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新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究

时间:2023-03-08 来源:煤炭科学技术 分享:

新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究*

黄艳利1,3,王文峰4,卞正富1,2

(1.中国矿业大学,煤炭资源与安全开采国家重点实验室,矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 教育部矿山生态修复工程中心,江苏 徐州 221116;3.新疆工程学院,矿业工程与地质学院,新疆 乌鲁木齐 830023;4.新疆大学,地质与矿业工程学院,新疆 乌鲁木齐 830046)

摘 要:新疆煤炭资源储量丰富,是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区,开发利用过程中产生的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明:吐哈、准噶尔、伊犁、库拜四大煤田产生的煤基固废的理化特征存在明显地区差异,以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、黏土岩、钙质岩为主;通过对典型煤基固废的综合评价,提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式;提出了以煤基固废的就地充填为基础,协同发展保水开采、净水开采、储能开采等煤基固废利用的新方法,探讨了煤基固废-电-化、煤基固废-电-建等高附加值开发利用产业布局模式,详细阐述了煤基固废的发电利用、建材利用、化工产品制备、充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线,提出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。

关键词:新疆;煤基固废;资源化利用;充填开采

0 引 言

新疆煤炭资源丰富,预测资源量2.19万亿t,约占全国预测储量的39.3%[1]。新疆原煤产量逐年上升,2019年全区煤炭产量达2.38亿t,同比增长24.9%。根据国家能源战略部署和自治区经济社会发展需要,新疆是我国第14个现代化大型煤炭基地,同时已逐步形成以吐哈、准噶尔、伊犁、库拜4大煤田为中心的重要能源接替区和战略能源储备区[2-3]。煤基固废属于煤炭资源在开采、加工、燃烧的整个过程的附属产物,以煤矸石、粉煤灰最为常见,通常作为固体废弃物排放到地面,形成煤矸石或粉煤灰堆场。新疆地区属干旱、半干旱气候,生态环境极其脆弱,土地沙漠化面积达7.958×105 km2,是我国荒漠化危害最严重的地区之一[4]。煤基固废的大量排放不仅压占大量土地资源,还会加剧新疆水土流失、地质沙漠化以及地下水污染等生态环境破坏问题。

新疆开采条件特殊,与中东部地区及晋陕蒙接壤地区存在较大差异,尤其是煤炭赋存条件及脆弱生态环境,煤基固废大规模排放引起的生态环境问题尤为突出。新疆煤层埋藏深度浅,平均不足200 m,特厚/巨厚煤层在新疆各煤田中广泛赋存,且煤炭开采多采用先进的综放开采、大采高综采与露天开采技术,煤基固废产量大、产速快,且输送至地面距离短,煤基固废的堆积量远高于消耗量。新疆煤炭资源成煤年代多为早-中侏罗纪,加之全区成煤地质作用程度不一,导致煤基固废化学组分具有显著差异,煤基固废的消纳处理难以实现统一化。新疆辖区面积166万km2,煤炭开采以4大整装煤田为基点集中布置,在单一煤田内零星分散,受运输距离、处理成本及用户范围等限制,难以满足煤基固废集中化处理的要求。新疆富煤区域多为荒漠绿洲生态系统集中分布区域,多数地区土地荒漠化严重,地表植被以矮小、根系欠发达的灌木类为主,多属于荒漠化植被类型,比之树形高大、根系发达的乔木类,环境污染的自修复能力较差,煤基固废堆积产生的污染物易透过砂土层污染浅埋含水层,且污染范围大,对脆弱生态环境的损害严峻。总体而言,新疆地区煤基固废的排放与处理形势不容乐观,亟需有针对性地加强煤基固废的规模化处置及资源化利用理论与技术研究,为守护新疆的“绿水青山”、为国家能源战略西移和生态环境保护提供必要的理论与技术支撑。

目前,国内外关于新疆主要煤区煤矸石的规模化处置与资源化利用方面比较系统的资料鲜有报道,中东部地区已经积累的煤基固废处理的做法不完全适用于新疆地区。基于此,归纳总结新疆煤基固废的理化特征以及分类形式,在其地质背景基础上构建适宜新疆地区煤基固废规模化处置和资源化利用模式,详细分析各种煤基固废综合利用与处理方法的原理、优缺点、处理效率和适用条件等,提出加快新疆煤基固废资源化开发利用研究的建议,为加快推进新疆煤基固废综合利用技术装备水平,为新疆地区煤基固废资源化利用及矿区生态环境保护提供有益借鉴。

1 新疆煤基固废的区域分布规律

煤基固废主要包括煤矸石、粉煤灰、锅炉渣以及少量的煤气化灰渣、煤液化残渣和烟气脱硫石膏等。其中,煤矸石、粉煤灰是最为常见、污染最重的煤基固体废弃物,粉煤灰是在以煤为能源的火力发电厂排出,其理化性质主要取决于原料煤性质和锅炉炉型[5];煤矸石是采煤和洗煤过程所排出,其理化性质主要取决于煤的原生状态。因此,选取煤矸石为典型代表,分析总结新疆主要煤区煤基固废的区域分布规律。

1.1 新疆主要煤区煤矸石的理化特征

煤矸石赋存于不同地质年代的煤田中,其矿物晶体与化学组分构成多与成煤原始物质及变质程度相关。在4大整装煤田区域内选取18个煤矿区的煤矸石作为统计样品,包括准格尔煤田10个、吐哈煤田4个、伊犁煤田3个和库拜煤田1个,样品详细信息见表1。按照矸石来源、岩石类型、固定碳含量、Al2O3/SiO2、Fe2O3含量、(CaO+MgO)含量及热值等指标[6]对煤矸石进行分类(表2)。因统计样本数据有限,难以真正反映辖区内煤矸石的理化特征,仅对数据样本做出参考性分析。由表1可知:

表1 新疆主要煤区煤矸石化学成分[7-16]
Table 1 Chemical composition of coal gangue in main coal areas in Xinjiang[7-16]

煤田样品编号准噶尔煤田吐哈煤田伊犁煤田库拜煤田123456789101112131415161718煤矿区硫磺沟矿五彩湾矿准东某矿六道湾煤矿苇湖梁煤矿凯源塔城石河子乌昌某兵团煤矿哈1矿哈2矿哈露矿吐鲁番鄯善县伊喀矿伊达矿伊达县某矿阿克苏化学组分及性质烧失量22.1818.221.933.242.0993.01.4951.90.92w(SiO2)/%48.9770.2547.455.5766.611.0027.4617.763.98w(Fe2O3)/%5.381.019.9115.124.682.402.381.777.6w(Al2O3)/%12.534.6813.2517.0717.450.4717.725.7217.71w(CaO)/%3.721.221.633.951.070.460.1515.14.3w(MgO)/%4.881.11.791.702.280.232.134.541.92热值/(kJ/kg)49134401FCad/%3.766.223.7644.425.1621.151.877800—69.1968.972.383.569.0755.441.026.610.680.760.4664.2067.919.7171.7662.262.914.041.405.471.082.242.258.320.230.200.3017.2917.142.4720.3816.5718.5215.7418.262.501.8914.220.921.3215.1513.9114.001.591.6218.271.233.36170531701918054—175612253——30.7330.9533.79—0.4515.27——类型划分按矸石来源分煤巷矸剥离矸—煤巷矸煤巷矸———选煤矸—手选矸自燃矸手选矸选煤矸剥离矸煤巷矸选煤矸选煤矸按岩石类型分黏土岩砂岩黏土岩黏土岩黏土岩—黏土岩钙质岩黏土岩黏土岩钙质岩钙质岩钙质岩黏土岩砂岩钙质岩黏土岩黏土岩按碳含量分一类三类一类一类一类四类一类三类一类二类四类四类四类一类一类三类一类一类按Fe2O3相对质量分数分次高铁中铁高铁高铁中铁低铁低铁低铁高铁高铁中铁次高铁低铁高铁中铁中铁中铁高铁按Al2O3/SiO2分低铝低铝低铝低铝低铝高铝高铝中铝低铝中铝中铝低铝低铝低铝低铝低铝低铝低铝按CaO+MgO分中钙低钙低钙中钙低钙低钙低钙高钙中钙低钙高钙高钙高钙中钙低钙高钙低钙中钙

注:1为硫磺沟矿;2位五彩湾矿;3位准东某矿;4为六道湾煤矿;5为苇湖梁煤矿;6为凯源;7为塔城;8为石河子;9为乌昌;10为某兵团煤矿;11为哈1矿;12为哈2矿;13为哈露矿;14为吐鲁番鄯善县;15为伊喀矿;16为伊达矿;17为伊达县某矿;18为阿克苏;a单位为%;b单位为kJ/kg

表2 新疆主要煤区煤矸类型划分[7-16]
Table 1 composition of coal gangue in main coal areas in Xinjiang[7-16]

注:1为硫磺沟矿;2位五彩湾矿;3位准东某矿;4为六道湾煤矿;5为苇湖梁煤矿;6为凯源;7为塔城;8为石河子;9为乌昌;10为某兵团煤矿;11为哈1矿;12为哈2矿;13为哈露矿;14为吐鲁番鄯善县;15为伊喀矿;16为伊达矿;17为伊达县某矿;18为阿克苏

1)准噶尔煤田内以黏土岩、砂岩类煤矸石为主,1~5、9、10号煤矸石SiO2相对质量分数为44.42%~70.25%,6~8号煤矸石SiO2相对质量分数小于30%;1、3~5、7、9、10号煤矸石Al2O3相对质量分数为12.53%~21.15%,Al2O3含量相对较高,多数为中低铝煤矸石,当Al2O3相对质量分数小于35%时,不适宜直接提取铝元素和铝系产品;除6~8号煤矸石除外,其它煤矸石SiO2+Al2O3相对质量分数均大于60%;Fe2O3相对质量分数为1.01%~9.91%,多数属于少铁或中铁煤矸石,仅有4号煤矸石Fe2O3相对质量分数大于15%,Fe2O3主要影响烧结制品的颜色和烧成温度;CaO+MgO相对质量分数为0.69%~8.6%,属于少钙或中钙煤矸石,仅有8号煤矸石CaO+MgO相对质量分数大于15%,属于高钙煤矸石;准噶尔煤田内煤矸石烧失量多数小于25%,固定碳含量较低,热值相对较低。

2)吐哈煤田内吐鲁番和哈密地区煤矸石具有显著差异,11~13号煤矸石地处哈密地区,煤矸石成分接近,SiO2、Al2O3、Fe2O3的相对质量分数均小于5%,CaO+MgO的相对质量分数超过30%,属于钙质岩矸石,烧失量将近70%,按碳含量分属四类煤矸石,热值较高;而吐鲁番地区的14号煤矸石主要以SiO2、Al2O3为主,相对质量分数超过80%,属于黏土岩类煤矸石。

3)伊犁煤田内数据样本均来源于伊达县,同县区域内煤矸石差别仍较大;15、17号煤矸石化学组分相似,主要以SiO2、Al2O3为主,相对质量分数超过80%,Fe2O3、CaO、MgO相对质量分数不超过3%,属于中铁、低铝、低钙;而16号煤矸石SiO2、Al2O3、Fe2O3的相对质量分数均小于10%,CaO+MgO的相对质量分数超过30%,属于钙质岩矸石,烧失量将近50%,按碳含量分属三类煤矸石,热值相对较高。

4)库拜煤田数据样品仅1个,来源于阿克苏地区,以SiO2、Al2O3为主,相对质量分数超过75%,Fe2O3、CaO、MgO含量不高,属于黏土岩类煤矸石。

1.2 新疆煤矸石产生地质背景特征

根据国家能源局公告,截至2018年底,新疆共有生产煤矿81座,合计产能15 806万t/a,预测煤矸石产生量2 370.9万t/a,新疆煤矿产能及矸石产量预测如图1所示。昌吉回族自治州煤矿数量最多,总产能为6 152万t/a,预测煤矸石产量达922.8万t/a。吐哈、准噶尔、伊犁、库拜4大整装煤田区域内预测煤矸石产量分别占全区比例为35%、49%、7%、8%,煤矸石产量主要集中在准噶尔煤田和吐哈煤田,年产量分别约为1 177.5万、832.5万t,总计占比达84%。然而,煤矸石的处置量与利用量远小于产出量,地表现存煤矸石已对堆积地区周围的大气、水体、土壤、地面环境造成了严重危害。

图1 新疆煤矿产能及矸石产量预测 [1]
Fig.1 Production capacity of coal mine and forecast of gangue output in Xinjiang

新疆煤炭资源呈现“北多南少”分布不均的现象,北疆煤炭资源储量占全疆的90%以上,聚煤盆地主要有准噶尔盆地、伊犁盆地、塔里木盆地、吐哈盆地,新疆主要煤田煤质分类见表3。新疆主要含煤区煤矸石地质年代特征如下[17-18]:准噶尔盆地侏罗系含煤地层沉积环境为湖泊沼泽和河控三角洲体系,准噶尔东部、准西北含煤盆地总体为低变质烟煤带,煤类以长焰煤、不黏煤为主,煤矸石多属于砂岩矸、黏土岩矸;准南煤田处在低变质带,煤类以长焰煤、弱黏煤为主,局部含有变质程度较高的气煤和肥煤,煤矸石多属于黏土岩矸。吐哈盆地侏罗系含煤地层沉积环境为三角洲间湾及下三角洲平原,吐哈盆地中部总体为低变质烟煤带,煤类以长焰煤、不黏煤为主,局部地段出现变质程度更低的褐煤,煤矸石多属于钙质岩矸,含碳量和热值均较高,CaO+MgO的相对质量分数超过30%;吐哈盆地西部艾维尔沟和东部野马泉煤矿区处在低变质带,分布有变质程度较高的气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等,煤矸石多属于黏土岩矸。伊犁盆地侏罗系八道湾组主要为河流和湖泊沉积环境,而西山窑组主要为滨浅湖及过渡三角洲沉积环境,伊宁煤田、昭苏煤田煤类较单一,多为长焰煤和不黏煤,尼勒克煤田处在低变质带,以气煤、肥煤为主,伊宁煤田煤矸石多属于砂岩矸,其它2处煤田暂无样本统计。库拜煤田煤的变质程度由东向西增高,东部主要为不黏煤、弱黏煤、少量气煤;中部以气煤、肥煤和焦煤为主;西部则为高变质无烟煤和贫煤。由于煤质变化差异较大,限于统计样本数量,难以推断煤矸石所属岩石类型。

表3 新疆主要煤田煤质分类[19]
Table 2 Coal quality classification of main coal fields in Xinjiang

含煤区煤田纬度煤类长焰煤不黏煤长焰-不黏煤长焰-气煤气煤肥煤-焦煤准葛尔盆地吐哈盆地伊犁盆地塔里木盆地什托洛盖煤田准西北煤田准南煤田准东煤田吐哈煤田伊宁煤田昭苏煤田尼勒克煤田库拜煤田4645444342————————————————————————————————————————————————————————————————————————

2 煤基固体废弃物的处置和利用产业链布局模式

新疆煤基固废的规模化处置和资源化利用面临诸多难题,主要包括:①如何划分煤矸石赋存特征区域,界定煤矸石化学组分构成与成煤间的关联,形成煤矸石集中处理区域;②煤矸石资源化利用方法多,工艺复杂,生产效益低,如何确定适宜新疆煤矸石的资源化利用方法,构建煤基固废资源的梯级利用模式;③根据新疆的特殊地质资源环境,如何建立浅埋富煤缺水区域的矸石规模化处理方法,达到矸石处置与水资源保护协同发展;④单一处置方法难以形成规模化经济效益,如何建立煤基固废资源化利用的产业链布局模式,优化新疆地区煤炭产业布局。针对以上难题,笔者提出新疆煤基固体废弃物的处置和利用模式如图2所示,以“物尽其用、就地取材、因地制宜”为基本思想,开展煤矸石发电、高品质建筑材料资源化利用、高附加值化工产品资源化及规模化处置的研究,以期形成以“煤-煤基固废-电-充”、“煤-煤基固废-电-建”、“煤-煤基固废-电-化”的闭合循环产业链推广模式。

图2 煤基固废处置和利用的产业链布局模式
Fig.2 Industrial chain layout model of coal-based solid waste disposal and utilization

3 煤基固体废弃物的资源化综合利用技术

3.1 低热值煤基固废发电技术

对于含碳量>20%,热值在6 270~12 550 kJ/kg的煤矸石可用于发电回收固废中的有效热值,其灰渣用于生产建材。从20世纪70年代发展至今,低热值煤基固废发电已然成为矿区生态文明建设的重要抓手,现有政策及产业规模如图3所示。据不完全统计,仅2019年煤矸石电厂消耗煤矸石(煤泥)量为1.51亿t,占煤矸石利用总量的比重为28.8%,回收利用能量折合标煤4700万t[20]。然而,现有煤矸石电厂集中分布在山西、内蒙古、安徽、陕西、江苏等中东部大型煤炭基地,随着煤炭资源开采的战略性西移,新疆地区低热值煤基固废发电产业迎来了新的契机。目前,以煤矸石为主的低热值煤基固废多采用循环流化床锅炉发电,面对新疆特殊的地理环境,煤矸石发电应向高效率、大容量、稳定可靠、绿色环保的产业链集群模式发展[21-22]。例如,神华新疆公司在乌鲁木齐市米东新区金河工业园内开发了“煤-电-化-网”的2×300MW煤矸石热电项目,年利用煤矸石196.31万吨,从根本上解决米东新区的集中供热问题。由表1调研结果可知,哈密三道岭1矿、2矿、露天矿以及凯源等地的钙质岩煤矸石发热量均超过15000 kJ/kg,适宜用于煤矸石发电。低热值煤基固废发电既能就地消纳煤矸石等固体废弃物,还能使矿区的煤炭资源开发以及矿区内或矿区周边关联产业的热电供应自给自足,以煤矸石发电为龙头,建设“煤炭开采-洗选加工-煤矸石发电-制作建材-煤矸石化工”循环经济产业发展链,形成大型煤-煤基固废-电-化、煤-煤基固废-电-建等多种模式的循环经济产业园区,有效提升煤基固废资源化利用的市场竞争力。

图3 低热值煤基固废发电产业政策及规模现状 [20]
Fig.3 Industrial policies and status quo of low heating value coal-based solid waste power generation

3.2 煤基固废建筑材料高品质利用

在产品质量符合国家或行业标准的基础上,利用含碳质量分数为6%~20%、发热量介于2 090~6 270 kJ/kg的煤矸石和粉煤灰生产砖、水泥等制品,碳含量、发热量较低的煤矸石可用作水泥的混合材、混凝土骨料和其他建材制品。煤基固废用于建筑材料不仅能利用残余热值节省燃料,还能部分替代黏土等原料。随着建筑节能标准和资源环境的需求,煤基固废制备高品质建筑材料必将是新型建筑材料发展的强大助力。

3.2.1 煤基固废在水泥工业的应用

煤矸石、粉煤灰均与天然富黏土材料的化学成分类似,可提供生产水泥熟料需要的SiO2和Al2O3,在水泥中的利用主要是作为硅铝质原料代替粘土烧制水泥熟料、作为混合材生产水泥及制备少熟料或无熟料水泥等[23]。将石灰石、煤矸石、铁粉等按比例混合磨成生料与煤混拌均匀加水制成生料球,在高温条件下焙烧即可得到水泥熟料;经锻烧的粉煤灰、经锻烧或自燃后的煤矸石,形成无定形的活性SiO2和Al2O3,使其具有火山灰活性可作为水泥混合材使用;以自燃煤矸石为主要原料,掺加石膏、石灰或部分熟料经混合磨细可制成无熟料水泥或少熟料水泥[24]。目前煤矸石作为水泥原料使用时,未能使煤矸石的潜在活性得到充分发挥,且当矸石中硬质砂岩含量过高、有害成分超标及运输距离过远时,不宜用于规模化生产;而粉煤灰水泥干缩性小,水化热低,保水性好,已广泛用于工业与民用建筑中。在表1调研结果中,煤矸石中Al2O3含量在17%~20%范围,成分与黏土相似,可作为生产水泥的混合材,亦可用于生产普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等,但不宜用作由高铝煤矸石生产的特种水泥。目前,新疆水泥企业结合本自身生产工艺特点,在煤矸石、粉煤灰生产水泥方面进行了积极地探索,综合利用了诸如煤矸石、粉煤灰、电石渣、矿渣、废石等各类废弃物,尤其是新疆乌鲁木齐地区原有矸石山基本全部被附近水泥厂消纳利用。

3.2.2 煤基固废制作混凝土粗细集料

煤矸石、粉煤灰可作为粗细集料生产混凝土。一般利用含碳量不高的碳质岩类、泥质岩类的煤矸石经过破碎、筛分和煅烧而成,也可将煤矸石直接作为粗细骨料替代部分普通粗细骨料制备混凝土,煤矸石集料的强度低于普通集碎石料,但混凝土拌合物搅拌时吸水作用增加了矸石骨料表面附近水泥石的密实性,使得煤矸石混凝土的强度接近普通混凝土;粉煤灰除了作为优质活性掺和料外,还可用作轻骨料提高砂石粒料的粒度分布,可有效改善混凝土的和易性、提高其强度及抗侵蚀性能[25]。煤矸石、粉煤灰直接作粗细集料替代混凝土中的砂石是其利用较为充分、彻底的方法。

近年来,用煤矸石、粉煤灰生产轻骨料陶粒产品已成为建筑行业不可缺少的生力军。陶粒生产工艺主要有烧结法和回转窑法两种,传统原料主要来源于粘土,而新疆大部分区域是戈壁沙漠,粘土资源十分匮乏,也是大量农田开发的必要保障。相关研究[26]表明原料的化学成分是导致陶粒膨胀的内在因素,煤矸石、粉煤灰中SiO2和Al2O3占比3/4是烧制陶粒的潜力原料,化学组分的理想范围是SiO260%~70%、Al2O315%~25%、Fe2O35%~10%、CaO+MgO0%~5%,如图4所示。煤矸石陶粒成品的松散密度为950~1 200 kg/m3,筒压强度为11~21 MPa;粉煤灰烧制陶粒(图5)松散密度为900~1 100 kg/m,筒压强度为15~19 MPa,具有密度小、质轻、强度高等特点,适于制作混凝土空心砌块、结构保温混凝土、高层建筑结构混凝土、复合墙板、屋面保温以及各种建筑的预制件。陶粒是一种发展中的优质、轻质、高强建筑材料,是煤基固废综合利用的有效途径,随着国家对西部建设的大开发,新疆的建设对陶粒的用量还会逐年增加,因此可替代黏土优先发展煤基固废制备陶粒产业。

图4 Reily三相示意[26]
Fig.4 Reily three-phase schematic

图5 粉煤灰陶粒
Fig.5 Fly ashceramsite

3.2.3 煤基固废制作砖瓦

我国煤基固废制砖已积累了丰富的实践经验。煤矸石、粉煤灰成份中黏土岩、灰质岩黏土质成份含量高,制砖过程中还能利用自身的发热量焙烧,代替黏土原料生产烧结或非烧结废渣砖瓦形成了不同规格的系列化产品。制砖工艺大致可分为烧结砖和免烧砖,采用煤矸石烧结制砖时,煤矸石原料发热量不能超过700 Kcal,以400 Kcal以下最为适宜,煤矸石中的含碳量以低于13%为宜,CaO+MgO的含量宜低于3%[27];采用粉煤灰制砖时,以粉煤灰、石灰为原料,掺加适量石膏和骨料,压制成型,高压或常压蒸汽养护而成;采用煤矸石-粉煤灰制砖时,煤矸石应具有较高的塑性指标,掺入粉煤灰能较好地改善煤矸石的烧结性能[28];免烧砖是以煤矸石或粉煤灰为原料,添加水泥、生石灰、集料、外加剂等,经搅拌、成型、养护而制成。煤基固废制砖的发展方向应该是多孔、节能、高强、装饰,例如清水装饰多孔砖、薄片贴面砖、拐角砖等,真正做到“制砖不用土,烧砖不用煤”。新疆全区范围内大部分黏土岩煤矸石满足制砖要求,考虑制砖的成本、运输、工艺技术以及用户需求,应采取就地消纳措施。目前,新疆和田、巴州、哈密三道岭露天矿等地均已建成煤矸石烧结砖生产线,制备出实心砖、多孔砖、空心砖、马路砖等产品,在此基础上,应发展自保温砌块、高孔洞率空心砌块、地砖、清水墙砖等多规格产品,融合民族区域特色,使其具有承重、保温隔热和文化装饰等复合功能。

3.2.4 煤基固废合成高性能材料

以煤矸石、粉煤灰等制备高档耐火材料、多孔陶瓷材料、耐磨材料、吸声材料、微晶玻璃等新型材料是近年来的研究热点。煤矸石、粉煤灰是矿物成分类似粘土的资源,在适当的高温条件下,能煅烧成为具有致密而坚硬的烧结料。采用煤矸石、粘土混合料在1400℃左右烧结所制得的熟料,耐火度在1600℃以上,抗压强度达21.7MPa,可作为耐火材料、陶瓷的原料[29];采用高温还原氮化工艺,促使煤矸石中的Al2O3和SiO2全部或大部分转化为赛隆以及它们与氧化物的复合材料,塞隆材料被誉为最有应用前景的耐火材料和陶瓷材料之一[30];以煤矸石与废弃耐火材料在1320~1420℃反应合成,保温2~6小时后冷却,即得纯度较高的堇青石-莫来石复相材料,也是一种具有更高价值得高纯度硅酸铝耐火纤维新品[31]。以煤矸石、粉煤灰为主要原料,适当添加玻璃工业常用原料,用烧结法制备β-硅灰石主晶相微晶玻璃装饰材料,其外观纹理清晰、色彩鲜艳、高强耐磨,在建材领域有良好的应用前景[32],为煤基固废高品质利用提供了新途径,但现有条件下煤基固废消耗量有限。

3.3 煤基固废化工业应用

3.3.1 有价元素提取

新疆煤矸石中含有大量的Al、Si、Fe、Ca和农作物所需的微量元素,研究表明准东、准南、吐哈等煤田发现煤矸石中金属异常主要以镓为主[33],对微量元素的提取是煤矸石深度开发利用的重要方向。煤矸石中镓的提取多采用高温煅烧和低温酸浸法浸出镓,再用溶剂萃取法从浸出液中萃取镓,回收率可达80%以上[34];煤矸石中稀土元素的提取多采用盐酸进行选择性溶解后,用氢氧化铁共沉淀法有效地分离富集稀土元素,再用草酸盐沉淀将稀土元素与Fe分离。但煤矸石中有价元素含量偏低,提取技术成本偏高,后续应进一步加强煤矸石和粉煤灰中金属资源分布、赋存的调查研究,亟需提高煤矸石中有价元素的提取利用效率。

3.3.2 新型化工产品

1)制备铝盐。当煤矸石中Al2O3质量分数为30%~50%时,可以有效替代铝土矿加以利用,即可利用其中的铝元素生产氧化铝、聚合氯化铝、硫酸铝等20多种铝系产品。煤矸石提取氧化铝有碱浸法和酸浸法两种,实践证明氧化铝溶出率都约在80%以上[35];利用煤矸石制备新型凝聚剂聚合氯化铝时,首先用盐酸使煤矸石中氧化铝溶出,之后通过水解、热解和聚合得到聚合氯化铝,可用于处理高矿化度的矿井水以及造纸、制药、油井防砂等工业。根据新疆煤矸石中Al2O3质量分数测试结果,不宜采用煤矸石制备铝盐产品。

2)制备白炭黑。白炭黑是一种以SiO2为主要成分的白色无定形的微细粉状物,生产白炭黑的方法主要有以水玻璃为原料的沉淀法和以四氯化硅为原料的气相法,这两种方法生产工艺复杂,生产规模不宜过大。采用煤矸石制备白炭黑,煤矸石酸浸后滤渣与碱液反应制备水玻璃,连续通入二氧化碳和空气混合气体,冷却抽滤即可[36]。白炭黑常被当作橡胶补强剂和塑料填充剂广泛用于制药、橡胶、塑料、日用化学产品等各个领域。

3)煤矸石制备工业填料碳化硅。碳化硅的制备是以石英砂、石油焦碳或优质无烟煤作原料,经高温电热还原生成,是一项高能耗、高污染工业。用高硅煤矸石与烟煤作原料,用Acheson工艺合成碳化硅为煤矸石的资源化利用提供了新的途径[37],合成材料具有耐高温、高导热率、高耐磨和耐腐蚀的特点,减少了原来碳化硅在生产过程中产生的废气、废液对环境的污染。

4)煤矸石制备4A分子筛。4A分子筛是一种人工合成的、有微孔型立方晶格的碱金属硅酸铝盐,工业分子筛以硅酸盐、铝酸盐和苛性碱等为原料,采用水热反应合成,高成本阻碍了分子筛应用范围的扩大。用煤矸石等矿物原料通过碱处理而合成分子筛具有极强的竞争力,将煤矸石煅烧成为活性高岭土,经过加碱成胶、陈化、晶化合成、过滤和干燥即可,中国铝业山东分公司制备的微米级4A分子筛是煤矸石等硅铝类矿物的深度加工方法[38]

5)煤矸石生产复合肥料。煤矸石中含有大量丰富的植物生长所必须的有机物质和微量元素,同时也是携带固氮、解磷、解钾等微生物的理想原料基质和载体。将煤矸石破碎、磨细,与过磷酸钙混合,加入适量添加剂使矸石充分反应活化,堆沤即成为有机复合肥料;将煤矸石与磷矿石分别破碎、烘干、粉磨、按比例掺加次淀粉混合后,经过喷施生物菌剂、成球造粒、烘干、挂膜等工序后即得到微生物肥料[39];新疆已有小型煤矸石有机复合肥厂,尚未形成规模,在新疆准东矿区规划中包括有大型有机复合肥厂,对新疆煤基固废处理有很好的经济效益和社会效益。

4 煤基固体废弃物的规模化处置技术

4.1 煤矸石井下就地充填处置

煤矸石就地充填处置技术是以井下矸石不升井为出发点,围绕充填采煤建立煤炭开采、井下分选、矸石处理全过程高度集约化的井下生产系统。将工作面采出的原煤于井下进行分选,将分选出的矸石与掘进矸石利用高速动力抛矸机以较快的冲击速度抛投至采空区,减少矸石长距离往返运输,实现矸石井下快速处理[40];同时,探明矸石中有害元素含量及析出迁移规律,评估煤矸石充填体中重金属离子对地下水污染风险等级后,建立充填开采地下水环境污染风险防控方法,达到废弃矸石井下处理和地下水环境保护的双重目标,如图6所示。

图6 煤矸石井下就地充填处理模式[40]
Fig.6 In-situbackfilling mode of coal gangue

4.2 煤基固废充填控水采煤处置

新疆属于典型的温带大陆性干旱气候,降水稀少、蒸发强烈,年均降水量154.8 mm,水资源时空分布极不均衡,资源性和工程性缺水并存,传统开采导致大量地表沉陷和水土流失现象,亟需建立新疆生态脆弱矿区水资源保护性开采技术。立足于新疆生态脆弱矿区的开采现状,笔者提出以“最小限度地扰水、最大限度地采煤、最高限度的置废”为目标,以控制导水裂隙带发育高度为途径,围绕充填采煤建立煤基固废胶结材料井上制备、煤炭开采、矸石充填和保水开采相结合的生产系统,实现矿区水资源保护。在地面建立胶结充填材料制备仓,制备煤基固废胶结充填材料[41];建立生态脆弱矿区全采全充、部分充填等充填开采隔水关键层渗流失稳力学模型,确定导水裂隙带发育高度,构建充填开采技术参数、导水裂隙带高度与地下水位之间的关系,计算开采高度和充采比;工作面采出原煤形成采空区后,将煤基固废胶结充填材料输送至需要保水开采的工作面进行采空区充填,采用全采全充、部分充填等方法满足导水裂隙带发育高度小于所保护含水层间距的隔水要求,使其不发生系统渗流失稳,有效解决新疆水资源短缺生态脆弱矿区含水层下的安全开采问题,在实现多元固废协同处置同时,维护矿区水资源生态体系的良性循环。

4.3 新型功能性井下充填处置

随着地下空间的深层次开发利用,以煤基固废制备地质聚合材料、相变储能、截水净水等井下新型功能材料具有良好的应用前景。新疆地区富煤缺水,煤炭规模化开采产生的采动裂隙破坏了原有的地下水循环,大量矿井水外排造成水资源的严重缺失,围绕充填开采方法在煤层回采过程中周期性布置非密实充填区和密实充填区,让煤层上覆岩层产生非充分垮落,利用煤矸石构建水库坝体,形成大量永久采空区空穴储库(图7),并充分利用煤矸石对矿井水的自然净化作用,建设煤矿地下水库工程[42]。煤矿地下水库将外排矿井水输送至井下采空区进行储存、净化和循环利用,避免了外排蒸发损失、地面水处理厂建设和运行成本高等问题,是新疆地区煤炭开采地下水资源循环利用的重要方向。

图7 煤矸石充填体构建地下水库
Fig.7 Construct underground reservoir by coal gangue filling

新疆太阳能资源丰富,且昼夜温差大,形成典型的内陆气候特征。如何以煤炭开采-矸石充填-储热蓄能为着眼点,为绿色矿山转型升级提供了新路径。以传统充填材料为载体,加入不同特性的功能体,使其具备载冷/蓄冷、蓄热/储能等特殊功能[43]。根据煤层条件布置充填采煤工作面形成采煤系统、充填系统以及蓄热/储热系统,将高温条件下存储的热能通过管道输送至采空区充填区域,以煤基固废充填材料建设储热带;温度低时将充填体内储存的热量形成热流体输送至地面进行循环利用(图8)。将热能输送至井下采空区进行储存和循环利用,为新疆地区新能源开发提供了新的途径。

图8 煤矸石载热/蓄热生产系统
Fig.8 Coal gangue heat carrier/storage production system

4.4 煤矸石地面筑基处置

煤矸石可作为一般公路的路基或底基层的填料,特别是自燃煤矸石具有一定活性,可单独或与黏性土、粉煤灰、熟石灰等混合作为筑基填料。煤矸石筑基具有以下特点:尚未反应完全的煤矸石在修筑完成后,发生吸水、膨胀、解理等各种现象,导致煤矸石筑基发生变形;煤矸石发生反应产生的热量被水膜包裹而无法排出,导致筑基体积发生膨胀;煤矸石发生反应消耗大量水分子,致使填料颗粒之间空隙增大。因此,煤矸石筑基在施工时,除了基底处理、煤矸石储运、摊铺、碾压与养护外,还需要对煤矸石路基进行定期洒水,以保证路基密实稳定。实践表明:煤矸石路基具有成型快、强度高、稳定性好及承载力强的特点[44]。煤矸石用于筑路工程时,其品类和品质要求不严,不仅消耗大量的矸石,而且不会造成二次污染,是新疆大、中、小型矿井普遍利用的途径,根据《新疆省道网规划(2016-2030年)》,新疆高速公路网规划总规模约1.63万Km,煤矸石筑基材料具有广阔的应用前景和市场潜力。

4.5 煤矸石土地复垦修复

在煤炭开采过程中容易造成地面塌陷,井工开采影响环境的传递过程是开采煤炭—岩层破断—地表沉陷—植被损伤—生态退化。利用煤矸石回填地表采砂坑和沉陷区,不仅变沉陷土地为可复垦土地,还可以节约用地,减少对环境污染。一般用于复垦的矸石以砂岩、石灰岩为主,采用推土机回填、压实,作为耕种则进行表面复土,表层已风化成土的煤矸石不需复土,可直接进行植树或开垦为农田[45]。煤矸石土地修复应遵循自然生态系统发展规律,在自修复模式基础上,采取适度、适时、科学的人工干预,使煤矸石土地修复达到合理。

5 新疆煤基固废资源化开发利用的研究展望

目前,新疆区域环境容量对煤基固废资源化利用已逐渐成为制约矿区环境保护的难题,开展新疆煤基固废资源化开发利用的研究迫在眉睫,这对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的现实意义。为此笔者提出以下研究内容:①煤基固废资源环境属性与空间地理分布规律。从煤田聚煤规律、成岩特征、变质作用、水文循环与水文地球化学过程变化等方面深化新疆煤基固废成因、类型、组分与聚煤地质特征的规律,建立煤基固废资源环境属性与空间地理分布间的联系,划分出煤基固废梯级利用分布区,为煤基固废的资源化利用提供基础数据。②煤基固废资源高品质梯级利用的适配模型。深化研究煤基固废建筑材料利用及高附加值化工产品利用方法,形成煤基固废多层级开发利用模式,建立煤基固废理化特征与资源化利用方法的适配模型,为煤基固废资源化利用方法选择提供依据。③煤基固废协同利用及矿区水资源保护性开采技术。优化煤炭开采与多源煤基固废充填处置的协同工艺,揭示浅埋煤层地区煤矸石充填体的控顶机理,划分生态脆弱区煤炭开采诱发水资源破坏的类型,提出含水层资源保护下集约化高效煤炭开采技术,建立适合新疆特殊环境条件的绿色化开采模式。④煤基固废环保材料及矿区生态修复治理技术。开发基于煤源固废的土地修复与生态恢复新型环保材料,开展矿区塌陷区的的煤基固废生态修复利用技术及井下规模化充填处置技术研究,集成固废协同利用矿区生态修复治理成套技术。⑤煤基固废资源化开发利用大数据管理平台。构建多源煤基固废物理化学性质、资源环境属性、空间地理分布的数据库,在此数据库的基础上开发煤基固废资源环境特性、有害物质迁移规律及生态环境影响效应、资源化开发利用的大数据管理应用平台。⑥煤基固废资源化开发利用的综合评价。综合考虑资源环境价值与技术经济条件对新疆煤基固废资源化作出评价,拓展煤基固废资源化道路,多种煤基固废协同开发与利用、多环境要素协同保护,为提出新疆煤基固废的开发战略提供依据。

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Prospectsof resource utilization and disposal of coal-based solid wastes in Xinjiang

YAN Lihuang1,3, WANG Wenfeng4, BIAN Zhengfu1,2

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Ministry of Education Engineering Research Center for Mine Ecological Restoration, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China; 3.Xinjiang Institute of Engineering, School of Mining Engineering and Geology, Wulumuqi 830023,China; 4.Xinjiang University, School of Mining Engineering and Geology, Wulumuqi 830046, China)

Abstract:Xinjiang province, abundant with coal resource, is an important coal resource continuation area and strategic reserve area in China. Reasonable disposal and resource utilization of coal-based solid wastes generated during mining and utilization is one of the difficult problems restricting the environmental protection of mining areas. This paper summarizes and analyzes the physical and chemical characteristics, classification and its geological background of coal-based solid wastes in Xinjiang. The analysis shows that there are obvious regional differences in the physical and chemical characteristics of coal-based solid wastes generated in the four major coal fields of Tuha, Junggar, Yili and Kubai. The coal gangue generated in the low metamorphic coalfield area is mostly sandstone, clay rock, and calcareous rock. Through the comprehensive evaluation of typical coal-based solid wastes, the industrial chain layout model of cascade resource utilization of coal-based solid waste in Xinjiang is proposed. Based on the in-situ filling of coal-based solid wastes, a new method for the coordinated development of water-preserving mining, water purification mining, and energy storage mining is proposed. Coal-based solid waste-electricity-chemical, coal-based solid waste-electricity-construction and other high value-added development and utilization industrial layout models are discussed. Then, the principle and technical route of comprehensive resource utilization methods such as power generation utilization, building materials utilization, chemical product preparation, filling disposal and engineering filling are elaborated in detail. Finally, a high-efficiency and intensive mining technology for coal resources with the goal of rational disposal of gangue and water resources protection is proposed. These research results will have important practical significance for optimizing the layout of the coal industry, cascade resource utilization of coal-based solid wastes, and ecological environment protection in Xinjiang mining areas.

Key words:Xinjiang; coal-based solid wastes; resource utilization; backfill mining

中图分类号:T167

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2021)01-0319-13

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黄艳利,王文峰,卞正富.新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究*[J].煤炭科学技术,2021,49(1):319-331.doi:10.13199/j.cnki.cst.2021.01.030

YAN Lihuang, WANG Wenfeng, BIAN Zhengfu.Prospectsof resource utilization and disposal of coal-based solid wastes in Xinjiang[J].Coal Science and Technology,2021,49(1):319-331.doi:10.13199/j.cnki.cst.2021.01.030

收稿日期:2020-12-18

责任编辑:郭 鑫

基金项目:国家自然科学基金新疆联合基金资助项目(U1903209)

作者简介:黄艳利(1982—),男,山东沂水县人,教授,博士生导师,博士。E-mail:huangyanli6567@163.com

通讯作者:卞正富(1965—),男,江苏建湖人,教授,博士生导师,博士。E-mail:zfbian@cumt.edu.cn

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