煤矸石及電廠粉煤灰制磚經(jīng)濟(jì)性分析

劉 杰

(陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505)

0 引言

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中排放的固體廢棄物，是一種在成煤過(guò)程中與煤層伴生的含炭量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石。由于煤炭是我國(guó)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(kāi)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(wèn)題越來(lái)越突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2015年年底煤矸石堆存量約48億t，全國(guó)共有矸山1 700多座，每年排矸130 Mt以上，占地32 km2，煤矸石長(zhǎng)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(yán)重污染周圍環(huán)境，經(jīng)雨水淋溶進(jìn)入水域或滲入土壤，影響水體和土壤的質(zhì)量，因此科學(xué)合理利用煤矸石綜合利用已是一個(gè)刻不容緩、亟待研究解決的重要社會(huì)問(wèn)題。

粉煤灰是燃煤電廠生產(chǎn)過(guò)程的伴生產(chǎn)物，粉煤灰直接排污，污染環(huán)境，隨著我國(guó)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(yán)重。目前，我國(guó)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(jiàn)風(fēng)飛揚(yáng)等特點(diǎn)，不僅浪費(fèi)能源，污染環(huán)境，而且嚴(yán)重影響職工及當(dāng)?shù)鼐用竦慕】担踔林萍s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(guó)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(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司園子溝礦井設(shè)計(jì)規(guī)模年產(chǎn)煤炭800萬(wàn)t，配套800萬(wàn)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(wàn)t，除配煤系統(tǒng)用去45萬(wàn)t矸石外，剩余75萬(wàn)t需外排。公司設(shè)計(jì)規(guī)模為2×35 MW超臨界低熱值煤間接空冷機(jī)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(wàn)t，年產(chǎn)粉煤灰約80萬(wàn)t。其中，園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1 園子溝礦井煤矸石、麟北電廠粉煤灰化學(xué)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(jí)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(jí)配較好的煤矸石經(jīng)過(guò)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(jí)配要求，碾壓后符合其力學(xué)指標(biāo)，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(biāo)煤、化害為利、節(jié)約能源，而且緩解區(qū)域內(nèi)日益增長(zhǎng)的供電、供熱需求、按照國(guó)能電力[2011]396號(hào)文件低熱煤發(fā)電技術(shù)指標(biāo)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(guò)程中，以煤矸石為原材料，將煤矸石經(jīng)過(guò)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(qiáng)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(jī)可以根據(jù)制作的需要，粉碎大小不同的顆粒；攪拌時(shí)，需要加入一定的粘結(jié)劑進(jìn)行攪拌。近年，隨著對(duì)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)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(guò)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(dāng)配比石灰、石膏，可磨成無(wú)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(guò)化學(xué)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(guò)物理化學(xué)處理，生產(chǎn)超細(xì)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(guò)加工配料、攪拌、澆注、發(fā)氣稠化、切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工序制成。可用作屋面保溫、維護(hù)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(hù)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(hù)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(diǎn)和用途，而且重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小，長(zhǎng)期性能更好。用于車行道、人行道、園林道路、廣場(chǎng)、亭院、仿古建筑道路、停車場(chǎng)、護(hù)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(hù)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(jì)效益、社會(huì)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(diǎn)，對(duì)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(jì)的思路：“煤-電-磚”循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jìn)德國(guó)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(wú)二次污染的固廢利用技術(shù)，生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)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(jìn)、經(jīng)濟(jì)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(hào)、小時(shí)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(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)程度較高的機(jī)器，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；并選擇節(jié)能的設(shè)備(耗電、耗水指標(biāo)較低)，方便維護(hù)和保養(yǎng)。

設(shè)備運(yùn)行安全可靠：自動(dòng)化設(shè)備必須經(jīng)過(guò)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督局認(rèn)可或檢驗(yàn)的產(chǎn)品，技術(shù)上必須先進(jìn)并達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)必須經(jīng)過(guò)行業(yè)檢驗(yàn)合格的設(shè)備。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)市場(chǎng)需求及企業(yè)實(shí)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(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品方案、數(shù)量及市場(chǎng)價(jià)格

本項(xiàng)目產(chǎn)品主要質(zhì)量指標(biāo)符合國(guó)家及行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。客戶有要求的應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求控制，成品出廠合格率達(dá)99%以上。產(chǎn)品質(zhì)量完全符合或超過(guò)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

年計(jì)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(shí)現(xiàn)銷售收入2.15億元。

項(xiàng)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(jì))。根據(jù)工業(yè)企業(yè)一般生活用水定額60～100 L/人班，本項(xiàng)目生活用水定額按100 L/人班，職工人數(shù)400人計(jì)，則項(xiàng)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(fèi)用估算，見(jiàn)表3。

表3 年水電費(fèi)用估算

人員工資：每年約8萬(wàn)元/人，定員400人，3 200萬(wàn)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(wàn)元/a，水電費(fèi)約793萬(wàn)元/a，其他成本約6 000萬(wàn)元(考慮設(shè)備折舊費(fèi)、維修費(fèi)、工藝添加劑、輔助材料購(gòu)置及其他成本)，年利潤(rùn)約1.24億元。

5 結(jié)語(yǔ)

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(wèn)題，既減少了粉煤灰和煤矸石占地面積對(duì)環(huán)境的影響，又增加了經(jīng)濟(jì)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(hù)環(huán)境、促進(jìn)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，園子溝礦井、麟北電廠走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合道路，加快產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合步伐。對(duì)煤矸石、粉煤灰成分進(jìn)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(jì)劃“十四五”至“十五五”規(guī)劃期間通過(guò)生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)企業(yè)環(huán)境治理與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。