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京海煤矸石發(fā)電及高摻量粉煤灰水泥的綜合利用論文
摘要：以京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司為例,針對目前國內(nèi)電力生產(chǎn)現(xiàn)狀及綜合利用改進方法進行了簡單闡述,探討了高摻量粉煤灰水泥的綜合利用方法,為更多的電力生產(chǎn)企業(yè)綜合利用灰渣提供參考。
關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保；粉煤灰；綜合利用
1 引言
內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司一期建設(shè)規(guī)模為2×330MW亞臨界一次再熱雙缸雙排汽直接空冷凝汽、抽汽冷凝式發(fā)電機組,配置2×1 177t/h亞臨界中間再熱CFB鍋爐,出線采用兩回500kV3/2接線。該電廠燃用煤種為70%煤矸石+15%洗中煤(1)+15%洗中煤(2)的混煤,水源為城市中水。同時一期配套一個年產(chǎn)量為60萬t高摻量粉煤灰的水泥廠。
內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電公司出線采用500kV 3/2接線,在電力輸送過程中將大大降低線損,較220kV及以下等級的輸送線路在減少線損方面有著明顯的優(yōu)勢。汽輪機組采用直接空冷,大大地降低了耗水量,較濕冷機組有著明顯的節(jié)水優(yōu)勢。汽輪機采用抽汽冷凝式,既可以為工業(yè)用電做出自身的貢獻,又可以為居民集中供暖服務(wù),實現(xiàn)了“工業(yè)-民用”一體化,較純凝式發(fā)電機組有著明顯的民生優(yōu)勢。該廠采用循環(huán)流化床鍋爐,流態(tài)化的燃燒,這是一種介于煤粉爐懸浮燃燒和鏈條爐固定燃燒之間的半懸浮燃燒方式［1］。通過加石灰石可以實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫,同時該鍋爐燃用煤種適應(yīng)性較強,摻燒煤矸石的比例可達到70%。該廠水源采用城市中水,這對城市中的工業(yè)廢水、生活污水的回收再利用起著致關(guān)重要的作用,較采用地下水、湖泊、江海等水源的電廠有著無法比擬的優(yōu)勢。廠一期配套有一個年產(chǎn)60萬t的水泥廠,直接將燃料燃燒后的灰、渣高摻量綜合利用生產(chǎn)水泥,因而又突出體現(xiàn)了“廢物”再利用的優(yōu)勢。
2 國內(nèi)電力生產(chǎn)后的灰、渣處理現(xiàn)狀及改進方法
2.1 目前國內(nèi)電力生產(chǎn)后的灰、渣處理現(xiàn)狀
到目前為止,國內(nèi)大部分燃煤發(fā)電機組,都需要一個灰場,部分鍋爐的灰和渣通過灰漿泵將灰渣輸送至灰場,另外一部分則需要通過車輛運輸?shù)交覉�。從中可以看�?這種方法處理灰渣既浪費土地資源，又浪費油料資源,另外如果是通過車輛運輸來處理灰渣的話,還需要進行修路,因而投資成本會大大增加。同時灰場本身又是一個大的二次污染源。
2.2 灰、渣處理的改進方法
隨著國家節(jié)能減排力度的加大,目前國內(nèi)少部分電開始對電力生產(chǎn)后的灰、渣處理方法在逐步的改進,例如廣東梅縣荷樹園電廠,該電廠將電力生產(chǎn)后的灰、渣進行制磚。再如內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,該電廠將電力生產(chǎn)后的灰、渣進行高摻量粉煤灰水泥制做。下面對高摻量粉煤灰水泥技術(shù)進行詳細介紹。
3 高摻量粉煤灰水泥技術(shù)分析
3.1 高摻量粉煤灰水泥技術(shù)來源與發(fā)展
“高摻量粉煤灰水泥”技術(shù)是藍資公司原創(chuàng)人——清華大學(xué)“長江計劃”特聘教授孫恒虎所發(fā)明的新型膠凝材料。它采用全新的科學(xué)理念,工藝簡單、方便。截然不同于傳統(tǒng)水泥的生產(chǎn)工藝�！案邠搅糠勖夯宜唷奔夹g(shù)是藍資集團創(chuàng)新性技術(shù)。
清華大學(xué)與藍資集團聯(lián)合建立的清華——藍資高摻量粉煤灰水泥聯(lián)合實驗室,集合了企業(yè)資源與高科技資源雙方優(yōu)勢,大大推進了高摻量粉煤灰水泥技術(shù)大研發(fā)進程。高摻量粉煤灰水泥從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)歷了基礎(chǔ)研究——配比分析——樣品性能研究——小試生產(chǎn)研究——高摻量粉煤灰水泥混凝土性能研究——中試生產(chǎn)研究——高摻量粉煤灰水泥產(chǎn)品中試應(yīng)用研究7步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲羞^程,形成了一個完善的從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化推廣的閉路循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展體系。確保了整個產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。
目前,藍資集團已在柳州、通化、燕郊等地新建了5條生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力達200萬t/年；在鄭州、包頭、永州、青島、赤峰、株洲等地提升改造了12家傳統(tǒng)水泥廠,其總的生產(chǎn)能力已達到320萬t/年以上。高摻量粉煤灰水泥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程取得了飛速發(fā)展。在此過程中,藍資集團在生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制、實驗方法、檢驗規(guī)則、包裝、標(biāo)志、運輸與存儲等一系列環(huán)節(jié)中不斷探索自身的操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。形成了一套完整的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝體系和質(zhì)量管理體系。并在河北、吉林、江西、廣西4省區(qū)取得了省級備案的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 “高摻量粉煤灰水泥”的涵義
高摻量粉煤灰水泥技術(shù)是依據(jù)大地成巖理論和自然界相容原理,以主體和配體的二元組分設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心,初步形成的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術(shù)體系。高摻量粉煤灰水泥包括三個含義：高摻量粉煤灰水泥代表一套仿地成巖理論,高摻量粉煤灰水泥是凝結(jié)起來的石頭,具有與大自然相容的組織和堅硬、耐久的類巖石性能,是對大地成巖仿真的實踐；高摻量粉煤灰水泥又代表一種社會經(jīng)濟的綠色循環(huán),高摻量粉煤灰水泥可以全面利用固體排放物,可以清潔生產(chǎn),可以制備高摻量粉煤灰水泥水泥,高摻量粉煤灰水泥節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護生態(tài),是資源——能源——環(huán)境——材料領(lǐng)域良性循環(huán)的載體；高摻量粉煤灰水泥還代表一代新的建筑膠凝材料文明,人類建筑文明經(jīng)歷了千年的石灰“三合土”時代、百年的水泥“混凝土”時代,即將迎來可持續(xù)發(fā)展的第三代建筑膠凝材料文明。
3.3 技術(shù)的先進性及其優(yōu)勢
“高摻量粉煤灰水泥”技術(shù)的產(chǎn)生,首先是對水泥制造與利用在科學(xué)理論上的突破。歷經(jīng)180年歷史的波特蘭水泥材料和“兩磨一燒”工藝已經(jīng)對世界工業(yè)化產(chǎn)生了巨大的作用,而“高摻量粉煤灰水泥”技術(shù)則對傳統(tǒng)“兩磨一燒”水泥材料和生產(chǎn)工藝帶來革命性的“改頭換面”。
普通水泥的生產(chǎn)由于要以石灰石為主要原料煅燒水泥熟料,引起嚴(yán)重的環(huán)境污染、生態(tài)破壞、能源浪費、資源枯竭等一系列問題。高摻量粉煤灰水泥的生產(chǎn)與使用過程是火山成巖過程的仿真。高摻量粉煤灰水泥生產(chǎn)的能耗不足普通硅酸鹽水泥的70%,幾乎不產(chǎn)生污染物,是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色膠凝材料。
高摻量粉煤灰水泥是根據(jù)火山成巖原理,以循環(huán)經(jīng)濟思想為指導(dǎo),運用地球化學(xué)、巖石礦物學(xué)理論、分子設(shè)計理論以及材料仿地設(shè)計原則等手段,對工業(yè)固體排放物(如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等)進行匹配設(shè)計,所獲得的能夠在常溫常壓下聚合成類天然巖石的生態(tài)膠凝材料�！案邠搅糠勖夯宜唷痹峡蓙碜凿撹F廠、火力發(fā)電廠、化工廠等的廢渣,產(chǎn)品中廢棄物原料含量可達到70%以上(最高時可超過90%)。
高摻量粉煤灰水泥技術(shù)所制備的高摻量粉煤灰水泥不僅符合GB175－1999國家標(biāo)準(zhǔn)對普通硅酸鹽水泥所規(guī)定的各項性能指標(biāo),它本身還有許多特殊的性能,如在耐酸性、抗凍融、抗?jié)B性、固結(jié)重金屬和有機毒物的能力都比傳統(tǒng)水泥能力更強。高摻量粉煤灰水泥的體積穩(wěn)定性也很好,經(jīng)測試7d的線收縮率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的則只有1/8~1/9。
高摻量粉煤灰水泥技術(shù)較之傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)方法,有幾大優(yōu)勢，包括投資少,以一個年產(chǎn)百萬噸產(chǎn)品的工廠為例,建水泥廠需要2.5~3.5億元,而“高摻量粉煤灰水泥”只需要0.6~1.2億元；生產(chǎn)過程簡化,無須燒制,用“一磨”取代原來的“兩磨一燒”;環(huán)保,無煙、無粉塵、無廢水排放；能耗低,綜合能耗比水泥低30%以上；節(jié)約原材料,無需開山炸石,工業(yè)廢料摻量最高可達90%以上。生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)水泥產(chǎn)品低20%以上；性能優(yōu)異,技術(shù)上不僅達到了普通硅酸鹽水泥的國家標(biāo)準(zhǔn),而且具備許多超越水泥的特殊性能,具備更強的競爭力,發(fā)展前景廣闊。 3.4 高摻量粉煤灰水泥技術(shù)特征
3.4.1 優(yōu)異的結(jié)合性及高強度特征
高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料與一般硅酸鹽類和碳酸鹽類粗細骨料都會發(fā)生界面反應(yīng),但仍保持好的體積穩(wěn)定性。這種界面反應(yīng)的結(jié)果是形成梯度界面,再加上膠凝材料硬化體本身是以共價鍵為主的三維網(wǎng)絡(luò)體,從而形成包括各種骨料在內(nèi)的從里到外的共價鍵結(jié)合的整體。而普通水泥類膠凝材料一般認為是范德華力和表面作用為主與骨料結(jié)合的。因此高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料可以容易地制成高強度的制品,并有充足的強度后期發(fā)展余量。目前高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料的硬化最高強度可以達到300MPa。
3.4.2 良好的耐久性和體積穩(wěn)定性
普通水泥制品中由于含有大量的Ca(OH)2,可導(dǎo)致在服役過程中碳化溶出、酸蝕、硫酸鹽侵蝕等化學(xué)反應(yīng),而高摻量粉煤灰水泥制品中基本不含Ca(OH)2,因此上述影響耐久性的反應(yīng)基本不會發(fā)生。已有的實驗表明,高摻量粉煤灰水泥制品的抗凍融性是普通水泥制品的3~10倍。在普通水泥的常見應(yīng)用領(lǐng)域中使用高摻量粉煤灰水泥作為膠凝材料,其制品抵抗外界物理化學(xué)作用的能力可以比水泥制品高出5~20倍。高摻量粉煤灰水泥在凝結(jié)硬化和使用過程中具有良好的體積穩(wěn)定性,其7d線收縮率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的線收縮率只有普通水泥的1/8~1/9。
3.4.3 高的耐酸堿侵蝕能力
高摻量粉煤灰水泥具有良好的耐酸堿侵蝕性,在5%硫酸鹽溶液中的分解率只有硅酸鹽水泥的1/13；在5%鹽酸鹽溶液中的分解率只有硅酸鹽水泥的1/12；使用高摻量粉煤灰水泥作為膠凝材料制成的塊狀用品其耐酸性達到99.9wt%,達到商品耐酸磚的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB8488-87)。耐堿性為99.92wt%,達到玻璃馬賽克的耐堿性國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7697-89)。
3.4.4 極好的耐高溫性
高摻量粉煤灰水泥與普通水泥相比,具有極好的高溫體積穩(wěn)定性,其400℃下的線收縮率為0.2%~1%,800℃下的線收縮率為0.2%~2%,可以保持60%以上的原始程度,是制備耐熱混凝土的優(yōu)良材料。
3.4.5 凝結(jié)硬化實踐具有靈活的可調(diào)性
緩凝性的高摻量粉煤灰水泥膠凝材料具有比普通水泥更長的初凝時間,而速凝快硬型高摻量粉煤灰水泥膠凝材料可實現(xiàn)10min終凝,1h抗壓強度可達到15MPa以上,24h抗壓強度可達到50MPa以上。
3.4.6 超強的固土能力
所有高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料都能與粘土和細沙形成良好的結(jié)合。專門用于固土的土工高摻量粉煤灰水泥其固土能力是同標(biāo)號水泥的3倍以上。
3.4.7 極低的水化熱
高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料的水化——硬化過程與普通水泥膠凝材料不同,是以硅酸鹽類礦物(或玻璃體)的溶解——再聚合為主要形式,從理論上說,解聚過程所需要的能量與再聚合過程中所放出的能量基本相等,因此體系的宏觀水化熱接近于零。大量的實驗室試驗證明了這一點。
3.4.8 好的固結(jié)性能
高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料用于固結(jié)重金屬離子、放射性元素等有毒有害物質(zhì),其在各種條件下的抗溶出能力是水泥硬化的5~10倍。高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料可用海水直接拌合,其硬化體具有優(yōu)異的抗海水侵蝕性。
3.5 高摻量粉煤灰水泥應(yīng)用領(lǐng)域
3.5.1 建筑領(lǐng)域
建筑高摻量粉煤灰水泥除了具有普通水泥所不具有的一些特殊優(yōu)異性能外,完全滿足目前建筑常用水泥的各項性能指標(biāo),因此技術(shù)上可替代水泥應(yīng)用于所有的建筑領(lǐng)域,如混凝土、預(yù)制件、砌筑、抹面、地基處理,以及適用于普通水泥的所有墻體材料和屋面材料。
3.5.2 交通領(lǐng)域
道路高摻量粉煤灰水泥與目前常用的道路水泥相對應(yīng),特別適合于制備高摻量粉煤灰水泥混凝土路面。道路高摻量粉煤灰水泥除了具備道路水泥的全部性能外,還具有明顯的高抗折強度、高耐磨性、快干早硬和充足的后期強度增長空間。
土工高摻量粉煤灰水泥與各類粘土顆粒、各類沙礫及巖石都具有天然的親和性,將土工高摻量粉煤灰水泥用于軟地基土層的處理(GBJT-89),當(dāng)加入量為6%時,其7d抗壓強度可達8~10MPa,因此可用于路基處理。
高摻量粉煤灰水泥特有的遠遠高于普通水泥制品的耐久性,抗堿、酸、鹽及其它環(huán)境污染物侵蝕的能力使得高摻量粉煤灰水泥特別適合于制備超交通負荷條件下的混凝土橋梁及其它交通設(shè)施。
3.5.3 巖土工程領(lǐng)域
基于高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料的高粘結(jié)性、高強度和速凝快硬等特點,是高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料比水泥類膠凝材料更適合于巖土工程領(lǐng)域用于高強度錨固灌漿。利用高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料優(yōu)良的固土性能可將高摻量粉煤灰水泥用于各種樁基工程、路基加固、深基坑處理、塌方的防治,以及地下溶洞的充填等。
3.5.4 礦業(yè)工程領(lǐng)域
高摻量粉煤灰水泥在礦業(yè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用是本材料最具挑戰(zhàn)性也最具成熟經(jīng)驗的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合充填采礦方法將其應(yīng)用于有色、黃金、煤田及其它礦種的高效可持續(xù)開采及“三下”開采�？梢源蠓冉档统涮畛杀�(與使用普通水泥相比),同時有助于解決開采、運輸技術(shù)上的的許多難題。
3.5.5 水利工程及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
高摻量粉煤灰水泥材料特有的接近于零的水化熱、超強的抗溶出能力及其固土化優(yōu)良的體積穩(wěn)定性使得高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料特別適合于建設(shè)超大體積的混凝土大壩及其它水利工程和農(nóng)業(yè)基本設(shè)施。利用高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料速凝快硬的特點可應(yīng)用于抗洪搶險工程。
3.5.6 工業(yè)建設(shè)安裝領(lǐng)域
高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料所具有的耐酸、耐堿、耐高溫、快干早硬、高強等綜合性能,使其特別適合于各類工業(yè)安裝工程。如可用于各種設(shè)備基礎(chǔ)的快速澆注、快速安裝,特別適合各種高溫設(shè)備的耐熱混凝土基礎(chǔ)工程。在電力行業(yè),60萬kW大型機組所配套的鍋爐煙囪,每根造價約3 000萬元,其中花在防酸耐熱工程部分的費用就占整體造價的50%以上,如果用高摻量粉煤灰水泥作為膠凝材料直接澆筑耐酸混凝土,不但整體造價可下降50%以上,還能大幅度縮短工期,延長使用壽命。耐酸高摻量粉煤灰水泥可用于工業(yè)領(lǐng)域各種強酸、強堿的容器及管道建設(shè)。
3.5.7 海洋工程領(lǐng)域
用高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料制備海洋工程混凝土要比現(xiàn)有的水泥混凝土具有更好的耐久性,并可直接用于海水?dāng)嚭稀?/p>
3.6 高摻量粉煤灰水泥替代水泥的可能性
高摻量粉煤灰水泥技術(shù)是以各種工業(yè)廢棄物(如冶金渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥及其它工業(yè)煤渣等),在常溫常壓下生產(chǎn)高性能新型建材和硅鋁基水泥產(chǎn)品。該技術(shù)不僅利用廢灰渣、變廢為寶、節(jié)約大量資源和能源,從根本上減少傳統(tǒng)工業(yè)造成的污染,創(chuàng)造了清潔生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展的新型建材工業(yè)模式,而且由于高摻量粉煤灰水泥系列產(chǎn)品具有高強度、高致密度、高耐腐蝕性及綠色化和生態(tài)化等優(yōu)點,使高摻量粉煤灰水泥產(chǎn)品可廣泛用于水利工程、道路工程、礦業(yè)工程、固土固沙工程、建筑工程以及軍事工程等領(lǐng)域。高摻量粉煤灰水泥在很多用途上可以替代傳統(tǒng)水泥產(chǎn)品,而且具有比傳統(tǒng)水泥產(chǎn)品更優(yōu)越的性能。隨著高摻量粉煤灰水泥產(chǎn)業(yè)化的進一步發(fā)展,高摻量粉煤灰水泥產(chǎn)品替代水泥產(chǎn)品也越來越具備可能性。
(1)長期以來,水泥生產(chǎn)污染嚴(yán)重。我國2005年水泥總產(chǎn)量10.6億t,位居世界第一,而10億t水泥要消耗11億t的石灰石資源、排放約8億t的二氧化碳(CO2)、80萬t的三氧化硫(SO3)、160萬t的氮氧化合物和800萬t的粉塵。而高摻量粉煤灰水泥生產(chǎn)的污染物排放可接近于零,因此它的推廣可以使水泥工業(yè)的污染大幅度降低,直至全部消除。
(2)水泥原材料資源有限,社會呼喚新型替代產(chǎn)品。根據(jù)中國建材工業(yè)協(xié)會的報告,我國適宜燒制水泥的石灰石儲量為450億t,其中可開采儲量為250億t,按2003年的水泥產(chǎn)量計算,再過30年我國水泥的原材料資源就面臨枯竭。因此,實現(xiàn)資源的高效、循環(huán)利用就成為當(dāng)務(wù)之急。顯然,高摻量粉煤灰水泥技術(shù)為完成這一重大歷史使命開辟了一條新路。
(3)高摻量粉煤灰水泥技術(shù)有望帶來可觀的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計,目前我國可直接作為高摻量粉煤灰水泥主體材料的廢渣,與現(xiàn)有水泥的年產(chǎn)量(10億t/年)幾乎相等。以全國年產(chǎn)10億t高摻量粉煤灰水泥計算,由于生產(chǎn)高摻量粉煤灰水泥比生產(chǎn)水泥節(jié)能30%以上,因而其生產(chǎn)成本下降顯著,僅以簡單替代水泥來考慮,就可以取得數(shù)百億元的直接經(jīng)濟效益。
內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司#1機于2010年8月2日通過168h滿負荷試運行,#2機于2010年10月4日通過168h滿負荷試運行,2臺機組先后于當(dāng)年的9月份和11份通過安評并獲得試生產(chǎn)許可證,將電能通過蒙西網(wǎng)送直接送到華北網(wǎng),燃料主要以摻燒當(dāng)?shù)叵疵簭U棄的煤矸石和洗中煤為主。該電廠配套的水泥廠2009年5月28日開始試生產(chǎn),2009年12月15日通過環(huán)評,2010年5月28日取得生產(chǎn)許可證,目前年產(chǎn)水泥可達60萬t,遠銷寧夏、陜西、內(nèi)蒙中部地區(qū)和蒙古國。
4 結(jié)語
內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司電廠和配套的高摻量粉煤灰水泥粉磨站均運行正常,真正實現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟——最大限度利用電廠粉煤灰生產(chǎn)水泥的目的。電廠二期和水泥廠二期項目已經(jīng)開始啟動�？梢灶A(yù)言隨著國家能源政策的不斷完善,資源的綜合利用將會加速推進,屆時將會出現(xiàn)“工業(yè)——民用”一體化、“煤——電——化工——冶金”一體化的格局,到那時的中國會真正成為一個節(jié)能、環(huán)保、高效、持續(xù)、高度發(fā)達的國家。
參考文獻：
［1］ 黨黎軍.循環(huán)流化床鍋爐的啟動調(diào)試與安全運行［M］.北京：中國電力出版社,2003.
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