徐連兵，卓錦德，張 凱

(1.國家能源投資集團有限責(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)在支持和促進中東部地區(qū)與全國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，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]，同時也成為制約西部地區(qū)經(jīng)濟社會發(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)勢進而發(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)。因此針對西部大型煤電化基地千萬噸級固廢產(chǎn)量，尚未形成可借鑒的、成熟的規(guī)?；寐窂絒15]。

筆者及研究團隊以國家重點研發(fā)計劃“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，已探明儲量273億t，遠(yuǎn)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(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，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(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?；瘜W(xué)成分與含量采用XRF方法(熒光光譜分析儀)表征其無機化學(xué)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(xì)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(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)對比見表3。

表3 煤基固廢基本材料性質(zhì)對比

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行條件對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)其相對應(yīng)的利廢企業(yè)或市場應(yīng)用的原料品質(zhì)要求，進行分質(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個基本材料性質(zhì)，直接對應(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，而高含量的有價元素如鎵、鍺等則可以用于提取。

根據(jù)3個基本材料性質(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)，以滿足抗壓強度的要求。土壤改良與回填復(fù)墾對煤基固廢基本材料的性質(zhì)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(xué)成分對土壤的污染風(fēng)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(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應(yīng)的應(yīng)用市場也會有所不同，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，達到原料化協(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)充填材料制備實驗初步結(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(yīng)生成的堿進行激發(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。對煤基固廢不同化學(xué)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(shù)量級，可進行顆粒大小復(fù)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(jié)果顯示，矸石和粉煤灰質(zhì)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(yīng)力范圍內(nèi)壓實率減少最小?；靥顗簩嵑螅纬稍偕墓桎X酸鹽礦物，覆表土后可進行復(fù)墾綠化。

(3) 制備多源煤基固廢活性粉體和高值化產(chǎn)品。對粉煤灰、氣化渣、爐底渣及脫硫石膏進行不同配比的優(yōu)化試驗，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水泥和混凝土性能影響的試驗研究，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，還可以進一步提高混凝土的適用性和質(zhì)量，實現(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。通過對寧東基地電廠粉煤灰進行酸法重金屬浸出實驗后發(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到45%以上。通過不同配方試驗研究，將分離剔除重金屬超標(biāo)的煤基固廢與有機肥、生物基磺酸鹽等進行復(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，重金屬檢測值低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)中的風(fēng)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(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，同時產(chǎn)生良好的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益，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)化運營模式，才有可能解決偏遠(yuǎn)地區(qū)固廢量大的問題。