京海煤矸石發電及高摻量粉煤灰水泥的綜合利用

董志乾,劉永良,宋遂民 ,郝尚勇

(內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司,內蒙古烏海016000)

1 引言

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司一期建設規模為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500kV 3/2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量為60萬t高摻量粉煤灰的水泥廠。

內蒙古京海煤矸石發電公司出線采用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水優勢。汽輪機采用抽汽冷凝式,既可以為工業用電做出自身的貢獻,又可以為居民集中供暖服務,實現了“工業-民用”一體化,較純凝式發電機組有著明顯的民生優勢。該廠采用循環流化床鍋爐,流態化的燃燒,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爐內脫硫,同時該鍋爐燃用煤種適應性較強,摻燒煤矸石的比例可達到70%。該廠水源采用城市中水,這對城市中的工業廢水、生活污水的回收再利用起著致關重要的作用,較采用地下水、湖泊、江海等水源的電廠有著無法比擬的優勢。廠一期配套有一個年產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水泥,因而又突出體現了“廢物”再利用的優勢。

2 國內電力生產后的灰、渣處理現狀及改進方法

2.1 目前國內電力生產后的灰、渣處理現狀

到目前為止,國內大部分燃煤發電機組,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到灰場。從中可以看出,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

隨著國家節能減排力度的加大,目前國內少部分電開始對電力生產后的灰、渣處理方法在逐步的改進,例如廣東梅縣荷樹園電廠,該電廠將電力生產后的灰、渣進行制磚。再如內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司,該電廠將電力生產后的灰、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進行詳細介紹。

3 高摻量粉煤灰水泥技術分析

3.1 高摻量粉煤灰水泥技術來源與發展

“高摻量粉煤灰水泥”技術是藍資公司原創人——清華大學“長江計劃”特聘教授孫恒虎所發明的新型膠凝材料。它采用全新的科學理念,工藝簡單、方便。截然不同于傳統水泥的生產工藝。“高摻量粉煤灰水泥”技術是藍資集團創新性技術。

清華大學與藍資集團聯合建立的清華——藍資高摻量粉煤灰水泥聯合實驗室,集合了企業資源與高科技資源雙方優勢,大大推進了高摻量粉煤灰水泥技術大研發進程。高摻量粉煤灰水泥從基礎研究到產業化應用經歷了基礎研究——配比分析——樣品性能研究——小試生產研究——高摻量粉煤灰水泥混凝土性能研究——中試生產研究——高摻量粉煤灰水泥產品中試應用研究7步嚴謹的科研過程,形成了一個完善的從基礎研究到產業化推廣的閉路循環系統發展體系。確保了整個產業化應用過程的嚴謹性和可靠性。

目前,藍資集團已在柳州、通化、燕郊等地新建了5條生產線,生產能力達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家傳統水泥廠,其總的生產能力已達到320萬t/年以上。高摻量粉煤灰水泥技術產業化進程取得了飛速發展。在此過程中,藍資集團在生產控制、質量控制、實驗方法、檢驗規則、包裝、標志、運輸與存儲等一系列環節中不斷探索自身的操作標準規程。形成了一套完整的產業化技術工藝體系和質量管理體系。并在河北、吉林、江西、廣西4省區取得了省級備案的企業標準。

3.2 “高摻量粉煤灰水泥”的涵義

高摻量粉煤灰水泥技術是依據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計和結構設計為核心,初步形成的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術體系。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濟的綠色循環,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,可以制備高摻量粉煤灰水泥水泥,高摻量粉煤灰水泥節省資源、節約能源、保護生態,是資源——能源——環境——材料領域良性循環的載體;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,即將迎來可持續發展的第三代建筑膠凝材料文明。

3.3 技術的先進性及其優勢

“高摻量粉煤灰水泥”技術的產生,首先是對水泥制造與利用在科學理論上的突破。歷經180年歷史的波特蘭水泥材料和“兩磨一燒”工藝已經對世界工業化產生了巨大的作用,而“高摻量粉煤灰水泥”技術則對傳統“兩磨一燒”水泥材料和生產工藝帶來革命性的“改頭換面”。

普通水泥的生產由于要以石灰石為主要原料煅燒水泥熟料,引起嚴重的環境污染、生態破壞、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的能耗不足普通硅酸鹽水泥的70%,幾乎不產生污染物,是21世紀最具發展潛力的綠色膠凝材料。

高摻量粉煤灰水泥是根據火山成巖原理,以循環經濟思想為指導,運用地球化學、巖石礦物學理論、分子設計理論以及材料仿地設計原則等手段,對工業固體排放物(如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等)進行匹配設計,所獲得的能夠在常溫常壓下聚合成類天然巖石的生態膠凝材料。“高摻量粉煤灰水泥”原料可來自鋼鐵廠、火力發電廠、化工廠等的廢渣,產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所制備的高摻量粉煤灰水泥不僅符合GB175-1999國家標準對普通硅酸鹽水泥所規定的各項性能指標,它本身還有許多特殊的性能,如在耐酸性、抗凍融、抗滲性、固結重金屬和有機毒物的能力都比傳統水泥能力更強。高摻量粉煤灰水泥的體積穩定性也很好,經測試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較之傳統的水泥生產方法,有幾大優勢,包括投資少,以一個年產百萬噸產品的工廠為例,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;生產過程簡化,無須燒制,用“一磨”取代原來的“兩磨一燒”;環保,無煙、無粉塵、無廢水排放;能耗低,綜合能耗比水泥低30%以上;節約原材料,無需開山炸石,工業廢料摻量最高可達90%以上。生產成本較傳統水泥產品低20%以上;性能優異,技術上不僅達到了普通硅酸鹽水泥的國家標準,而且具備許多超越水泥的特殊性能,具備更強的競爭力,發展前景廣闊。

3.4 高摻量粉煤灰水泥技術特征

3.4.1 優異的結合性及高強度特征

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生界面反應,但仍保持好的體積穩定性。這種界面反應的結果是形成梯度界面,再加上膠凝材料硬化體本身是以共價鍵為主的三維網絡體,從而形成包括各種骨料在內的從里到外的共價鍵結合的整體。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定性

普通水泥制品中由于含有大量的Ca(OH)2,可導致在服役過程中碳化溶出、酸蝕、硫酸鹽侵蝕等化學反應,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基本不會發生。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。有關專家預測,在普通水泥的常見應用領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硬化和使用過程中具有良好的體積穩定性,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99.9w t%,達到商品耐酸磚的國家標準(GB8488-87)。耐堿性為99.92w t%,達到玻璃馬賽克的耐堿性國家標準(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良材料。

3.4.5 凝結硬化實踐具有靈活的可調性

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 好的固結性能

高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料用于固結重金屬離子、放射性元素等有毒有害物質,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,其硬化體具有優異的抗海水侵蝕性。

3.5 高摻量粉煤灰水泥應用領域

3.5.1 建筑領域

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異性能外,完全滿足目前建筑常用水泥的各項性能指標,因此技術上可替代水泥應用于所有的建筑領域,如混凝土、預制件、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 交通領域

道路高摻量粉煤灰水泥與目前常用的道路水泥相對應,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),當加入量為6%時,其7d抗壓強度可達8～10M Pa,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施。

3.5.3 巖土工程領域

基于高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料的高粘結性、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 礦業工程領域

高摻量粉煤灰水泥在礦業工程領域的應用是本材料最具挑戰性也最具成熟經驗的應用領域。結合充填采礦方法將其應用于有色、黃金、煤田及其它礦種的高效可持續開采及“三下”開采。可以大幅度降低充填成本(與使用普通水泥相比),同時有助于解決開采、運輸技術上的的許多難題。

3.5.5 水利工程及農業領域

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良的體積穩定性使得高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料特別適合于建設超大體積的混凝土大壩及其它水利工程和農業基本設施。利用高摻量粉煤灰水泥類膠凝材料速凝快硬的特點可應用于抗洪搶險工程。

3.5.6 工業建設安裝領域

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安裝工程。如可用于各種設備基礎的快速澆注、快速安裝,特別適合各種高溫設備的耐熱混凝土基礎工程。在電力行業,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領域各種強酸、強堿的容器及管道建設。

3.5.7 海洋工程領域

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有的水泥混凝土具有更好的耐久性,并可直接用于海水攪合。

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是以各種工業廢棄物(如冶金渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥及其它工業煤渣等),在常溫常壓下生產高性能新型建材和硅鋁基水泥產品。該技術不僅利用廢灰渣、變廢為寶、節約大量資源和能源,從根本上減少傳統工業造成的污染,創造了清潔生產、可持續發展的新型建材工業模式,而且由于高摻量粉煤灰水泥系列產品具有高強度、高致密度、高耐腐蝕性及綠色化和生態化等優點,使高摻量粉煤灰水泥產品可廣泛用于水利工程、道路工程、礦業工程、固土固沙工程、建筑工程以及軍事工程等領域。高摻量粉煤灰水泥在很多用途上可以替代傳統水泥產品,而且具有比傳統水泥產品更優越的性能。隨著高摻量粉煤灰水泥產業化的進一步發展,高摻量粉煤灰水泥產品替代水泥產品也越來越具備可能性。

(1)長期以來,水泥生產污染嚴重。我國2005年水泥總產量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的污染物排放可接近于零,因此它的推廣可以使水泥工業的污染大幅度降低,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品。根據中國建材工業協會的報告,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,實現資源的高效、循環利用就成為當務之急。顯然,高摻量粉煤灰水泥技術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有望帶來可觀的經濟效益。據統計,目前我國可直接作為高摻量粉煤灰水泥主體材料的廢渣,與現有水泥的年產量(10億t/年)幾乎相等。以全國年產10億t高摻量粉煤灰水泥計算,由于生產高摻量粉煤灰水泥比生產水泥節能30%以上,因而其生產成本下降顯著,僅以簡單替代水泥來考慮,就可以取得數百億元的直接經濟效益。

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司#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臺機組先后于當年的9月份和11份通過安評并獲得試生產許可證,將電能通過蒙西網送直接送到華北網,燃料主要以摻燒當地洗煤廢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,2009年12月15日通過環評,2010年5月28日取得生產許可證,目前年產水泥可達60萬t,遠銷寧夏、陜西、內蒙中部地區和蒙古國。

4 結語

內蒙古京海煤矸石發電有限責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,真正實現了循環經濟——最大限度利用電廠粉煤灰生產水泥的目的。電廠二期和水泥廠二期項目已經開始啟動。可以預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“工業——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能、環保、高效、持續、高度發達的國家。

[1]黨黎軍.循環流化床鍋爐的啟動調試與安全運行[M].北京：中國電力出版社,2003.