大型煤電化基地固廢分質分類資源化利用研究

徐連兵，卓錦德，張 凱

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

0 引言

煤炭是我國的主要能源和重要的化工原料，煤炭開采產生的煤矸石、燃煤發電產生的粉煤灰、爐底渣、脫硫石膏以及煤化工產生的氣化渣，形成了5種典型的大宗煤基固廢[1-5]。目前，我國西部煤炭儲量、開采量和使用量巨大，煤電和煤化工產業高度集中，隨著煤炭開采、燃煤發電和煤化工產業的快速發展，西部產煤區在支持和促進中東部地區與全國經濟快速發展的同時，也給本地區留下數量巨大的煤基固廢，存在大量占用土地、嚴重污染環境等問題[6-7]，同時也成為制約西部地區經濟社會發展的不利因素。

目前，西部地區煤基固廢仍以堆存和填埋處置為主，綜合利用率較低。關于煤基固廢的利用主要集中在單一固廢材料的應用研究，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]主要用于燃燒發電等，氣化渣[2, 14]尚無產業化規模的利用。目前針對氣化渣、煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、爐底渣基本材料性質的優勢進而發揮其協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分類資源化利用的系統研究。東部及沿海地區已經積累的煤基固廢利用方式，不能完全適用于煤基固廢產量大、產速快、堆積量遠高于消耗量的西部地區。因此針對西部大型煤電化基地千萬噸級固廢產量，尚未形成可借鑒的、成熟的規?；寐窂絒15]。

筆者及研究團隊以國家重點研發計劃“大型煤電化基地固廢規?；贸商准夹g及集成示范”專項研究成果為基礎，并結合現有煤基固廢利用成果，針對寧東能源基地產生的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分類資源化利用途徑；開發了多源煤基固廢充填及回填材料技術，用于年消納量千萬噸級別的煤礦井下綠色充填及采煤沉陷區回填；開發了多源煤基固廢活性粉體及土壤調節劑，用于萬噸-百萬噸級別的建材及生態治理。研究成果可為我國西部地區大型煤電化基地固廢資源化利用提供綜合性解決方案。

1 研究區固廢種類及利用現狀

寧東能源基地位于寧夏回族自治區中東部，轄區范圍涉及靈武市、鹽池縣、同心縣、紅寺堡區等4個市縣(區)，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%，其中核心區面積800 km2。該地區煤炭資源豐富，已探明儲量273億t，遠景儲量1 394.3億t，被列為國家14個億噸級大型煤炭基地、9個千萬千瓦級大型煤電基地和4處現代煤化工產業示范區之一，是最具代表性的煤炭、電力、煤化工產業集群基地，也是我國最大煤氣化生產煤制油和煤制烯烴生產基地。同時，由于寧東能源基地處于毛烏素沙漠腹地，降水稀少、生態環境極其脆弱，產生的大量煤基固廢不僅壓占土地資源，還存在進一步加劇水土流失、土地沙漠化以及地下水污染等生態問題。

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，利用率達到了42%，其中矸石山的煤矸石利用率達到93%，顯著高于其他固廢種類。

2 研究區煤基固廢材料性質

2.1 材料性質分析

從材料學角度分析，煤矸石、粉煤灰、爐底渣、氣化渣(含氣化粗渣和氣化細渣)、脫硫石膏都具有3個基本的材料性質，包括化學成分與含量、粒徑分布與形貌、礦物相組成與含量?；瘜W成分與含量采用XRF方法(熒光光譜分析儀)表征其無機化學成分及含量，同時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、脫硫石膏及氣化細渣采用激光粒度儀進行粒徑分布分析，而顆粒較大的煤矸石、爐底渣及氣化粗渣采用篩分法檢測顆粒大小分布區間量；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，而氣化細渣以水為主要成分，主要化學成分差異較大；碳含量以氣化細渣最高，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、脫硫石膏及氣化細渣，形貌中只有煤粉爐粉煤灰為球型，其他均為不規則形貌。在礦物相組成與含量方面，無機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不盡相同，特別是化學成分、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對比見表3。

表3 煤基固廢基本材料性質對比

2.2 材料性質控制因素

煤基固廢基本材料性質主要取決于使用的煤炭化學成分、煤炭開采或轉化工藝以及環保工藝操作條件等3大因素，因此即使是同一個煤基固廢生產單位，在不同生產期也可能生產不同性質的煤基固廢。煤基固廢基本材料性質控制因素如圖1所示。

圖1 煤基固廢基本材料性質控制因素

化學成分取決于煤炭化學成分及環保工藝操作條件，例如含有不同無機礦物的煤炭、不同的環保工藝操作條件，包括燃煤電廠爐內脫硫造成的粉煤灰高硫含量及高鈣含量、脫硝控制不當造成的高氨含量、煙氣蒸發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成分及煤炭開采與轉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存在，同時玻璃相含量較低，而循環流化床鍋爐粉煤灰的氧化鋁則以偏高嶺石的形態存在，玻璃相含量較高。粒徑分布與形貌則取決于煤預處理、轉化工藝及收集系統，只有煤粉爐能產生球型顆粒，而其他均為不規則的顆粒形貌。

因此，產廢企業需了解其自身不同的運行條件對煤基固廢基本材料性質的影響，包括化學成分與含量、顆粒大小范圍及礦物組成與含量，也需根據其相對應的利廢企業或市場應用的原料品質要求，進行分質分類的品質管控，這也是固廢原料化、資源化利用的基礎。

3 煤基固廢資源化利用技術路徑研究

3.1 煤基固廢材料性能效應與利用方向

煤基固廢的化學成分、粒徑分布與形貌、礦物組成這3個基本材料性質，直接對應產生3種材料性能效應：一是顆粒效應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；三是化學成分效應，接近黏土組分的灰主要作為水泥或陶瓷的原料，不同形態的碳用于燃燒或者碳材料，高含量的有害元素限制了其應用途徑，而高含量的有價元素如鎵、鍺等則可以用于提取。

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

煤基固廢用于回填復墾主要基本材料的性質，關鍵在于顆粒大小的級配以及其化學成分是否滿足污染物排放的標準，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成分，還需要考慮煤基固廢中礦物相的凝膠性質，以滿足抗壓強度的要求。土壤改良與回填復墾對煤基固廢基本材料的性質要求相似，重點在于顆粒大小分布對土壤孔隙率或密實性的改善及其化學成分對土壤的污染風險，特別是重金屬含量。建材與井下充填對煤基固廢基本材料的性質要求相似，不但需要適當的顆粒大小分布、低有害化學成分含量以及較高的礦物相膠凝性質，還需要滿足抗壓強度的要求。由于煤基固廢基本材料性質差異大(見表3)，其產生的材料性能效應不同，因此不同的煤基固廢對應的應用市場也會有所不同，需充分發揮不同煤基固廢中不同基本材料性質的優勢，達到原料化協同利用的最佳效果。

3.2 寧東基地煤基固廢資源化利用技術路徑

根據煤基固廢基本材料性質，研究分析其潛在的材料性能效應，在此基礎上通過產廢單位對固廢生產的管控，形成適用于寧東能源基地應用市場需求的類別，是煤基固廢分質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項主要技術說明如下。

(1)制備環保型多源煤基固廢井下綠色充填材料。首先以滿足《一般工業固體廢物貯存和填埋污染控制標準》(GB 18599-2020)第I類一般工業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保充填材料。根據充填材料制備實驗初步結果，充填膏體最優配比為煤矸石∶粉煤灰∶氣化渣∶水泥為1.0∶4.2∶4.2∶0.6。該材料第三方檢測報告顯示，28 d的強度為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%，充填漿體初凝時間為5.91 h，終凝時間為9.7 h。粉煤灰及爐底渣礦物玻璃相與水泥水化反應生成的堿進行激發反應，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。測試結果表明，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《一般工業固體廢物貯存和填埋污染控制標準》(GB 18599-2020)的要求。

(2)用于采煤塌陷區回填復墾。對煤基固廢不同化學成分及顆粒大小分布條件下進行最佳配比研究，例如煤矸石及粉煤灰的無機物含量均以硅鋁酸鹽為主，但煤矸石粒徑的范圍是厘米級別，而粉煤灰的粒徑范圍是微米級別，相差2個數量級，可進行顆粒大小復配達到最佳級配。對煤基固廢作為填充料的回填層機械壓實性能進行測試分析，結果顯示，矸石和粉煤灰質量比為1.0∶0.6時，制備的密實回填材料在0～25 MPa的壓實應力范圍內壓實率減少最小?；靥顗簩嵑?，形成再生的硅鋁酸鹽礦物，覆表土后可進行復墾綠化。

(3) 制備多源煤基固廢活性粉體和高值化產品。對粉煤灰、氣化渣、爐底渣及脫硫石膏進行不同配比的優化試驗，可以制備出復合活性粉體，活性粉體的比表面積為350 m2/kg，需水量比96%，7 d 活性指數為74%，28 d活性指數為79%。通過開展活性粉體對水泥和混凝土性能影響的試驗研究，發現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，還可以進一步提高混凝土的適用性和質量，實現高值化利用。

(4)制備生態修復材料和鹽堿化土壤調理劑用于土壤改良。通過對寧東基地電廠粉煤灰進行酸法重金屬浸出實驗后發現，高濃度重金屬(Cr、As和Zn)的浸出率超過70%，生態修復材料中粉煤灰的摻量可以達到45%以上。通過不同配方試驗研究，將分離剔除重金屬超標的煤基固廢與有機肥、生物基磺酸鹽等進行復配，可以研發出鹽堿化土壤調理劑，該土壤調理劑施用后土壤的pH值降低10%以上，鹽分降低15%以上，重金屬檢測值低于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的風險管控值。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，將粉煤灰與氣化細渣、牛糞摻混可以研發出沙生植物栽培基質，其基本理化性質接近或優于商品育苗基質，但成本可降低62%。

4 結語

根據寧東基地的生產特點與市場需求，該區域的煤基固廢利用途徑主要以年消納量千萬噸級別的井下充填和采煤沉陷區回填為主，以高值化建材、土壤改良材料等萬噸-百萬噸級別增值利用方式為輔，才能夠消納產量超過2 000萬t/a的煤基固廢，同時產生良好的生態效益與經濟效益，并取代目前以填埋為主的固廢處置方式。本研究結合地方市場需求，提出了井下綠色充填、塌陷區分質分類密實回填、高值化建材和土壤改良材料這4種主要利用技術，經過示范工程推廣應用后，可支撐寧東地區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系統工程，必須包含消納量大的充填及回填，但目前在國內仍未被地方政府認可為資源化利用途徑之一，同時煤炭企業自身充填及回填的消納也不在固廢利用優惠政策內。因此，得到地方政府對回填及充填的認可及支持，建立產廢企業、利廢企業和政府之間合作共贏、利益共享的可持續商業化運營模式，才有可能解決偏遠地區固廢量大的問題。