煤矸石及电厂粉煤灰制砖经济性分析

刘 杰

(陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西 宝鸡 721505)

0 引言

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的含炭量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。由于煤炭是我国的主要能源，在“十五”“十一五”煤炭黄金十年期间大批量煤矿开工建设，并配套一定规模的选煤厂，随着煤炭洗选比例增加，选煤后煤矸石利用问题越来越突出，据统计，截止2015年年底煤矸石堆存量约48亿t，全国共有矸山1 700多座，每年排矸130 Mt以上，占地32 km2，煤矸石长期堆存，占用大量土地，自燃产生的CO、SO2、SO3、H2S等有毒有害气体严重污染周围环境，经雨水淋溶进入水域或渗入土壤，影响水体和土壤的质量，因此科学合理利用煤矸石综合利用已是一个刻不容缓、亟待研究解决的重要社会问题。

粉煤灰是燃煤电厂生产过程的伴生产物，粉煤灰直接排污，污染环境，随着我国燃煤电厂的不断建设，粉煤灰占用土地量大，环境污染严重。目前，我国燃煤电厂粉煤灰都是就地堆放，其后果是：占用大片土地，粉煤灰见风飞扬等特点，不仅浪费能源，污染环境，而且严重影响职工及当地居民的健康，甚至制约企业的正常生产，因此粉煤灰综合利用化是非常必要的。

1 园子沟矿井煤矸石、麟北电厂粉煤灰概述

园子沟矿井、麟北发电隶属于国家大型煤炭基地之一的永陇矿区麟游区，位于宝鸡市麟游县两亭镇，陕西麟北煤业开发有限责任公司园子沟矿井设计规模年产煤炭800万t，配套800万t的选煤厂，选煤厂采用3～150 mm全入洗生产方案，年产煤矸石约120万t，除配煤系统用去45万t矸石外，剩余75万t需外排。公司设计规模为2×35 MW超临界低热值煤间接空冷机组、循环流化床技术，年度发电量为30亿kWh，需用燃料煤(混煤、煤泥、煤矸石)约200万t，年产粉煤灰约80万t。其中，园子沟矿井煤矸石、麟北电厂粉煤灰化学成分，见表1。

表1 园子沟矿井煤矸石、麟北电厂粉煤灰化学成分

2 煤矸石、粉煤灰综合利用途径

2.1 煤矸石综合利用途径

煤矸石铺路及矿井采空区回填：煤矸石是由各种颗粒的粒径组成，各粒径所占比例由于不同地区地质构造情况的差异，堆积的煤矸石孔隙率不同，其级配不同，与大颗粒成分所占比例较大的煤矸石相比，选用自然级配较好的煤矸石经过碾压后产生的结构应更致密，并符合《公路路基施工技术规范》级配要求，碾压后符合其力学指标，稳定性要求，因此用于铺路；还可用于井下采空区、地表沉陷区回填，减少其外排量和地表下沉幅度。

煤矸石发电：煤矸石发电不仅节约标煤、化害为利、节约能源，而且缓解区域内日益增长的供电、供热需求、按照国能电力[2011]396号文件低热煤发电技术指标要求，煤矸石燃料收到基低位发热量必须≥1 200 kcal/kg，且洗中煤和洗矸石、煤泥按一定比例掺配，燃料收到基热值不高于3 500 kcal/kg用于发电。

煤矸石制砖：煤矸石生产的烧结砖、多孔砖和空心砖，现已广泛应用于建筑施工过程中，以煤矸石为原材料，将煤矸石经过破碎—制备—搅拌—成型—干燥—码垛—打包等工艺流程后，成为了具有强度高、热阻大、隔音好，可降低建筑物墙体厚度的高品质新型墙体材料。其中，粉碎机可以根据制作的需要，粉碎大小不同的颗粒；搅拌时，需要加入一定的粘结剂进行搅拌。近年，随着对引进国外先进技术和制砖工艺技术的吸收与创新，烧结砖的产品质量、档次、功能、性能等方面也有了很大提高。

煤矸石生产水泥：煤矸石粉碎后，可以部分或全部代替粘土组分生产普通水泥。由于自燃或人工燃烧过的煤矸石，具有一定活性，可作为水泥的活性混合材料，具体：掺杂量<20%可用于生产普通硅酸盐水泥；掺杂量在20%～50%之间可用于生产灰质水泥；掺杂量>50%可用于生产少熟料水泥；适当配比石灰、石膏，可磨成无熟料水泥。

煤矸石生产化工产品：由于煤矸石主要由三氧化二铝及二氧化硅构成，还有部分氧化铁、氧化镁、氧化钠、氧化钾等，通过化学方式从其中提取或某一元素或生产某种产品，结合区域及成分分析，可生产化工产品，如：氢氧化铝、氧化铝、聚合氯化铝、硫酸铝、分子筛(4A、Y、X型)、白炭黑、氧化铁红等。

煤矸石的其他用途：煤矸石通过物理化学处理，生产超细高岭土“双90”产品；多孔陶瓷、日用陶瓷、釉面砖、新型墙砖；净水材料、胶结充填专用胶凝材料；还可提取稀有元素，作肥料使用，改善土壤性能，提高作物产量。

2.2 粉煤灰综合利用途径

粉煤灰加气混凝土：主要以粉煤灰为原料、石灰、水泥、石膏、发气剂等为辅助，将这些原料经过加工配料、搅拌、浇注、发气稠化、切割、蒸压养护等工序制成。可用作屋面保温、维护墙、隔断墙，亦可做楼层为5层的承重墙，特别适用于高层建筑填充墙、寒冷地区的外墙和地震区使用，可减轻墙重，增加使用面积。

粉煤灰混凝土空心砌块和路面砖：粉煤灰混凝土空心砌块以粉煤灰、集料、水泥等，原料经配比、搅拌、成型、养护等工序制成；粉煤灰混凝土路面砖以水泥和粉煤灰为混合胶结料再配以粗骨料等，原料经配比、搅拌、成型、养护制成方砖、连锁路面砖、仿古砖、绿化种草砖、路沿块及其它形状的路面砖等，还可制成各种彩色的路面砖。粉煤灰混凝土路面砖不但具有普通混凝土路面砖的优点和用途，而且重量轻、导热系数小，长期性能更好。用于车行道、人行道、园林道路、广场、亭院、仿古建筑道路、停车场、护坡和绿化等。

粉煤灰砖：以粉煤灰、石灰为原料，掺加适量石膏和骨料，经坯料制备，压制成型，高压或常压蒸汽养护而成的粉煤灰砖。

粉煤灰其他用途：粉煤灰主要由二氧化硅和三氧化二铝组成，还有部分氧化钠、氧化镁等成分，可从中提取氧化铝、聚合氯化铝，合成新型材料，如制备4A沸石(介孔材料)。

3 煤矸石制砖工艺

矿区煤矸石、粉煤灰资源综合利用既增加企业经济效益、社会效益，又改善煤矿生产结构，分流富余人员，减少土地资源占用，变废为宝，不仅降低固体废弃物的排放，而且改善环境污染、创造了更多的就业岗位。因此，陕能股份结合自身特点，对永陇矿区麟游区园子沟煤矿、麟北电厂提出了自身发展循环经济的思路：“煤-电-砖”循环经济模式，即优质煤出售，煤泥、混煤、矸石掺混后用于发电，就地转化为电能，电厂生产的粉煤灰、炉渣用于制砖。

3.1 工艺技术

引进德国固废激振激发技术的基础上，结合现有工艺技术研发而成的无二次污染的固废利用技术，生产过程中不会破坏周围环境，使传统的制砖质量大幅提高，成本大幅下降。

3.2 工艺流程

工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

3.3 设备选型依据原则

技术先进、经济合理：选用设备根据矿区煤矸石、粉煤灰年产量、设备工艺技术参数(型号、小时处理量、产品规格等)，确保产品质量合格，优先考虑设备自动化运转程度较高的机器，降低工人劳动强度、提高劳动生产率；并选择节能的设备(耗电、耗水指标较低)，方便维护和保养。

设备运行安全可靠：自动化设备必须经过国家质量监督局认可或检验的产品，技术上必须先进并达到行业标准或高于行业标准，同时必须经过行业检验合格的设备。

4 经济效益分析

根据市场需求及企业实际情况，园子沟矿井煤矸石、麟北电厂粉煤灰年可生产6.2亿块砖，具体生产产品方案见表2。

表2 产品方案、数量及市场价格

本项目产品主要质量指标符合国家及行业有关标准要求。客户有要求的应按相关标准要求控制，成品出厂合格率达99%以上。产品质量完全符合或超过国家及行业标准。

年计划工作日300 d，行政管理人员、辅助部门及生产车间工人均为单班工作制，每班工作8 h，定员400人；年生产矸石砖6.2亿块，可实现销售收入2.15亿元。

项目用水量：工业用水约2 800 m3/d，采用园子沟煤矿矿井水，其中，成型用水量约2 000 m3/d，循环冷却水补充水量400 m3/d，冲洗设备及地面用水200 m3/d，道路洒水100 m3/d，实验室及辅助车间用水100 m3/d，年用水量损耗约为8.4×105m3(每年按300 d计)。根据工业企业一般生活用水定额60～100 L/人班，本项目生活用水定额按100 L/人班，职工人数400人计，则项目的生活用水量应为40 m3/d，年用水量损耗约为12 000 m3，用电量约5.8×106kWh/a，年水电费用估算，见表3。

表3 年水电费用估算

人员工资：每年约8万元/人，定员400人，3 200万元，煤矸石、粉煤灰属于煤矿、电厂外排固体废弃物(成本按15元/t考虑)，约2 300万元/a，水电费约793万元/a，其他成本约6 000万元(考虑设备折旧费、维修费、工艺添加剂、辅助材料购置及其他成本)，年利润约1.24亿元。

5 结语

砖厂有效地解决了麟北电厂粉煤灰、园子沟矿煤矸石排放问题，既减少了粉煤灰和煤矸石占地面积对环境的影响，又增加了经济效益，变废为宝，使矿区环境从根本上得以改善，在构建和谐矿区、保护环境、促进低碳循环经济发展的背景下，园子沟矿井、麟北电厂走产学研相结合道路，加快产学研联合步伐。对煤矸石、粉煤灰成分进行定性定量分析，为煤矸石资源化提供技术保障。随着煤矸石、粉煤灰资源综合利用技术的突破，永陇矿区麟游区计划“十四五”至“十五五”规划期间通过生产高附加值产品，实现企业环境治理与经济效益的双赢。