章村煤矿坑口煤基废弃物资源化循环利用模式

张建公

(冀中能源集团有限责任公司, 河北 邢台 054000)



章村煤矿坑口煤基废弃物资源化循环利用模式

张建公

(冀中能源集团有限责任公司, 河北 邢台 054000)

为实现煤矿资源利用最大化及节能环保,根据章村矿实际情况,提出章村煤矿坑口煤基废弃物资源化循环利用模式。研究坑口电厂双高粉煤灰利用技术及高效烟气脱硫技术,解决双高煤粉灰的利用难题;开发水泥厂窑炉余热的低温发电技术及矿井废热低品位热能回收技术,用于井筒防冻和建筑空调。该研究为煤基废弃物资源化循环利用提供了有效方法,具有推广应用价值。

煤基废弃物; 资源化循环; 热能回收; 节能减排

循环经济即在物质循环、再生、利用的基础上发展经济,其原则是资源使用的减量化、再利用、资源化再循环[1-2]。学者和企业进行了大量研究和实践,探索煤基废弃物资源化循环利用的途径。新奥集团[3-4]通过地下气化等关键技术的有机组合,实践了煤基清洁能源生态循环技术链。彭斌等[5-6]针对我国缺油、少气、多煤的资源储备现状,提出大力发展洁净的煤基电气化交通等重要措施。周忠科等[7]以煤基清洁能源指标为基础,提出煤基清洁能源中最具发展潜力的是煤制天然气,其次是煤制合成油和煤制二甲醚。张洪潮[8]运用生态学与可持续发展理论,开展了生态型煤基产业集群的研究。近年来,煤炭洗选过程中产生的固体废弃物,以及井下排水和坑口电厂废渣废水等的资源化利用,成为研究的热点问题[9-10]。笔者从冀中能源章村矿洗煤、坑口发电、坑口水泥生产和余热综合利用四方面,研究了煤矿坑口的煤基废弃物综合利用方法,以实现煤矿资源利用最大化及节能环保。

1　坑口煤基废弃物资源化循环利用模式

冀中能源章村矿区是有一定开采历史的老矿区,东矿区二井因资源枯竭于1989年关闭。目前,章村西矿区的三号井、四号井尚在开采,年生产能力120万t。章村西矿区拥有年入洗能力120万t的高变质无烟煤重介洗煤厂,装机容量24 MW煤矸石坑口发电厂;章村东矿区拥有年产熟料170万t、水泥300万t的新型干法水泥熟料生产线。针对一系列废弃物资源化利用问题,研究了洗煤厂固体废弃物发电、发电厂粉煤灰用作制水泥原料、水泥厂余热发电、发电厂余热利用等技术,形成了坑口煤基废弃物资源化循环利用模式,如图1所示。

图1　章村矿坑口煤基废弃物资源化循环利用流程

Fig. 1Process of circular economy industrial chain in Zhangcun mine

2　坑口电厂双高粉煤灰利用

2.1双高粉煤灰利用存在的问题

坑口电厂是矿区“煤—电—建材”循环经济的重要组成部分。原煤经洗选后产生的固体废弃物主要为矸石和煤泥,将其作为电厂燃料,供给矿区和水泥厂生产用电,发电厂产生的粉煤灰、脱硫石膏和炉渣作为水泥生产的工序配料,形成了完整的“资源—产品—消费—再生资源利用”的循环链[11-12]。章村矿电厂粉煤灰烧失量高达17%以上,SO3质量分数超过3%,两项指标均超出国家标准,故称双高粉煤灰。该粉煤灰如果直接用于熟料煅烧会造成预热器堵塞,窑内结皮、结圈事故。

2.2坑口水泥厂熟料煅烧改进工艺

将章村矿坑口电厂粉煤灰成功用于水泥生产,同时避免对水泥生产过程和水泥质量造成显著影响,是问题的关键。为此,改进水泥厂熟料煅烧工艺,方法如下:

(1)同时提高三率值,使物料适当变硬,增强物料的耐烧性,以缓解分解炉缩口、五级筒下料管和烟室斜坡黏结、堵塞及窑内结皮、结蛋现象。

(2)严格控制分解炉出口温度和烟室温度,保证入窑CaCO3分解率在90%左右。一部分CaCO3在窑内分解,可避免液相过早出现而加重结皮,分解炉出口温度控制在850±50 ℃。

(3)定时前后移动燃烧器,调整幅度为±200 mm,通过冷热交替使窑后部结皮及时脱落,避免恶化窑况。

(4)采用薄料快烧方法,将窑速由以往的3.6 r/min提高至3.8 r/min,减少物料的黏结机会。

(5)定时清理分解炉缩口及烟室斜坡结皮,避免结皮加重而影响通风。

经实际应用,水泥厂年利用章村矿电厂粉煤灰5.2万t,煅烧系统正常运行。

3　基于撞击流的坑口电厂烟气脱硫技术

章村矿坑口电厂130 t/h循环流化床锅炉燃用的高硫煤,硫分一般为2.73%～3.02%,脱硫系统入口SO2体积质量超过8 170 mg/m3。脱硫效率达到96%以上才能实现达标排放(400 mg/m3),至2014年,排放标准为200 mg/m3,脱硫效率需超过98%。传统的石灰石(石灰)-石膏湿法喷淋塔无法达到此脱硫效率。目前,国内尚没有既能保证脱硫效率又能保证脱硫副产品综合利用的烟气脱硫工艺[13]。为此,研究了撞击流的化学反应脱硫工艺,并应用于多级喷雾烟气脱硫,其技术特点如下:

(1)多级串联脱硫。采用一塔多级多层喷雾脱硫,即对烟气进行多次独立脱硫从而达到极高的脱硫效率。

(2)喷雾高效吸收。采用超细颗粒喷雾喷嘴将浆液打成雾状,使其与烟气接触,从而得到比传统喷淋湿法脱硫高几十倍的液滴比表面积,提高了浆液利用率及脱硫效率。

(3)废水零排放。对脱硫浆液进行综合利用,减少工艺水的使用,达到脱硫系统运行时无废水排放。

(4)反应塔级间隔板水力防沉积搅拌。各级脱硫隔板采用大量的循环水冲洗,避免了脱硫塔内石膏沉积。

(5)旋风除雾除沫。采用专利技术——下排气旋风除雾器,有效地除去了烟气中的雾及沫,设备本身不需要冲洗水、不堵塞,大大增加了脱硫系统运行的稳定性。

(6)石灰块筛分消化。以石灰块作为脱硫剂,采用专利技术湿式消化装置,筛除过烧、欠烧、硬烧等杂质,保证了脱硫剂的高品质高活性,提高了脱硫效率以及系统的稳定性。

经实际应用与测试,章村矿电厂烟气脱硫效率超过99%,SO2排放体积质量低于200 mg/m3,脱硫副产品——石膏品质大于37%,达到了环保与综合利用要求。

4　煤矿热能回收及利用

4.1坑口水泥厂窑炉余热回收发电技术

采用纯低温双压余热发电技术,回收两条产量为2 500 t/d的水泥熟料生产线窑头、窑尾余热资源,在水泥窑窑尾设置一台窑尾余热锅炉(SP锅炉),利用预热器排出的300 ℃左右的废气;同时,在熟料冷却机上设置一台窑头余热锅炉(AQC锅炉),利用冷却机排出的部分360 ℃左右的废气,配套补汽式蒸汽轮机组,建设一套装机容量为9 MW的纯低温余热电站,电能用于生产自给,减少了熟料生产电耗及成本,实现了资源再回收利用。余热发电工艺流程见图2。

图2　余热发电工艺流程

Fig. 2Technological process of power generation by waste heat

经实际应用,水泥余热电站年供电量在5 600 kW·h左右,减少了外购三分之一的电量,降低生产成本7～10 元/t,取得了较好的经济效益。

4.2矿井废热低品位热能的回收及利用技术

章村矿矿井排水量为500 m3/d,水温为20～22 ℃,章村电厂冷却水水温一般为25～40 ℃,循环水量为5 000～6 500 m3/h,废热资源蕴藏十分丰富。经分析计算,提取折合62 709 t标煤的低温热能,可满足295万m2的建筑采暖及7.5万m2的建筑空调需求。

以电厂冷却水、矿井水作为热泵系统,提取热源,采用高温热泵机组和低温热泵机组优化配置,系统可以输出70～80 ℃高温热水,40～55 ℃中温热水,7～12 ℃空调冷水。废热资源综合利用流程如图3所示。

图3　煤矿废热资源综合利用流程

煤矿废热资源综合利用技术具有如下特点:

(1)矿井水排出地面经在线过滤后直接用于热泵机组,减少了热量损失。

(2)电厂凝汽器出口接管直接提取电厂冷却水，用于高、低温热泵优化组合大温差提热,实现废热利用;开发了高温热泵采暖技术,可直接为传统散热器供热。

(3)开发新型防冻散热器,将热泵系统的热水直接用于井筒防冻,解决了井筒防冻、自身防尘等问题。

(4)废热回收能实现根据环境温度的变化自动控制制热、制冷量,系统节能运行,实现不同季节、不同运行工况下废热资源的自动切换、分配和远程监控。

经实际运行测试,热泵技术的应用保证了章村煤矿工业广场地面建筑冬季供暖(夏季制冷)、井筒防冻及洗浴热水供应,每年节约燃煤10 192.7 t,减少CO2排放26 501 t,减少SO2排放204 t。

5　结束语

为实现章村矿坑口煤基产业链废弃物资源化循环利用,改进了水泥厂熟料煅烧工艺和烟气脱硫工艺,将双高粉煤灰用作熟料煅烧原料;将水泥厂窑炉余热和矿井废热低品位热能用于发电、制冷、制热。上述方法有效提升了资源的利用价值,节能,环保,具有推广应用价值。

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(编辑荀海鑫)

Resource recycling model of pithead coal-based waste in Zhangcun coal mine

ZHANGJiangong

(Jizhong Energy Group Co.Ltd., Xingtai 054000, China)

Aimed at the studying the maximal use of coal resources and energy reduction and environment protection, this paper proposes the resource recycling model of coal-based waste in its pithead mine, based on the actual situations in Zhangcun mine. The study consists of probing into the combustion technique of coal ash for pithead power plant and high efficient technique of flue gas desulphurization for the utilization of double high coal ash and improving the power technology of low temperature resource from waste heat in cement kiln and recycling technique of low-grade energy from waste heat in mine shaft, a technique designed for applying recycling energy in anti-freezing fresh air shaft and construction air-conditionings. The research and practice would provide an efficient method for recycling coal-based waste and promises a wider application.

coal-based waste; resource recycling; thermal recovery; energy-saving and environmental protection

2013-07-11

张建公(1967-),男,山西省大同人,高级工程师,博士研究生，研究方向:煤矿开采,E-mail:jznykjb@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.020

TD98

1671-0118(2013)05-0487-04

A