煤矸石发电及高掺量粉煤灰水泥的综合利用
来源：UC论文网2015-11-07 18:08
摘要：
摘要：以京海煤矸石发电有限责任公司为例,针对目前国内电力生产现状及综合利用改进方法进行了简单阐述,探讨了高掺量粉煤灰水泥的综合利用方法,为更多的电力生产企业综合利用灰
摘要：以京海煤矸石发电有限责任公司为例,针对目前国内电力生产现状及综合利用改进方法进行了简单阐述,探讨了高掺量粉煤灰水泥的综合利用方法,为更多的电力生产企业综合利用灰渣提供参考。
关键词：节能环保；粉煤灰；综合利用
1 引言
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司一期建设规模为2×330MW亚临界一次再热双缸双排汽直接空冷凝汽、抽汽冷凝式发电机组,配置2×1 177t/h亚临界中间再热CFB锅炉,出线采用两回500kV3/2接线。该电厂燃用煤种为70%煤矸石+15%洗中煤(1)+15%洗中煤(2)的混煤,水源为城市中水。同时一期配套一个年产量为60万t高掺量粉煤灰的水泥厂。
内蒙古京海煤矸石发电公司出线采用500kV 3/2接线,在电力输送过程中将大大降低线损,较220kV及以下等级的输送线路在减少线损方面有着明显的优势。汽轮机组采用直接空冷,大大地降低了耗水量,较湿冷机组有着明显的节水优势。汽轮机采用抽汽冷凝式,既可以为工业用电做出自身的贡献,又可以为居民集中供暖服务,实现了“工业-民用”一体化,较纯凝式发电机组有着明显的民生优势。该厂采用循环流化床锅炉,流态化的燃烧,这是一种介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的半悬浮燃烧方式［1］。通过加石灰石可以实现炉内脱硫,同时该锅炉燃用煤种适应性较强,掺烧煤矸石的比例可达到70%。该厂水源采用城市中水,这对城市中的工业废水、生活污水的回收再利用起着致关重要的作用,较采用地下水、湖泊、江海等水源的电厂有着无法比拟的优势。厂一期配套有一个年产60万t的水泥厂,直接将燃料燃烧后的灰、渣高掺量综合利用生产水泥,因而又突出体现了“废物”再利用的优势。
2 国内电力生产后的灰、渣处理现状及改进方法
2.1 目前国内电力生产后的灰、渣处理现状
到目前为止,国内大部分燃煤发电机组,都需要一个灰场,部分锅炉的灰和渣通过灰浆泵将灰渣输送至灰场,另外一部分则需要通过车辆运输到灰场。从中可以看出,这种方法处理灰渣既浪费土地资源，又浪费油料资源,另外如果是通过车辆运输来处理灰渣的话,还需要进行修路,因而投资成本会大大增加。同时灰场本身又是一个大的二次污染源。
2.2 灰、渣处理的改进方法
随着国家节能减排力度的加大,目前国内少部分电开始对电力生产后的灰、渣处理方法在逐步的改进,例如广东梅县荷树园电厂,该电厂将电力生产后的灰、渣进行制砖。再如内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司,该电厂将电力生产后的灰、渣进行高掺量粉煤灰水泥制做。下面对高掺量粉煤灰水泥技术进行详细介绍。
3 高掺量粉煤灰水泥技术分析
3.1 高掺量粉煤灰水泥技术来源与发展
“高掺量粉煤灰水泥”技术是蓝资公司原创人——清华大学“长江计划”特聘教授孙恒虎所发明的新型胶凝材料。它采用全新的科学理念,工艺简单、方便。截然不同于传统水泥的生产工艺。“高掺量粉煤灰水泥”技术是蓝资集团创新性技术。
清华大学与蓝资集团联合建立的清华——蓝资高掺量粉煤灰水泥联合实验室,集合了企业资源与高科技资源双方优势,大大推进了高掺量粉煤灰水泥技术大研发进程。高掺量粉煤灰水泥从基础研究到产业化应用经历了基础研究——配比分析——样品性能研究——小试生产研究——高掺量粉煤灰水泥混凝土性能研究——中试生产研究——高掺量粉煤灰水泥产品中试应用研究7步严谨的科研过程,形成了一个完善的从基础研究到产业化推广的闭路循环系统发展体系。确保了整个产业化应用过程的严谨性和可靠性。
目前,蓝资集团已在柳州、通化、燕郊等地新建了5条生产线,生产能力达200万t/年；在郑州、包头、永州、青岛、赤峰、株洲等地提升改造了12家传统水泥厂,其总的生产能力已达到320万t/年以上。高掺量粉煤灰水泥技术产业化进程取得了飞速发展。在此过程中,蓝资集团在生产控制、质量控制、实验方法、检验规则、包装、标志、运输与存储等一系列环节中不断探索自身的操作标准规程。形成了一套完整的产业化技术工艺体系和质量管理体系。并在河北、吉林、江西、广西4省区取得了省级备案的企业标准。
3.2 “高掺量粉煤灰水泥”的涵义
高掺量粉煤灰水泥技术是依据大地成岩理论和自然界相容原理,以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心,初步形成的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。高掺量粉煤灰水泥包括三个含义：高掺量粉煤灰水泥代表一套仿地成岩理论,高掺量粉煤灰水泥是凝结起来的石头,具有与大自然相容的组织和坚硬、耐久的类岩石性能,是对大地成岩仿真的实践；高掺量粉煤灰水泥又代表一种社会经济的绿色循环,高掺量粉煤灰水泥可以全面利用固体排放物,可以清洁生产,可以制备高掺量粉煤灰水泥水泥,高掺量粉煤灰水泥节省资源、节约能源、保护生态,是资源——能源——环境——材料领域良性循环的载体；高掺量粉煤灰水泥还代表一代新的建筑胶凝材料文明,人类建筑文明经历了千年的石灰“三合土”时代、百年的水泥“混凝土”时代,即将迎来可持续发展的第三代建筑胶凝材料文明。
3.3 技术的先进性及其优势
“高掺量粉煤灰水泥”技术的产生,首先是对水泥制造与利用在科学理论上的突破。历经180年历史的波特兰水泥材料和“两磨一烧”工艺已经对世界工业化产生了巨大的作用,而“高掺量粉煤灰水泥”技术则对传统“两磨一烧”水泥材料和生产工艺带来革命性的“改头换面”。
普通水泥的生产由于要以石灰石为主要原料煅烧水泥熟料,引起严重的环境污染、生态破坏、能源浪费、资源枯竭等一系列问题。高掺量粉煤灰水泥的生产与使用过程是火山成岩过程的仿真。高掺量粉煤灰水泥生产的能耗不足普通硅酸盐水泥的70%,几乎不产生污染物,是21世纪最具发展潜力的绿色胶凝材料。
高掺量粉煤灰水泥是根据火山成岩原理,以循环经济思想为指导,运用地球化学、岩石矿物学理论、分子设计理论以及材料仿地设计原则等手段,对工业固体排放物(如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等)进行匹配设计,所获得的能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料。“高掺量粉煤灰水泥”原料可来自钢铁厂、火力发电厂、化工厂等的废渣,产品中废弃物原料含量可达到70%以上(最高时可超过90%)。
高掺量粉煤灰水泥技术所制备的高掺量粉煤灰水泥不仅符合GB175－1999国家标准对普通硅酸盐水泥所规定的各项性能指标,它本身还有许多特殊的性能,如在耐酸性、抗冻融、抗渗性、固结重金属和有机毒物的能力都比传统水泥能力更强。高掺量粉煤灰水泥的体积稳定性也很好,经测试7d的线收缩率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的则只有1/8~1/9。
高掺量粉煤灰水泥技术较之传统的水泥生产方法,有几大优势，包括投资少,以一个年产百万吨产品的工厂为例,建水泥厂需要2.5~3.5亿元,而“高掺量粉煤灰水泥”只需要0.6~1.2亿元；生产过程简化,无须烧制,用“一磨”取代原来的“两磨一烧”;环保,无烟、无粉尘、无废水排放；能耗低,综合能耗比水泥低30%以上；节约原材料,无需开山炸石,工业废料掺量最高可达90%以上。生产成本较传统水泥产品低20%以上；性能优异,技术上不仅达到了普通硅酸盐水泥的国家标准,而且具备许多超越水泥的特殊性能,具备更强的竞争力,发展前景广阔。
3.4 高掺量粉煤灰水泥技术特征
3.4.1 优异的结合性及高强度特征
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料与一般硅酸盐类和碳酸盐类粗细骨料都会发生界面反应,但仍保持好的体积稳定性。这种界面反应的结果是形成梯度界面,再加上胶凝材料硬化体本身是以共价键为主的三维网络体,从而形成包括各种骨料在内的从里到外的共价键结合的整体。而普通水泥类胶凝材料一般认为是范德华力和表面作用为主与骨料结合的。因此高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料可以容易地制成高强度的制品,并有充足的强度后期发展余量。目前高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的硬化最高强度可以达到300MPa。
3.4.2 良好的耐久性和体积稳定性
普通水泥制品中由于含有大量的Ca(OH)2,可导致在服役过程中碳化溶出、酸蚀、硫酸盐侵蚀等化学反应,而高掺量粉煤灰水泥制品中基本不含Ca(OH)2,因此上述影响耐久性的反应基本不会发生。已有的实验表明,高掺量粉煤灰水泥制品的抗冻融性是普通水泥制品的3~10倍。有关专家预测,在普通水泥的常见应用领域中使用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料,其制品抵抗外界物理化学作用的能力可以比水泥制品高出5~20倍。高掺量粉煤灰水泥在凝结硬化和使用过程中具有良好的体积稳定性,其7d线收缩率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的线收缩率只有普通水泥的1/8~1/9。
3.4.3 高的耐酸碱侵蚀能力
高掺量粉煤灰水泥具有良好的耐酸碱侵蚀性,在5%硫酸盐溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/13；在5%盐酸盐溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/12；使用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料制成的块状用品其耐酸性达到99.9wt%,达到商品耐酸砖的国家标准(GB8488-87)。耐碱性为99.92wt%,达到玻璃马赛克的耐碱性国家标准(GB7697-89)。
3.4.4 极好的耐高温性
高掺量粉煤灰水泥与普通水泥相比,具有极好的高温体积稳定性,其400℃下的线收缩率为0.2%~1%,800℃下的线收缩率为0.2%~2%,可以保持60%以上的原始程度,是制备耐热混凝土的优良材料。
3.4.5 凝结硬化实践具有灵活的可调性
缓凝性的高掺量粉煤灰水泥胶凝材料具有比普通水泥更长的初凝时间,而速凝快硬型高掺量粉煤灰水泥胶凝材料可实现10min终凝,1h抗压强度可达到15MPa以上,24h抗压强度可达到50MPa以上。
3.4.6 超强的固土能力
所有高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料都能与粘土和细沙形成良好的结合。专门用于固土的土工高掺量粉煤灰水泥其固土能力是同标号水泥的3倍以上。
3.4.7 极低的水化热
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的水化——硬化过程与普通水泥胶凝材料不同,是以硅酸盐类矿物(或玻璃体)的溶解——再聚合为主要形式,从理论上说,解聚过程所需要的能量与再聚合过程中所放出的能量基本相等,因此体系的宏观水化热接近于零。大量的实验室试验证明了这一点。
3.4.8 好的固结性能
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料用于固结重金属离子、放射性元素等有毒有害物质,其在各种条件下的抗溶出能力是水泥硬化的5~10倍。高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料可用海水直接拌合,其硬化体具有优异的抗海水侵蚀性。
3.5 高掺量粉煤灰水泥应用领域
3.5.1 建筑领域
建筑高掺量粉煤灰水泥除了具有普通水泥所不具有的一些特殊优异性能外,完全满足目前建筑常用水泥的各项性能指标,因此技术上可替代水泥应用于所有的建筑领域,如混凝土、预制件、砌筑、抹面、地基处理,以及适用于普通水泥的所有墙体材料和屋面材料。
3.5.2 交通领域
道路高掺量粉煤灰水泥与目前常用的道路水泥相对应,特别适合于制备高掺量粉煤灰水泥混凝土路面。道路高掺量粉煤灰水泥除了具备道路水泥的全部性能外,还具有明显的高抗折强度、高耐磨性、快干早硬和充足的后期强度增长空间。
土工高掺量粉煤灰水泥与各类粘土颗粒、各类沙砾及岩石都具有天然的亲和性,将土工高掺量粉煤灰水泥用于软地基土层的处理(GBJT-89),当加入量为6%时,其7d抗压强度可达8~10MPa,因此可用于路基处理。
高掺量粉煤灰水泥特有的远远高于普通水泥制品的耐久性,抗碱、酸、盐及其它环境污染物侵蚀的能力使得高掺量粉煤灰水泥特别适合于制备超交通负荷条件下的混凝土桥梁及其它交通设施。
3.5.3 岩土工程领域
基于高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的高粘结性、高强度和速凝快硬等特点,是高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料比水泥类胶凝材料更适合于岩土工程领域用于高强度锚固灌浆。利用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料优良的固土性能可将高掺量粉煤灰水泥用于各种桩基工程、路基加固、深基坑处理、塌方的防治,以及地下溶洞的充填等。
3.5.4 矿业工程领域
高掺量粉煤灰水泥在矿业工程领域的应用是本材料最具挑战性也最具成熟经验的应用领域。结合充填采矿方法将其应用于有色、黄金、煤田及其它矿种的高效可持续开采及“三下”开采。可以大幅度降低充填成本(与使用普通水泥相比),同时有助于解决开采、运输技术上的的许多难题。
3.5.5 水利工程及农业领域
高掺量粉煤灰水泥材料特有的接近于零的水化热、超强的抗溶出能力及其固土化优良的体积稳定性使得高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料特别适合于建设超大体积的混凝土大坝及其它水利工程和农业基本设施。利用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料速凝快硬的特点可应用于抗洪抢险工程。
3.5.6 工业建设安装领域
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料所具有的耐酸、耐碱、耐高温、快干早硬、高强等综合性能,使其特别适合于各类工业安装工程。如可用于各种设备基础的快速浇注、快速安装,特别适合各种高温设备的耐热混凝土基础工程。在电力行业,60万kW大型机组所配套的锅炉烟囱,每根造价约3 000万元,其中花在防酸耐热工程部分的费用就占整体造价的50%以上,如果用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料直接浇筑耐酸混凝土,不但整体造价可下降50%以上,还能大幅度缩短工期,延长使用寿命。耐酸高掺量粉煤灰水泥可用于工业领域各种强酸、强碱的容器及管道建设。
3.5.7 海洋工程领域
用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料制备海洋工程混凝土要比现有的水泥混凝土具有更好的耐久性,并可直接用于海水搅合。
3.6 高掺量粉煤灰水泥替代水泥的可能性
高掺量粉煤灰水泥技术是以各种工业废弃物(如冶金渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥及其它工业煤渣等),在常温常压下生产高性能新型建材和硅铝基水泥产品。该技术不仅利用废灰渣、变废为宝、节约大量资源和能源,从根本上减少传统工业造成的污染,创造了清洁生产、可持续发展的新型建材工业模式,而且由于高掺量粉煤灰水泥系列产品具有高强度、高致密度、高耐腐蚀性及绿色化和生态化等优点,使高掺量粉煤灰水泥产品可广泛用于水利工程、道路工程、矿业工程、固土固沙工程、建筑工程以及军事工程等领域。高掺量粉煤灰水泥在很多用途上可以替代传统水泥产品,而且具有比传统水泥产品更优越的性能。随着高掺量粉煤灰水泥产业化的进一步发展,高掺量粉煤灰水泥产品替代水泥产品也越来越具备可能性。
(1)长期以来,水泥生产污染严重。我国2005年水泥总产量10.6亿t,位居世界第一,而10亿t水泥要消耗11亿t的石灰石资源、排放约8亿t的二氧化碳(CO2)、80万t的三氧化硫(SO3)、160万t的氮氧化合物和800万t的粉尘。而高掺量粉煤灰水泥生产的污染物排放可接近于零,因此它的推广可以使水泥工业的污染大幅度降低,直至全部消除。
(2)水泥原材料资源有限,社会呼唤新型替代产品。根据中国建材工业协会的报告,我国适宜烧制水泥的石灰石储量为450亿t,其中可开采储量为250亿t,按2003年的水泥产量计算,再过30年我国水泥的原材料资源就面临枯竭。因此,实现资源的高效、循环利用就成为当务之急。显然,高掺量粉煤灰水泥技术为完成这一重大历史使命开辟了一条新路。
(3)高掺量粉煤灰水泥技术有望带来可观的经济效益。据统计,目前我国可直接作为高掺量粉煤灰水泥主体材料的废渣,与现有水泥的年产量(10亿t/年)几乎相等。以全国年产10亿t高掺量粉煤灰水泥计算,由于生产高掺量粉煤灰水泥比生产水泥节能30%以上,因而其生产成本下降显著,仅以简单替代水泥来考虑,就可以取得数百亿元的直接经济效益。
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司#1机于2010年8月2日通过168h满负荷试运行,#2机于2010年10月4日通过168h满负荷试运行,2台机组先后于当年的9月份和11份通过安评并获得试生产许可证,将电能通过蒙西网送直接送到华北网,燃料主要以掺烧当地洗煤废弃的煤矸石和洗中煤为主。该电厂配套的水泥厂2009年5月28日开始试生产,2009年12月15日通过环评,2010年5月28日取得生产许可证,目前年产水泥可达60万t,远销宁夏、陕西、内蒙中部地区和蒙古国。
4 结语
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司电厂和配套的高掺量粉煤灰水泥粉磨站均运行正常,真正实现了循环经济——最大限度利用电厂粉煤灰生产水泥的目的。电厂二期和水泥厂二期项目已经开始启动。可以预言随着国家能源政策的不断完善,资源的综合利用将会加速推进,届时将会出现“工业——民用”一体化、“煤——电——化工——冶金”一体化的格局,到那时的中国会真正成为一个节能、环保、高效、持续、高度发达的国家。
参考文献：
［1］ 党黎军.循环流化床锅炉的启动调试与安全运行［M］.北京：中国电力出版社,2003.
关键词：节能环保；粉煤灰；综合利用
1 引言
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司一期建设规模为2×330MW亚临界一次再热双缸双排汽直接空冷凝汽、抽汽冷凝式发电机组,配置2×1 177t/h亚临界中间再热CFB锅炉,出线采用两回500kV3/2接线。该电厂燃用煤种为70%煤矸石+15%洗中煤(1)+15%洗中煤(2)的混煤,水源为城市中水。同时一期配套一个年产量为60万t高掺量粉煤灰的水泥厂。
内蒙古京海煤矸石发电公司出线采用500kV 3/2接线,在电力输送过程中将大大降低线损,较220kV及以下等级的输送线路在减少线损方面有着明显的优势。汽轮机组采用直接空冷,大大地降低了耗水量,较湿冷机组有着明显的节水优势。汽轮机采用抽汽冷凝式,既可以为工业用电做出自身的贡献,又可以为居民集中供暖服务,实现了“工业-民用”一体化,较纯凝式发电机组有着明显的民生优势。该厂采用循环流化床锅炉,流态化的燃烧,这是一种介于煤粉炉悬浮燃烧和链条炉固定燃烧之间的半悬浮燃烧方式［1］。通过加石灰石可以实现炉内脱硫,同时该锅炉燃用煤种适应性较强,掺烧煤矸石的比例可达到70%。该厂水源采用城市中水,这对城市中的工业废水、生活污水的回收再利用起着致关重要的作用,较采用地下水、湖泊、江海等水源的电厂有着无法比拟的优势。厂一期配套有一个年产60万t的水泥厂,直接将燃料燃烧后的灰、渣高掺量综合利用生产水泥,因而又突出体现了“废物”再利用的优势。
2 国内电力生产后的灰、渣处理现状及改进方法
2.1 目前国内电力生产后的灰、渣处理现状
到目前为止,国内大部分燃煤发电机组,都需要一个灰场,部分锅炉的灰和渣通过灰浆泵将灰渣输送至灰场,另外一部分则需要通过车辆运输到灰场。从中可以看出,这种方法处理灰渣既浪费土地资源，又浪费油料资源,另外如果是通过车辆运输来处理灰渣的话,还需要进行修路,因而投资成本会大大增加。同时灰场本身又是一个大的二次污染源。
2.2 灰、渣处理的改进方法
随着国家节能减排力度的加大,目前国内少部分电开始对电力生产后的灰、渣处理方法在逐步的改进,例如广东梅县荷树园电厂,该电厂将电力生产后的灰、渣进行制砖。再如内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司,该电厂将电力生产后的灰、渣进行高掺量粉煤灰水泥制做。下面对高掺量粉煤灰水泥技术进行详细介绍。
3 高掺量粉煤灰水泥技术分析
3.1 高掺量粉煤灰水泥技术来源与发展
“高掺量粉煤灰水泥”技术是蓝资公司原创人——清华大学“长江计划”特聘教授孙恒虎所发明的新型胶凝材料。它采用全新的科学理念,工艺简单、方便。截然不同于传统水泥的生产工艺。“高掺量粉煤灰水泥”技术是蓝资集团创新性技术。
清华大学与蓝资集团联合建立的清华——蓝资高掺量粉煤灰水泥联合实验室,集合了企业资源与高科技资源双方优势,大大推进了高掺量粉煤灰水泥技术大研发进程。高掺量粉煤灰水泥从基础研究到产业化应用经历了基础研究——配比分析——样品性能研究——小试生产研究——高掺量粉煤灰水泥混凝土性能研究——中试生产研究——高掺量粉煤灰水泥产品中试应用研究7步严谨的科研过程,形成了一个完善的从基础研究到产业化推广的闭路循环系统发展体系。确保了整个产业化应用过程的严谨性和可靠性。
目前,蓝资集团已在柳州、通化、燕郊等地新建了5条生产线,生产能力达200万t/年；在郑州、包头、永州、青岛、赤峰、株洲等地提升改造了12家传统水泥厂,其总的生产能力已达到320万t/年以上。高掺量粉煤灰水泥技术产业化进程取得了飞速发展。在此过程中,蓝资集团在生产控制、质量控制、实验方法、检验规则、包装、标志、运输与存储等一系列环节中不断探索自身的操作标准规程。形成了一套完整的产业化技术工艺体系和质量管理体系。并在河北、吉林、江西、广西4省区取得了省级备案的企业标准。
3.2 “高掺量粉煤灰水泥”的涵义
高掺量粉煤灰水泥技术是依据大地成岩理论和自然界相容原理,以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心,初步形成的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。高掺量粉煤灰水泥包括三个含义：高掺量粉煤灰水泥代表一套仿地成岩理论,高掺量粉煤灰水泥是凝结起来的石头,具有与大自然相容的组织和坚硬、耐久的类岩石性能,是对大地成岩仿真的实践；高掺量粉煤灰水泥又代表一种社会经济的绿色循环,高掺量粉煤灰水泥可以全面利用固体排放物,可以清洁生产,可以制备高掺量粉煤灰水泥水泥,高掺量粉煤灰水泥节省资源、节约能源、保护生态,是资源——能源——环境——材料领域良性循环的载体；高掺量粉煤灰水泥还代表一代新的建筑胶凝材料文明,人类建筑文明经历了千年的石灰“三合土”时代、百年的水泥“混凝土”时代,即将迎来可持续发展的第三代建筑胶凝材料文明。
3.3 技术的先进性及其优势
“高掺量粉煤灰水泥”技术的产生,首先是对水泥制造与利用在科学理论上的突破。历经180年历史的波特兰水泥材料和“两磨一烧”工艺已经对世界工业化产生了巨大的作用,而“高掺量粉煤灰水泥”技术则对传统“两磨一烧”水泥材料和生产工艺带来革命性的“改头换面”。
普通水泥的生产由于要以石灰石为主要原料煅烧水泥熟料,引起严重的环境污染、生态破坏、能源浪费、资源枯竭等一系列问题。高掺量粉煤灰水泥的生产与使用过程是火山成岩过程的仿真。高掺量粉煤灰水泥生产的能耗不足普通硅酸盐水泥的70%,几乎不产生污染物,是21世纪最具发展潜力的绿色胶凝材料。
高掺量粉煤灰水泥是根据火山成岩原理,以循环经济思想为指导,运用地球化学、岩石矿物学理论、分子设计理论以及材料仿地设计原则等手段,对工业固体排放物(如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等)进行匹配设计,所获得的能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料。“高掺量粉煤灰水泥”原料可来自钢铁厂、火力发电厂、化工厂等的废渣,产品中废弃物原料含量可达到70%以上(最高时可超过90%)。
高掺量粉煤灰水泥技术所制备的高掺量粉煤灰水泥不仅符合GB175－1999国家标准对普通硅酸盐水泥所规定的各项性能指标,它本身还有许多特殊的性能,如在耐酸性、抗冻融、抗渗性、固结重金属和有机毒物的能力都比传统水泥能力更强。高掺量粉煤灰水泥的体积稳定性也很好,经测试7d的线收缩率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的则只有1/8~1/9。
高掺量粉煤灰水泥技术较之传统的水泥生产方法,有几大优势，包括投资少,以一个年产百万吨产品的工厂为例,建水泥厂需要2.5~3.5亿元,而“高掺量粉煤灰水泥”只需要0.6~1.2亿元；生产过程简化,无须烧制,用“一磨”取代原来的“两磨一烧”;环保,无烟、无粉尘、无废水排放；能耗低,综合能耗比水泥低30%以上；节约原材料,无需开山炸石,工业废料掺量最高可达90%以上。生产成本较传统水泥产品低20%以上；性能优异,技术上不仅达到了普通硅酸盐水泥的国家标准,而且具备许多超越水泥的特殊性能,具备更强的竞争力,发展前景广阔。
3.4 高掺量粉煤灰水泥技术特征
3.4.1 优异的结合性及高强度特征
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料与一般硅酸盐类和碳酸盐类粗细骨料都会发生界面反应,但仍保持好的体积稳定性。这种界面反应的结果是形成梯度界面,再加上胶凝材料硬化体本身是以共价键为主的三维网络体,从而形成包括各种骨料在内的从里到外的共价键结合的整体。而普通水泥类胶凝材料一般认为是范德华力和表面作用为主与骨料结合的。因此高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料可以容易地制成高强度的制品,并有充足的强度后期发展余量。目前高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的硬化最高强度可以达到300MPa。
3.4.2 良好的耐久性和体积稳定性
普通水泥制品中由于含有大量的Ca(OH)2,可导致在服役过程中碳化溶出、酸蚀、硫酸盐侵蚀等化学反应,而高掺量粉煤灰水泥制品中基本不含Ca(OH)2,因此上述影响耐久性的反应基本不会发生。已有的实验表明,高掺量粉煤灰水泥制品的抗冻融性是普通水泥制品的3~10倍。有关专家预测,在普通水泥的常见应用领域中使用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料,其制品抵抗外界物理化学作用的能力可以比水泥制品高出5~20倍。高掺量粉煤灰水泥在凝结硬化和使用过程中具有良好的体积稳定性,其7d线收缩率只有普通水泥的1/5~1/7,28d的线收缩率只有普通水泥的1/8~1/9。
3.4.3 高的耐酸碱侵蚀能力
高掺量粉煤灰水泥具有良好的耐酸碱侵蚀性,在5%硫酸盐溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/13；在5%盐酸盐溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的1/12；使用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料制成的块状用品其耐酸性达到99.9wt%,达到商品耐酸砖的国家标准(GB8488-87)。耐碱性为99.92wt%,达到玻璃马赛克的耐碱性国家标准(GB7697-89)。
3.4.4 极好的耐高温性
高掺量粉煤灰水泥与普通水泥相比,具有极好的高温体积稳定性,其400℃下的线收缩率为0.2%~1%,800℃下的线收缩率为0.2%~2%,可以保持60%以上的原始程度,是制备耐热混凝土的优良材料。
3.4.5 凝结硬化实践具有灵活的可调性
缓凝性的高掺量粉煤灰水泥胶凝材料具有比普通水泥更长的初凝时间,而速凝快硬型高掺量粉煤灰水泥胶凝材料可实现10min终凝,1h抗压强度可达到15MPa以上,24h抗压强度可达到50MPa以上。
3.4.6 超强的固土能力
所有高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料都能与粘土和细沙形成良好的结合。专门用于固土的土工高掺量粉煤灰水泥其固土能力是同标号水泥的3倍以上。
3.4.7 极低的水化热
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的水化——硬化过程与普通水泥胶凝材料不同,是以硅酸盐类矿物(或玻璃体)的溶解——再聚合为主要形式,从理论上说,解聚过程所需要的能量与再聚合过程中所放出的能量基本相等,因此体系的宏观水化热接近于零。大量的实验室试验证明了这一点。
3.4.8 好的固结性能
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料用于固结重金属离子、放射性元素等有毒有害物质,其在各种条件下的抗溶出能力是水泥硬化的5~10倍。高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料可用海水直接拌合,其硬化体具有优异的抗海水侵蚀性。
3.5 高掺量粉煤灰水泥应用领域
3.5.1 建筑领域
建筑高掺量粉煤灰水泥除了具有普通水泥所不具有的一些特殊优异性能外,完全满足目前建筑常用水泥的各项性能指标,因此技术上可替代水泥应用于所有的建筑领域,如混凝土、预制件、砌筑、抹面、地基处理,以及适用于普通水泥的所有墙体材料和屋面材料。
3.5.2 交通领域
道路高掺量粉煤灰水泥与目前常用的道路水泥相对应,特别适合于制备高掺量粉煤灰水泥混凝土路面。道路高掺量粉煤灰水泥除了具备道路水泥的全部性能外,还具有明显的高抗折强度、高耐磨性、快干早硬和充足的后期强度增长空间。
土工高掺量粉煤灰水泥与各类粘土颗粒、各类沙砾及岩石都具有天然的亲和性,将土工高掺量粉煤灰水泥用于软地基土层的处理(GBJT-89),当加入量为6%时,其7d抗压强度可达8~10MPa,因此可用于路基处理。
高掺量粉煤灰水泥特有的远远高于普通水泥制品的耐久性,抗碱、酸、盐及其它环境污染物侵蚀的能力使得高掺量粉煤灰水泥特别适合于制备超交通负荷条件下的混凝土桥梁及其它交通设施。
3.5.3 岩土工程领域
基于高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料的高粘结性、高强度和速凝快硬等特点,是高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料比水泥类胶凝材料更适合于岩土工程领域用于高强度锚固灌浆。利用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料优良的固土性能可将高掺量粉煤灰水泥用于各种桩基工程、路基加固、深基坑处理、塌方的防治,以及地下溶洞的充填等。
3.5.4 矿业工程领域
高掺量粉煤灰水泥在矿业工程领域的应用是本材料最具挑战性也最具成熟经验的应用领域。结合充填采矿方法将其应用于有色、黄金、煤田及其它矿种的高效可持续开采及“三下”开采。可以大幅度降低充填成本(与使用普通水泥相比),同时有助于解决开采、运输技术上的的许多难题。
3.5.5 水利工程及农业领域
高掺量粉煤灰水泥材料特有的接近于零的水化热、超强的抗溶出能力及其固土化优良的体积稳定性使得高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料特别适合于建设超大体积的混凝土大坝及其它水利工程和农业基本设施。利用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料速凝快硬的特点可应用于抗洪抢险工程。
3.5.6 工业建设安装领域
高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料所具有的耐酸、耐碱、耐高温、快干早硬、高强等综合性能,使其特别适合于各类工业安装工程。如可用于各种设备基础的快速浇注、快速安装,特别适合各种高温设备的耐热混凝土基础工程。在电力行业,60万kW大型机组所配套的锅炉烟囱,每根造价约3 000万元,其中花在防酸耐热工程部分的费用就占整体造价的50%以上,如果用高掺量粉煤灰水泥作为胶凝材料直接浇筑耐酸混凝土,不但整体造价可下降50%以上,还能大幅度缩短工期,延长使用寿命。耐酸高掺量粉煤灰水泥可用于工业领域各种强酸、强碱的容器及管道建设。
3.5.7 海洋工程领域
用高掺量粉煤灰水泥类胶凝材料制备海洋工程混凝土要比现有的水泥混凝土具有更好的耐久性,并可直接用于海水搅合。
3.6 高掺量粉煤灰水泥替代水泥的可能性
高掺量粉煤灰水泥技术是以各种工业废弃物(如冶金渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥及其它工业煤渣等),在常温常压下生产高性能新型建材和硅铝基水泥产品。该技术不仅利用废灰渣、变废为宝、节约大量资源和能源,从根本上减少传统工业造成的污染,创造了清洁生产、可持续发展的新型建材工业模式,而且由于高掺量粉煤灰水泥系列产品具有高强度、高致密度、高耐腐蚀性及绿色化和生态化等优点,使高掺量粉煤灰水泥产品可广泛用于水利工程、道路工程、矿业工程、固土固沙工程、建筑工程以及军事工程等领域。高掺量粉煤灰水泥在很多用途上可以替代传统水泥产品,而且具有比传统水泥产品更优越的性能。随着高掺量粉煤灰水泥产业化的进一步发展,高掺量粉煤灰水泥产品替代水泥产品也越来越具备可能性。
(1)长期以来,水泥生产污染严重。我国2005年水泥总产量10.6亿t,位居世界第一,而10亿t水泥要消耗11亿t的石灰石资源、排放约8亿t的二氧化碳(CO2)、80万t的三氧化硫(SO3)、160万t的氮氧化合物和800万t的粉尘。而高掺量粉煤灰水泥生产的污染物排放可接近于零,因此它的推广可以使水泥工业的污染大幅度降低,直至全部消除。
(2)水泥原材料资源有限,社会呼唤新型替代产品。根据中国建材工业协会的报告,我国适宜烧制水泥的石灰石储量为450亿t,其中可开采储量为250亿t,按2003年的水泥产量计算,再过30年我国水泥的原材料资源就面临枯竭。因此,实现资源的高效、循环利用就成为当务之急。显然,高掺量粉煤灰水泥技术为完成这一重大历史使命开辟了一条新路。
(3)高掺量粉煤灰水泥技术有望带来可观的经济效益。据统计,目前我国可直接作为高掺量粉煤灰水泥主体材料的废渣,与现有水泥的年产量(10亿t/年)几乎相等。以全国年产10亿t高掺量粉煤灰水泥计算,由于生产高掺量粉煤灰水泥比生产水泥节能30%以上,因而其生产成本下降显著,仅以简单替代水泥来考虑,就可以取得数百亿元的直接经济效益。
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司#1机于2010年8月2日通过168h满负荷试运行,#2机于2010年10月4日通过168h满负荷试运行,2台机组先后于当年的9月份和11份通过安评并获得试生产许可证,将电能通过蒙西网送直接送到华北网,燃料主要以掺烧当地洗煤废弃的煤矸石和洗中煤为主。该电厂配套的水泥厂2009年5月28日开始试生产,2009年12月15日通过环评,2010年5月28日取得生产许可证,目前年产水泥可达60万t,远销宁夏、陕西、内蒙中部地区和蒙古国。
4 结语
内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司电厂和配套的高掺量粉煤灰水泥粉磨站均运行正常,真正实现了循环经济——最大限度利用电厂粉煤灰生产水泥的目的。电厂二期和水泥厂二期项目已经开始启动。可以预言随着国家能源政策的不断完善,资源的综合利用将会加速推进,届时将会出现“工业——民用”一体化、“煤——电——化工——冶金”一体化的格局,到那时的中国会真正成为一个节能、环保、高效、持续、高度发达的国家。
参考文献：
［1］ 党黎军.循环流化床锅炉的启动调试与安全运行［M］.北京：中国电力出版社,2003.
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