，產(chǎn)生的大量煤基固廢不僅壓占土地資源，還存在進(jìn)一步加劇水土流失、土地沙漠化以及地下水污染等生態(tài)問題。

寧東能源基地主要的煤基固廢包括煤矸石、粉煤灰、氣化渣、爐底渣、脫硫石膏等， 2017-2020年寧東能源基地煤基固廢產(chǎn)量與2020年煤基固廢利用情況分別見表1和表2[16]。

由表1和表2可以看出，2017-2020年煤基固廢的產(chǎn)量分別為 1 512萬t/a、1 436萬t/a、1 853萬t/a和2 310.1萬t/a。2020年寧東能源基地的煤基固廢利用總量為972.3萬t，利用率達(dá)到了42%，其中矸石山的煤矸石利用率達(dá)到93%，顯著高于其他固廢種類。

2 研究區(qū)煤基固廢材料性質(zhì)

2.1 材料性質(zhì)分析

從材料學(xué)角度分析，煤矸石、粉煤灰、爐底渣、氣化渣(含氣化粗渣和氣化細(xì)渣)、脫硫石膏都具有3個(gè)基本的材料性質(zhì)，包括化學(xué)成分與含量、粒徑分布與形貌、礦物相組成與含量。化學(xué)成分與含量采用XRF方法(熒光光譜分析儀)表征其無機(jī)化學(xué)成分及含量，同時(shí)以雙氣氛熱重方法表征其水含量及碳含量；采用SEM掃描電鏡表征顆粒形貌，顆粒較小的粉煤灰、脫硫石膏及氣化細(xì)渣采用激光粒度儀進(jìn)行粒徑分布分析，而顆粒較大的煤矸石、爐底渣及氣化粗渣采用篩分法檢測(cè)顆粒大小分布區(qū)間量；采用XRD方法(X射線衍射儀)表征其玻璃相含量及其礦物相組成。

從化學(xué)成分方面分析，煤矸石、粉煤灰、爐底渣及氣化粗渣以硅鋁酸鹽為主要成分，脫硫石膏以硫酸鈣為主要成分，而氣化細(xì)渣以水為主要成分，主要化學(xué)成分差異較大；碳含量以氣化細(xì)渣最高，其次是煤矸石及氣化粗渣，然后是粉煤灰、爐底渣及脫硫石膏；水含量以氣化細(xì)渣最高，其次是脫硫石膏及氣化粗渣，而粉煤灰、煤矸石、爐底渣的水含量一般低于1%。在粒徑分布與形貌方面，粒徑分布中最大的是煤矸石，其次是爐底渣、氣化粗渣，最小的是粉煤灰、脫硫石膏及氣化細(xì)渣，形貌中只有煤粉爐粉煤灰為球型，其他均為不規(guī)則形貌。在礦物相組成與含量方面，無機(jī)礦物的玻璃相含量從高到低為氣化渣、粉煤灰和爐底渣，其次是煤矸石，最小的是脫硫石膏。這5種大宗煤基固廢的基本材料性質(zhì)不盡相同，特別是化學(xué)成分、粒徑大小范圍及礦物玻璃相含量均具有較大差異，煤基固廢基本材料性質(zhì)對(duì)比見表3。

表3 煤基固廢基本材料性質(zhì)對(duì)比

2.2 材料性質(zhì)控制因素

煤基固廢基本材料性質(zhì)主要取決于使用的煤炭化學(xué)成分、煤炭開采或轉(zhuǎn)化工藝以及環(huán)保工藝操作條件等3大因素，因此即使是同一個(gè)煤基固廢生產(chǎn)單位，在不同生產(chǎn)期也可能生產(chǎn)不同性質(zhì)的煤基固廢。煤基固廢基本材料性質(zhì)控制因素如圖1所示。

圖1 煤基固廢基本材料性質(zhì)控制因素

化學(xué)成分取決于煤炭化學(xué)成分及環(huán)保工藝操作條件，例如含有不同無機(jī)礦物的煤炭、不同的環(huán)保工藝操作條件，包括燃煤電廠爐內(nèi)脫硫造成的粉煤灰高硫含量及高鈣含量、脫硝控制不當(dāng)造成的高氨含量、煙氣蒸發(fā)處理脫硫廢水提高的氯離子含量等。礦物相組成與含量也取決于煤炭化學(xué)成分及煤炭開采與轉(zhuǎn)化過程中的溫度造成的礦物相變化，例如高鋁煤炭。由于不同的鍋爐燃燒溫度，煤粉爐粉煤灰的氧化鋁以莫來石形態(tài)存在，同時(shí)玻璃相含量較低，而循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰的氧化鋁則以偏高嶺石的形態(tài)存在，玻璃相含量較高。粒徑分布與形貌則取決于煤預(yù)處理、轉(zhuǎn)化工藝及收集系統(tǒng)，只有煤粉爐能產(chǎn)生球型顆粒，而其他均為不規(guī)則的顆粒形貌。

因此，產(chǎn)廢企業(yè)需了解其自身不同的運(yùn)行條件對(duì)煤基固廢基本材料性質(zhì)的影響，包括化學(xué)成分與含量、顆粒大小范圍及礦物組成與含量，也需根據(jù)其相對(duì)應(yīng)的利廢企業(yè)或市場應(yīng)用的原料品質(zhì)要求，進(jìn)行分質(zhì)分類的品質(zhì)管控，這也是固廢原料化、資源化利用的基礎(chǔ)。

3 煤基固廢資源化利用技術(shù)路徑研究

3.1 煤基固廢材料性能效應(yīng)與利用方向

煤基固廢的化學(xué)成分、粒徑分布與形貌、礦物組成這3個(gè)基本材料性質(zhì)，直接對(duì)應(yīng)產(chǎn)生3種材料性能效應(yīng)：一是顆粒效應(yīng)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；二是礦物相效應(yīng)在堿性條件下具有膠凝性能，主要用于建材及工程固化材料中的輔助膠凝材料；三是化學(xué)成分效應(yīng)，接近黏土組分的灰主要作為水泥或陶瓷的原料，不同形態(tài)的碳用于燃燒或者碳材料，高含量的有害元素限制了其應(yīng)用途徑，而高含量的有價(jià)元素如鎵、鍺等則可以用于提取。

根據(jù)3個(gè)基本材料性質(zhì)并通過3類材料的性能效應(yīng)，可歸納出金字塔式的兩大利用方向及6類應(yīng)用市場：一是消納利用，主要包括2個(gè)應(yīng)用市場，即井下充填材料及回填復(fù)墾材料；二是增值利用，主要包括4個(gè)應(yīng)用市場，即道路材料、建筑材料、土壤改良材料和其他工業(yè)材料。

煤基固廢用于回填復(fù)墾主要基本材料的性質(zhì)，關(guān)鍵在于顆粒大小的級(jí)配以及其化學(xué)成分是否滿足污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)，而用于井下充填材料的制備不僅要考慮到顆粒大小及化學(xué)成分，還需要考慮煤基固廢中礦物相的凝膠性質(zhì)，以滿足抗壓強(qiáng)度的要求。土壤改良與回填復(fù)墾對(duì)煤基固廢基本材料的性質(zhì)要求相似，重點(diǎn)在于顆粒大小分布對(duì)土壤孔隙率或密實(shí)性的改善及其化學(xué)成分對(duì)土壤的污染風(fēng)險(xiǎn)，特別是重金屬含量。建材與井下充填對(duì)煤基固廢基本材料的性質(zhì)要求相似，不但需要適當(dāng)?shù)念w粒大小分布、低有害化學(xué)成分含量以及較高的礦物相膠凝性質(zhì)，還需要滿足抗壓強(qiáng)度的要求。由于煤基固廢基本材料性質(zhì)差異大(見表3)，其產(chǎn)生的材料性能效應(yīng)不同，因此不同的煤基固廢對(duì)應(yīng)的應(yīng)用市場也會(huì)有所不同，需充分發(fā)揮不同煤基固廢中不同基本材料性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到原料化協(xié)同利用的最佳效果。

3.2 寧東基地煤基固廢資源化利用技術(shù)路徑

根據(jù)煤基固廢基本材料性質(zhì)，研究分析其潛在的材料性能效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上通過產(chǎn)廢單位對(duì)固廢生產(chǎn)的管控，形成適用于寧東能源基地應(yīng)用市場需求的類別，是煤基固廢分質(zhì)分類資源化利用的有效途徑。多源煤基固廢作為充填、回填、活性粉體及土壤改良原料的4項(xiàng)主要技術(shù)說明如下。

(1)制備環(huán)保型多源煤基固廢井下綠色充填材料。首先以滿足《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599-2020)第I類一般工業(yè)固廢要求的煤矸石和氣化粗渣為骨料，以水泥、粉煤灰、脫硫石膏、爐底渣為膠凝材料可以制備環(huán)保充填材料。根據(jù)充填材料制備實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果，充填膏體最優(yōu)配比為煤矸石∶粉煤灰∶氣化渣∶水泥為1.0∶4.2∶4.2∶0.6。該材料第三方檢測(cè)報(bào)告顯示，28 d的強(qiáng)度為6.7 MPa，煤基固廢在充填材料中的摻量超過90%，其中氣化渣在充填材料中的摻量為15%，充填漿體初凝時(shí)間為5.91 h，終凝時(shí)間為9.7 h。粉煤灰及爐底渣礦物玻璃相與水泥水化反應(yīng)生成的堿進(jìn)行激發(fā)反應(yīng)，再輔以具有凝膠性的脫硫石膏，作為充填材料中的凝膠材料。測(cè)試結(jié)果表明，以氣化粗渣作為骨料，被凝膠材料包覆固化后，重金屬滲出率可滿足《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599-2020)的要求。

(2)用于采煤塌陷區(qū)回填復(fù)墾。對(duì)煤基固廢不同化學(xué)成分及顆粒大小分布條件下進(jìn)行最佳配比研究，例如煤矸石及粉煤灰的無機(jī)物含量均以硅鋁酸鹽為主，但煤矸石粒徑的范圍是厘米級(jí)別，而粉煤灰的粒徑范圍是微米級(jí)別，相差2個(gè)數(shù)量級(jí)，可進(jìn)行顆粒大小復(fù)配達(dá)到最佳級(jí)配。對(duì)煤基固廢作為填充料的回填層機(jī)械壓實(shí)性能進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果顯示，矸石和粉煤灰質(zhì)量比為1.0∶0.6時(shí)，制備的密實(shí)回填材料在0～25 MPa的壓實(shí)應(yīng)力范圍內(nèi)壓實(shí)率減少最小?；靥顗簩?shí)后，形成再生的硅鋁酸鹽礦物，覆表土后可進(jìn)行復(fù)墾綠化。

(3) 制備多源煤基固廢活性粉體和高值化產(chǎn)品。對(duì)粉煤灰、氣化渣、爐底渣及脫硫石膏進(jìn)行不同配比的優(yōu)化試驗(yàn)，可以制備出復(fù)合活性粉體，活性粉體的比表面積為350 m2/kg，需水量比96%，7 d 活性指數(shù)為74%，28 d活性指數(shù)為79%。通過開展活性粉體對(duì)水泥和混凝土性能影響的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)活性粉體用于水泥及混凝土后，不但可以降低水泥熟料及水泥用量，還可以進(jìn)一步提高混凝土的適用性和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高值化利用。

(4)制備生態(tài)修復(fù)材料和鹽堿化土壤調(diào)理劑用于土壤改良。通過對(duì)寧東基地電廠粉煤灰進(jìn)行酸法重金屬浸出實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，高濃度重金屬(Cr、As和Zn)的浸出率超過70%，生態(tài)修復(fù)材料中粉煤灰的摻量可以達(dá)到45%以上。通過不同配方試驗(yàn)研究，將分離剔除重金屬超標(biāo)的煤基固廢與有機(jī)肥、生物基磺酸鹽等進(jìn)行復(fù)配，可以研發(fā)出鹽堿化土壤調(diào)理劑，該土壤調(diào)理劑施用后土壤的pH值降低10%以上，鹽分降低15%以上，重金屬檢測(cè)值低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的風(fēng)險(xiǎn)管控值。其中將粉煤灰與牛糞、秸稈共同壓制成育苗缽可以培育耐旱耐鹽堿植株，將粉煤灰與氣化細(xì)渣、牛糞摻混可以研發(fā)出沙生植物栽培基質(zhì)，其基本理化性質(zhì)接近或優(yōu)于商品育苗基質(zhì)，但成本可降低62%。

4 結(jié)語

根據(jù)寧東基地的生產(chǎn)特點(diǎn)與市場需求，該區(qū)域的煤基固廢利用途徑主要以年消納量千萬噸級(jí)別的井下充填和采煤沉陷區(qū)回填為主，以高值化建材、土壤改良材料等萬噸-百萬噸級(jí)別增值利用方式為輔，才能夠消納產(chǎn)量超過2 000萬t/a的煤基固廢，同時(shí)產(chǎn)生良好的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益，并取代目前以填埋為主的固廢處置方式。本研究結(jié)合地方市場需求，提出了井下綠色充填、塌陷區(qū)分質(zhì)分類密實(shí)回填、高值化建材和土壤改良材料這4種主要利用技術(shù)，經(jīng)過示范工程推廣應(yīng)用后，可支撐寧東地區(qū)煤基固廢利用率由目前的42%提高到80%以上。

大型煤基固廢資源化利用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須包含消納量大的充填及回填，但目前在國內(nèi)仍未被地方政府認(rèn)可為資源化利用途徑之一，同時(shí)煤炭企業(yè)自身充填及回填的消納也不在固廢利用優(yōu)惠政策內(nèi)。因此，得到地方政府對(duì)回填及充填的認(rèn)可及支持，建立產(chǎn)廢企業(yè)、利廢企業(yè)和政府之間合作共贏、利益共享的可持續(xù)商業(yè)化運(yùn)營模式，才有可能解決偏遠(yuǎn)地區(qū)固廢量大的問題。