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作者：陈杰著

出版社：化学工业出版社

出版时间：2020-04-01

书籍编号：30617875

ISBN：9787122359407

正文语种：中文

字数：81091

版次：

所属分类：科学新知-环境科学

本书详细阐述了煤矸石电厂粉煤灰的产生、特点、研究和应用现状，系统论述了其化学成分、微观形貌及矿物组成等理化特征，建立了矸石电厂粉煤灰火山灰反应动力学模型，揭示了矸石电厂粉煤灰的活化机理，提出了活化技术及活化参数。并系统阐述了矸石电厂粉煤灰制备矿山膏体充填材料的工艺及性能。此外还系统论述了粉煤灰提取氧化铝过程中热处理参数对浸出率的影响规律，建立了浸出反应动力学模型，揭示了其浸出机理。

本书适用于从事矿山工程、环境工程的科研人员、专业技术人员阅读，也可作为矿业工程、材料工程、环境工程专业研究生参考用书。

书名：矸石电厂粉煤灰的活化及应用

作者：陈杰编著

CIP号：第008492号

ISBN：978-7-122-35940-7

责任编辑：王　婧　杨　菁

出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）

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网址：http://www.cip.com.cn

版权所有　违者必究

前言

近年来，以循环流化床燃烧技术为特征的煤矸石电厂蓬勃发展，但是矸石电厂所用煤矸石燃料的灰分较高，粉煤灰的排放量是燃煤电厂的2倍左右，排放数量相当巨大，造成了资金和土地资源的浪费，以及严重的环境污染。且产出粉煤灰含碳量较高，品质低于国家建材标准中的三级灰品质标准，按现有的粉煤灰活性理论，此种粉煤灰的应用价值不高。又由于燃烧条件、燃料类型不同，矸石电厂粉煤灰理化性质与燃煤电厂粉煤灰差别较大，以往对燃煤电厂粉煤灰性质及应用的研究在很多情况下不再适用于矸石电厂粉煤灰，从而限制了其在传统领域的应用。

为能够进一步拓展矸石电厂粉煤灰的应用领域，加强工业废弃物资源化利用的途径，实现生态环境保护和循环经济，笔者带领团队一直致力于矸石电厂粉煤灰理化特征、活化技术、提铝技术及其应用领域的研究，并将十余年的科研成果编著成本书。

矸石电厂粉煤灰是一种火山灰质材料，具备一定的潜在活性，含有大量的硅、铝等可利用的元素，这些特点为矸石电厂粉煤灰的资源化利用奠定了基础，对循环经济政策的贯彻执行具有重要意义。随着我国经济的持续、高速发展，今后相当长的时期内，电力能源结构将继续以煤电为主的基本格局，矸石电厂粉煤灰的排放量必然会逐年增加。

本研究针对目前矸石电厂粉煤灰活化技术以及煤矿巷道壁后充填材料中存在的问题，通过对矸石电厂粉煤灰的化学成分、形貌特征、矿物组成分析，采用物理活化、化学活化和物理化学活化技术，对粉煤-水泥胶砂体系进行激活，得出合理、经济的矸石电厂粉煤灰激活方案，通过配方设计、工艺优化以及影响因素研究，开发研制出矸石电厂粉煤灰基充填材料，以粉煤灰较大比例地替代水泥、河砂，不仅可减轻粉煤灰造成的经济和环境负担，而且可以显著地降低掘进成本，变废为宝，达到矸石电厂与煤矿的双赢。

此外，本研究还针对当前我国内蒙古自治区中西部和山西北部等地区高铝煤炭资源储量丰富，发电后产生的大量高铝粉煤灰问题，研究了高铝粉煤灰的理化性能。以粉煤灰提取氧化铝为目标，通过热力学分析、三元系相图分析和煅烧实验，系统研究了石灰煅烧法与纯碱煅烧法中粉煤灰热处理过程的热力学机理，并通过煅烧实验分析了其热力学行为。研究了纯碱煅烧法中粉煤灰热处理参数，确定了煅烧温度、煅烧时间以及物料配比，研究了氧化铝浸出过程中影响其浸出率的参数，以获得较高的氧化铝浸出率。通过建立浸出反应动力学模型研究了浸出动力学机理，实现粉煤灰的高附加值利用，对于实现循环经济具有重要意义。

多年来，笔者团队的石莹、高尚勇、李思琼、崔永峰、刘永、梁杨芝、李阳、褚运凯等参加了相关研究工作。本书的出版还得到了国家自然科学基金“浅埋煤层群开采煤柱群结构效应及其应力场与裂缝场耦合控制”（51674190）、陕西省科技厅社会发展科技攻关项目“生态修复与环境治理技术研究——矸石电厂粉煤灰活化技术及应用”（2010K11-02-08） 和“陕北生态脆弱区保水开采高砂基充填材料制备关键技术”（2016SF-421）、陕西省自然科学基础研究计划项目“煤层群开采致灾机理及预警与防治技术研究”（2019JLP-08）以及西安科技大学工科A类第一层次创新团队项目“浅埋煤层开采与环境保护”的资助，特此一并致谢。

由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。

陈杰

2019年8月

1　绪论

1.1　研究背景

煤矸石是夹杂在煤系地层中的岩石，也是目前我国排放量最大的固体废弃物之一。2013年我国煤矸石排放量达7.5亿吨，2015年排放量接近8亿吨，形成的煤矸石山近2600多座，占地约1.3万公顷，煤矸石排放量仍在逐年不断增长［1］。煤矸石的大量堆放，既压占土地，又破坏生态环境，给煤矿企业带来了沉重的经济和环境负担，也对周围居民的身体健康产生了巨大威胁。2015年1月15日，《煤矸石综合利用管理办法》发布，明确了相应的鼓励和处罚措施，进一步完善了煤矸石排放和利用情况的统计体系，强化了煤矸石利用相关技术指标及环境保护的要求。煤矸石综合利用是一项关系生态保护、煤炭开采、延伸煤炭产业链和建设资源环保型社会及经济发展方式转变的重大课题。

煤矸石发电是充分利用煤矸石的有效热成分，变废为宝，解决污染的有效途径。2011年11月，国家能源局发布的《关于促进低热值煤发电产业健康发展的通知》［国能电力（2011）396号］中规定，对于以煤矸石为主要原料的低热值煤发电项目，优先于常规燃煤机组调度和安排电量，为煤矸石发电提供了良好的政策支持。循环流化床燃烧技术的发展为煤矸石发电提供了有力的技术支撑。截至2012年年底，煤矸石综合电厂已超过400座，总装机容量达到2950万千瓦［2-3］，不仅消耗了大量的煤矸石，而且电厂发出来的电可供矿区自用，缓和了多数矿区用电紧张的局面。用煤矸石发电，经济效益与社会效益显著。但是，煤矸石燃料的灰分较高，达到40%～70%[注]，矸石电厂粉煤灰的排放量巨大。

矸石电厂粉煤灰含碳量较高，烧失量大，品质低于国家建材标准中的三级灰标准，按现有的粉煤灰活性理论，此种粉煤灰的应用价值不高。由于燃烧条件、燃料类型不同，矸石电厂粉煤灰的理化性质与燃煤电厂的理化性质有所不同，以往对燃煤电厂粉煤灰性质及应用的研究，在很多情况下不再适用于矸石电厂粉煤灰，从而限制了其在传统领域的应用。除了少部分用以铺设矿区内自备公路外，大部分矸石电厂粉煤灰堆放在储灰池中（如图1.1），占用土地、污染大气、土壤及水体、损害人体健康等［4-5］。

图1.1　矸石电厂粉煤灰

随着我国经济的高速持续发展，煤炭和电力工业依然会是支柱性能源产业，资源循环利用也会继续被重视，所以在今后相当长的时期内，煤矸石发电所排出的粉煤灰的量必然逐年增加［7］。因此，开展矸石电厂粉煤灰的综合利用研究，实现其资源化，不仅是我国电力和煤炭工业可持续发展所面临的亟待解决的重大问题，而且对节约土地资源、保护生态环境、实现循环经济具有重要意义。

矸石电厂粉煤灰虽然品质低，粒度较粗，用途也受到了一定的限制，但也属于火山灰质材料，其颗粒具有多孔结构，比表面积大，活性较高；而且，由于炉膛温度相对较低，其中转变不彻底的亚稳态矿物相较多，这对其活性的增加是有益的。因此该种粉煤灰是一种可开发利用的硅酸盐材料。若能以矸石电厂粉煤灰较大比例地替代水泥、河砂制作充填材料及喷浆材料，就近用于矿井巷道、顶板与围岩的固化与支护，不仅可减轻煤矿企业的经济和环境负担，而且可以显著地降低掘进成本，变废为宝。

与此同时，在我国的内蒙古和山西北部地区，由于其特殊的地质条件，有丰富的含铝矿物质和煤层沉积形成的煤铝资源。根据相关研究成果，前景资源量约1000亿吨［6］。内蒙古中部的准格尔煤田部分煤炭资源燃烧后产生的粉煤灰中氧化铝含量在45%以上。初步估算，我国这些宝贵的含铝非铝土矿资源中氧化铝的含量近100亿吨，相当于电解金属铝50亿吨，具有非常大的开发和利用价值，而我国的铝土矿资源严重缺乏。这些地区分布有内蒙古赤峰市平庄煤矸石热电厂、内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司、内蒙古蒙泰不连沟煤业煤矸石热电厂、神华亿利煤矸石电厂以及中煤山西平朔煤矸石发电厂等多家煤矸石热电厂。因此，开发利用煤矸石电厂高铝粉煤灰提取氧化铝，是解决矸石电厂高铝粉煤灰污染环境和氧化铝可持续发展的有效途径。

1.2　矸石电厂粉煤灰的产生及特点

矸石电厂一般采用沸腾炉（流化床锅炉）。沸腾炉对燃料的适应性很强，可以燃用煤矸石、煤泥等劣质燃料。煤矸石是煤炭开采产生的煤层夹矸和顶底板含碳较高的岩石，煤泥是煤炭洗选产生的含有大量有机碳的洗矸。沸腾炉工作温度比较低，通常在800～900℃［7］。在燃烧时，燃料由燃烧室下部（或上部）给入，一次风从布风板下部送入，二次风由燃烧室中部送入，燃烧室内的运行风速为5～10m/s，并在炉内悬浮段形成强烈的扰动，燃料呈沸腾状，在炉膛内的停留时间较长，锅炉要求燃料粒度一般小于10mm，矸石经过破碎筛分即可燃烧［8］。由于煤矸石灰分较高，燃烧后排放出大量粉煤灰。

与燃煤电厂粉煤灰相比，矸石电厂粉煤灰的颗粒较粗，含有大量的形状不规则的多孔颗粒，包括非晶相和不定形碳，球形颗粒很少，而且烧失量大，氧化钙含量低［9］。但矸石电厂粉煤灰同样是一种火山灰质材料，具备一定的潜在活性，含有大量的硅、铝等可利用的元素，这些特点为矸石电厂粉煤灰的资源利用奠定了基础，对循环经济的贯彻执行具有重要意义，也正因为这些特点，诸多专家、学者及研究人员对矸石电厂粉煤灰的综合利用展开了细致的研究。

1.3　矸石电厂粉煤灰的研究与应用

1.3.1　在混凝土、蒸压砖方面的研究与利用

高赛生态、张永锋等［10］对矸石电厂粉煤灰进行了分析和分类，并对其综合利用途径做出评价。赵少鹏、王彩萍等［11］分析了矸石电厂粉煤灰矿物组分、化学成分、微量元素及颗粒组成等特性。赵计辉等［12］研究了激发剂种类及其掺量对矸石电厂粉煤灰的活化效果。成春奇等［13］对矸石电厂湿排粉煤灰作为喷射混凝土的掺合料的可行性进行了研究，并测试了喷射混凝土抗压强度和与岩面的黏结力，测试结果满足巷道支护的要求。李国才［14］研究确定了煤矸石电厂粉煤灰作为矿山井巷工程支护用料的可行性、实用性。戴丽娜［15］研究了矸石电厂粉煤灰掺量对混凝土强度及凝结时间的影响规律，但需要使用高标号的水泥，提高了成本，而且没有涉及粉煤灰活化对掺量的影响。高尚勇［16］研究了矸石电厂粉煤灰喷浆材料的配合比，取得了较好的结果。冯鹏等［17］对矸石电厂粉煤灰混合材料进行注浆改性，研究了混合充填材料的配比与养护龄期对抗剪强度的影响规律。佘春泉［18］将矸石电厂粉煤灰用于蒸压砖的生产，并研究了粉煤灰对蒸压砖的性能影响。

1.3.2　提铝技术研究

利用高铝粉煤灰提取氧化铝、二氧化硅等制备高附加值产品的同时，解决固体废弃物大量堆置污染环境的问题，是目前研究的热点。近年来，粉煤灰提取氧化铝项目在国内备受重视，很多企业也看到了其巨大的发展空间，并积极投资，由于存在技术瓶颈，导致商业化生产风险很大。目前，较为成熟的技术有大唐集团有限公司、中国铝业股份有限公司粉煤灰提取氧化铝中试装置取得一些成果，但仍需优化工艺参数，不断改进生产工艺。此外，国内有关企业和科研院所也在积极探索和研发其他工艺路线，但还未进入大规模产业化。常见的高铝粉煤灰中提取铝、硅的方法有石灰石烧结法［19］、纯碱煅烧法［20，21］、酸浸法［22，23］等。

目前，对于矸石电厂粉煤灰的综合利用研究成果还非常有限，利用率很低。因此，本书以提高矸石电厂粉煤灰利用率为目标，致力于研究将矸石电厂粉煤灰进行活化后，制备煤矿充填材料和喷浆材料，就近用于煤矿井下巷道的固化与支护。此外还研究了从含铝较高的矸石电厂粉煤灰中提取氧化铝的工艺参数，以提高矸石电厂粉煤灰的资源化利用，降低环境污染，实现循环经济。

参考文献

［1］贾敏.煤矸石综合利用研究进展［J］.矿产保护与利用，2019，（4）：46-51.

［2］郭建秋.我国煤矸石综合利用现状及前景展望［J］.环境与发展，2014，26（03）：102-104.

［3］郭彦霞，张园园，程芳琴.煤矸石综合利用的产业化及其展望［J］.化工学报，2014，65（7）：2443-2453.

［4］张

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