劉 杰

(陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責任公司，陜西 寶雞 721505)

0 引言

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢棄物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的含炭量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。由于煤炭是我國的主要能源，在“十五”“十一五”煤炭黃金十年期間大批量煤礦開工建設(shè)，并配套一定規(guī)模的選煤廠，隨著煤炭洗選比例增加，選煤后煤矸石利用問題越來越突出，據(jù)統(tǒng)計，截止2015年年底煤矸石堆存量約48億t，全國共有矸山1 700多座，每年排矸130 Mt以上，占地32 km2，煤矸石長期堆存，占用大量土地，自燃產(chǎn)生的CO、SO2、SO3、H2S等有毒有害氣體嚴重污染周圍環(huán)境，經(jīng)雨水淋溶進入水域或滲入土壤，影響水體和土壤的質(zhì)量，因此科學合理利用煤矸石綜合利用已是一個刻不容緩、亟待研究解決的重要社會問題。

粉煤灰是燃煤電廠生產(chǎn)過程的伴生產(chǎn)物，粉煤灰直接排污，污染環(huán)境，隨著我國燃煤電廠的不斷建設(shè)，粉煤灰占用土地量大，環(huán)境污染嚴重。目前，我國燃煤電廠粉煤灰都是就地堆放，其后果是：占用大片土地，粉煤灰見風飛揚等特點，不僅浪費能源，污染環(huán)境，而且嚴重影響職工及當?shù)鼐用竦慕】?，甚至制約企業(yè)的正常生產(chǎn)，因此粉煤灰綜合利用化是非常必要的。

1 園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰概述

園子溝礦井、麟北發(fā)電隸屬于國家大型煤炭基地之一的永隴礦區(qū)麟游區(qū)，位于寶雞市麟游縣兩亭鎮(zhèn)，陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責任公司園子溝礦井設(shè)計規(guī)模年產(chǎn)煤炭800萬t，配套800萬t的選煤廠，選煤廠采用3～150 mm全入洗生產(chǎn)方案，年產(chǎn)煤矸石約120萬t，除配煤系統(tǒng)用去45萬t矸石外，剩余75萬t需外排。公司設(shè)計規(guī)模為2×35 MW超臨界低熱值煤間接空冷機組、循環(huán)流化床技術(shù)，年度發(fā)電量為30億kWh，需用燃料煤(混煤、煤泥、煤矸石)約200萬t，年產(chǎn)粉煤灰約80萬t。其中，園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰化學成分，見表1。

表1 園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰化學成分

2 煤矸石、粉煤灰綜合利用途徑

2.1 煤矸石綜合利用途徑

煤矸石鋪路及礦井采空區(qū)回填：煤矸石是由各種顆粒的粒徑組成，各粒徑所占比例由于不同地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造情況的差異，堆積的煤矸石孔隙率不同，其級配不同，與大顆粒成分所占比例較大的煤矸石相比，選用自然級配較好的煤矸石經(jīng)過碾壓后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)更致密，并符合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》級配要求，碾壓后符合其力學指標，穩(wěn)定性要求，因此用于鋪路；還可用于井下采空區(qū)、地表沉陷區(qū)回填，減少其外排量和地表下沉幅度。

煤矸石發(fā)電：煤矸石發(fā)電不僅節(jié)約標煤、化害為利、節(jié)約能源，而且緩解區(qū)域內(nèi)日益增長的供電、供熱需求、按照國能電力[2011]396號文件低熱煤發(fā)電技術(shù)指標要求，煤矸石燃料收到基低位發(fā)熱量必須≥1 200 kcal/kg，且洗中煤和洗矸石、煤泥按一定比例摻配，燃料收到基熱值不高于3 500 kcal/kg用于發(fā)電。

煤矸石制磚：煤矸石生產(chǎn)的燒結(jié)磚、多孔磚和空心磚，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑施工過程中，以煤矸石為原材料，將煤矸石經(jīng)過破碎—制備—攪拌—成型—干燥—碼垛—打包等工藝流程后，成為了具有強度高、熱阻大、隔音好，可降低建筑物墻體厚度的高品質(zhì)新型墻體材料。其中，粉碎機可以根據(jù)制作的需要，粉碎大小不同的顆粒；攪拌時，需要加入一定的粘結(jié)劑進行攪拌。近年，隨著對引進國外先進技術(shù)和制磚工藝技術(shù)的吸收與創(chuàng)新，燒結(jié)磚的產(chǎn)品質(zhì)量、檔次、功能、性能等方面也有了很大提高。

煤矸石生產(chǎn)水泥：煤矸石粉碎后，可以部分或全部代替粘土組分生產(chǎn)普通水泥。由于自燃或人工燃燒過的煤矸石，具有一定活性，可作為水泥的活性混合材料，具體：摻雜量<20%可用于生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥；摻雜量在20%～50%之間可用于生產(chǎn)灰質(zhì)水泥；摻雜量>50%可用于生產(chǎn)少熟料水泥；適當配比石灰、石膏，可磨成無熟料水泥。

煤矸石生產(chǎn)化工產(chǎn)品：由于煤矸石主要由三氧化二鋁及二氧化硅構(gòu)成，還有部分氧化鐵、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀等，通過化學方式從其中提取或某一元素或生產(chǎn)某種產(chǎn)品，結(jié)合區(qū)域及成分分析，可生產(chǎn)化工產(chǎn)品，如：氫氧化鋁、氧化鋁、聚合氯化鋁、硫酸鋁、分子篩(4A、Y、X型)、白炭黑、氧化鐵紅等。

煤矸石的其他用途：煤矸石通過物理化學處理，生產(chǎn)超細高嶺土“雙90”產(chǎn)品；多孔陶瓷、日用陶瓷、釉面磚、新型墻磚；凈水材料、膠結(jié)充填專用膠凝材料；還可提取稀有元素，作肥料使用，改善土壤性能，提高作物產(chǎn)量。

2.2 粉煤灰綜合利用途徑

粉煤灰加氣混凝土：主要以粉煤灰為原料、石灰、水泥、石膏、發(fā)氣劑等為輔助，將這些原料經(jīng)過加工配料、攪拌、澆注、發(fā)氣稠化、切割、蒸壓養(yǎng)護等工序制成?？捎米魑菝姹亍⒕S護墻、隔斷墻，亦可做樓層為5層的承重墻，特別適用于高層建筑填充墻、寒冷地區(qū)的外墻和地震區(qū)使用，可減輕墻重，增加使用面積。

粉煤灰混凝土空心砌塊和路面磚：粉煤灰混凝土空心砌塊以粉煤灰、集料、水泥等，原料經(jīng)配比、攪拌、成型、養(yǎng)護等工序制成；粉煤灰混凝土路面磚以水泥和粉煤灰為混合膠結(jié)料再配以粗骨料等，原料經(jīng)配比、攪拌、成型、養(yǎng)護制成方磚、連鎖路面磚、仿古磚、綠化種草磚、路沿塊及其它形狀的路面磚等，還可制成各種彩色的路面磚。粉煤灰混凝土路面磚不但具有普通混凝土路面磚的優(yōu)點和用途，而且重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小，長期性能更好。用于車行道、人行道、園林道路、廣場、亭院、仿古建筑道路、停車場、護坡和綠化等。

粉煤灰磚：以粉煤灰、石灰為原料，摻加適量石膏和骨料，經(jīng)坯料制備，壓制成型，高壓或常壓蒸汽養(yǎng)護而成的粉煤灰磚。

粉煤灰其他用途：粉煤灰主要由二氧化硅和三氧化二鋁組成，還有部分氧化鈉、氧化鎂等成分，可從中提取氧化鋁、聚合氯化鋁，合成新型材料，如制備4A沸石(介孔材料)。

3 煤矸石制磚工藝

礦區(qū)煤矸石、粉煤灰資源綜合利用既增加企業(yè)經(jīng)濟效益、社會效益，又改善煤礦生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，分流富余人員，減少土地資源占用，變廢為寶，不僅降低固體廢棄物的排放，而且改善環(huán)境污染、創(chuàng)造了更多的就業(yè)崗位。因此，陜能股份結(jié)合自身特點，對永隴礦區(qū)麟游區(qū)園子溝煤礦、麟北電廠提出了自身發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的思路：“煤-電-磚”循環(huán)經(jīng)濟模式，即優(yōu)質(zhì)煤出售，煤泥、混煤、矸石摻混后用于發(fā)電，就地轉(zhuǎn)化為電能，電廠生產(chǎn)的粉煤灰、爐渣用于制磚。

3.1 工藝技術(shù)

引進德國固廢激振激發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有工藝技術(shù)研發(fā)而成的無二次污染的固廢利用技術(shù)，生產(chǎn)過程中不會破壞周圍環(huán)境，使傳統(tǒng)的制磚質(zhì)量大幅提高，成本大幅下降。

3.2 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

3.3 設(shè)備選型依據(jù)原則

技術(shù)先進、經(jīng)濟合理：選用設(shè)備根據(jù)礦區(qū)煤矸石、粉煤灰年產(chǎn)量、設(shè)備工藝技術(shù)參數(shù)(型號、小時處理量、產(chǎn)品規(guī)格等)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格，優(yōu)先考慮設(shè)備自動化運轉(zhuǎn)程度較高的機器，降低工人勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率；并選擇節(jié)能的設(shè)備(耗電、耗水指標較低)，方便維護和保養(yǎng)。

設(shè)備運行安全可靠：自動化設(shè)備必須經(jīng)過國家質(zhì)量監(jiān)督局認可或檢驗的產(chǎn)品，技術(shù)上必須先進并達到行業(yè)標準或高于行業(yè)標準，同時必須經(jīng)過行業(yè)檢驗合格的設(shè)備。

4 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)市場需求及企業(yè)實際情況，園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰年可生產(chǎn)6.2億塊磚，具體生產(chǎn)產(chǎn)品方案見表2。

表2 產(chǎn)品方案、數(shù)量及市場價格

本項目產(chǎn)品主要質(zhì)量指標符合國家及行業(yè)有關(guān)標準要求?？蛻粲幸蟮膽?yīng)按相關(guān)標準要求控制，成品出廠合格率達99%以上。產(chǎn)品質(zhì)量完全符合或超過國家及行業(yè)標準。

年計劃工作日300 d，行政管理人員、輔助部門及生產(chǎn)車間工人均為單班工作制，每班工作8 h，定員400人；年生產(chǎn)矸石磚6.2億塊，可實現(xiàn)銷售收入2.15億元。

項目用水量：工業(yè)用水約2 800 m3/d，采用園子溝煤礦礦井水，其中，成型用水量約2 000 m3/d，循環(huán)冷卻水補充水量400 m3/d，沖洗設(shè)備及地面用水200 m3/d，道路灑水100 m3/d，實驗室及輔助車間用水100 m3/d，年用水量損耗約為8.4×105m3(每年按300 d計)。根據(jù)工業(yè)企業(yè)一般生活用水定額60～100 L/人班，本項目生活用水定額按100 L/人班，職工人數(shù)400人計，則項目的生活用水量應(yīng)為40 m3/d，年用水量損耗約為12 000 m3，用電量約5.8×106kWh/a，年水電費用估算，見表3。

表3 年水電費用估算

人員工資：每年約8萬元/人，定員400人，3 200萬元，煤矸石、粉煤灰屬于煤礦、電廠外排固體廢棄物(成本按15元/t考慮)，約2 300萬元/a，水電費約793萬元/a，其他成本約6 000萬元(考慮設(shè)備折舊費、維修費、工藝添加劑、輔助材料購置及其他成本)，年利潤約1.24億元。

5 結(jié)語

磚廠有效地解決了麟北電廠粉煤灰、園子溝礦煤矸石排放問題，既減少了粉煤灰和煤矸石占地面積對環(huán)境的影響，又增加了經(jīng)濟效益，變廢為寶，使礦區(qū)環(huán)境從根本上得以改善，在構(gòu)建和諧礦區(qū)、保護環(huán)境、促進低碳循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的背景下，園子溝礦井、麟北電廠走產(chǎn)學研相結(jié)合道路，加快產(chǎn)學研聯(lián)合步伐。對煤矸石、粉煤灰成分進行定性定量分析，為煤矸石資源化提供技術(shù)保障。隨著煤矸石、粉煤灰資源綜合利用技術(shù)的突破，永隴礦區(qū)麟游區(qū)計劃“十四五”至“十五五”規(guī)劃期間通過生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，實現(xiàn)企業(yè)環(huán)境治理與經(jīng)濟效益的雙贏。