粉煤灰及高盐水绿色处理技术与应用

卞 卡，柏建彪，赵 涛

(1.扬州中矿建筑新材料科技有限公司，江苏省扬州市，211400；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点试验室，江苏省徐州市，221116；3.江苏博厦矿山科技有限公司，江苏省徐州市，221008)

0 引言

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2和Al2O3(二者质量占比80%以上)、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[1-4]。粉煤灰外观与水泥相似，颜色在乳白色到灰黑色之间变化，颜色越深粉煤灰粒度越细，含碳量越高。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已成为我国当前排量较大的工业废渣之一。根据灰色模型估计，2020年我国粉煤灰的产量达到7.81亿t，2024 年将达到9.25亿t[4]。

国外粉煤灰的综合利用最早可以追溯到20世纪20年代，当时一些发达国家就开始对粉煤灰进行研究。目前在国外，粉煤灰已被广泛应用于建材、建工、交通、农业、化工和冶金等行业；在我国，粉煤灰在建材、化工、道路、填筑、农业的应用技术也已经较为成熟[5-10]。但是受地域限制，如果当地建材加工、生产企业对粉煤灰需求量较低，粉煤灰被企业再利用的可能性较小。

煤化工产业中的一些环节会产生高盐水，这些环节包括循环水的反复利用、除盐水制备过程中所带入的浓盐水、废水处理过程以及再利用过程中所添加的各种药剂和产生的浓盐水。这些高盐水如果未经过处理就排放到自然环境中，就会对生态环境造成严重的破坏，高盐水中的氯离子和硫酸根离子含量较高，若不净化直接排放，将会对周边环境造成严重污染。目前采用的离子交换技术、膜分离技术及热蒸发等高盐水处理技术存在成本较高、处理能力有限等缺点，在一定程度上限制了其应用[11-20]。

因此研发粉煤灰及高盐水处理技术及配套材料、设备、工艺成为该领域工程技术人员需要解决的问题。基于以上问题的研究，笔者提出了一种粉煤灰及高盐水固化充填到煤矿井下采空区的绿色高效处理方法，可同时消耗大量的粉煤灰及高盐水。

1 工程背景

内蒙古鄂尔多斯国电建投内蒙古能源有限公司下属的察哈素煤矿和布连电厂，在生产过程中会产生20万t/a的粉煤灰和18万m3/a左右的高盐水。目前粉煤灰的主要处理方式：一是周边直接填埋，污染环境；二是外卖水泥厂及商砼站，需求量较低；三是将原状粉煤灰制成浆液，灌注到井下采空区，缺点是浆液进入采空区后出现粉煤灰沉淀的现象，水几乎完全析出，又会带来采空区积水隐患。随着粉煤灰产出量的逐年增大，粉煤灰的处理越来越困难。

电厂高盐水中的氯离子和硫酸根离子含量较高，若不处理直接排放将会对周边生态环境造成污染，为此需要对高盐水采用热蒸发技术进行净化处理后回用，但其成本较高，目前还做不到零污染排放。电厂现有的高盐水减排装置因沙坑处理能力有限，部分高盐水未经过减排装置直接排向雨水井，外排高盐水中的氯离子含量高达2 549.9 mg/L，电导率为12 650 μs/cm。

电厂粉煤灰的处理和高盐水的排放给企业经营和环保工作带来越来越大的压力，煤电一体化企业在国内也没有成熟处理的成功先例，为此亟需研究低投入、高效率的粉煤灰及高盐水处理技术，提出粉煤灰和高盐水的绿色综合处理方案。

2 实验测定参数及无机粉煤灰固化剂简介

2.1 实验测定参数

根据大量实验结果，确定粉煤灰及高盐水的最佳配比如下(均为质量比)，即甲料水灰比为1∶1，乙料水灰比为1.5∶1，粉煤灰浆液水灰比为1∶1，甲乙浆液注速比为2∶1，最终实现甲料∶乙料组分比为3∶1。

相关参数测定结果如下：甲料浆液比重为1.52 cm3/mL，乙料浆液比重为1.32 cm3/mL，粉煤灰浆液比重为1.4 cm3/mL。

与使用正常水进行固化实验相比，高盐水中的氯离子和硫酸根离子不影响固化效果，固化比(无机粉煤灰固化剂与粉煤灰质量比)为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50时，混合后浆液凝结体均不析水，但凝结体强度有差别，强度范围为0.2～1.5 MPa，固化比与凝结体强度大小成非线性反比关系，即固化比越小强度就越高，固化比为1∶50时，凝结体强度最小。

2.2 无机粉煤灰固化剂简介

无机粉煤灰固化剂为无机材料，呈粉末状，分为甲料和乙料这2种组分配合使用。单位质量的无机粉煤灰固化剂可固结10～50倍的粉煤灰(根据粉煤灰分级及使用要求调整)，无机粉煤灰固化剂及粉煤灰可用高盐水进行制浆，粉煤灰浆液与固化剂浆液混合后根据需要在适宜时间(20～120 min，可根据使用要求调整)内凝固，凝结体不析水，且受热后失水速度慢，凝结体具有一定的强度。

固化比为1∶10、1∶20、1∶30以及粉煤灰浆液水灰比1∶1时，可用于综采工作面空巷充填、采空区充填及矸石条带充填开采置换煤柱等，浆液流动性好，可充满整个充填空间；用于综采工作面空巷充填及采空区充填时，凝结体强度适中，完整性好，回采时工作面顶板得到了有效控制，避免了冒顶、片帮及支架压死等事故的发生，确保工作面顺利推进；用于矸石条带充填开采置换煤柱时，工艺简单，可对抛投、堆积矸石进行裂隙充填，也可随破碎后矸石一起泵送充填，矸石胶结效果好、强度高，满足“三下”采煤地表沉降要求。

固化比为1∶40、1∶50以及粉煤灰浆液水灰比1∶1时，可用于采空区密闭、工作面后方及相邻工作面防灭火。将采空区一定范围内空间完全充满，采空区隔绝效果好，防止工作面采空区瓦斯、CO等有毒有害气体涌出。从防灭火的角度来讲，矿井原有灌浆系统原状粉煤灰浆液气密性不够，保水能力触变性较差，此外浆液内聚的粘结力较弱，对浮煤的粘附及包裹力较差，进入采空区后泥浆落地如同一滩散砂，随水带走的大量细灰四处流淌。粉煤灰固化剂浆液固结体能够覆盖、固结破碎煤岩体，将破碎遗煤与空气隔离，可以阻止破碎煤体进一步氧化。

3 多元物料智能制备及注浆系统

3.1 系统结构及技术参数

多元物料智能制备及注浆系统分为甲料和乙料制浆单元、混合注浆单元2个部分，甲料和乙料制浆单元主要由储料斗，螺旋输送机，甲、乙一次搅拌机，搅拌泵，螺旋输送机，称重传感、阀门等组成；混合注浆单元主要由甲、乙二次搅拌机，注浆泵，控制箱，动力箱，称重传感等组成。为方便移动和便于牵引，各单元的平台均加装移动胶轮，平台加装固定装置，确保平台上的设备运行平稳。多元物料智能制备及注浆系统外观如图1所示。

图1 多元物料智能制备及注浆系统外观

多元物料智能制备及注浆系统技术参数如下：额定注浆速度为1～2 m3/h、电压为660 V、供气压力为0.4～0.7 MPa、额定压力为5 MPA、总功率为34 kW、甲料水灰比为1∶1(质量比)、乙料水灰比为1.5∶1(质量比)、甲料和乙料配比(质量比)为3∶1、需水量≥30 m3/h、甲料和乙料制浆单元外形尺寸为3 500 mm×1 500 mm×2 100 mm、混合注浆单元外形尺寸为3 300 mm×1 500 mm×1 900 mm。

3.2 系统自动运行原理

系统开启时按照预设值进行制浆。自动运行后，控制系统可以根据预设的固化剂制浆量、水灰比和甲、乙料重量配比，在充分考虑甲、乙搅拌机残留重量的基础上，分配甲、乙制浆量和供水量。

在制浆过程中，供水量和供料量均由称重传感系统控制；当甲、乙筒的供水量和供料量到达额定值时，分别自动关闭供水阀门和螺旋输送机；供料顺序为先供水后供料。为保证制浆精度，在供水完成后，系统会再次检测供水量，得出精确供水量后，根据预设的水灰比自动计算供料量，确保制浆精度。

4 工业性试验

4.1 工艺系统简介

察哈素煤矿将原状粉煤灰制成浆液，灌注到井下采空区，灌浆系统主要由西安森兰科贸有限责任公司生产的储料系统、胶体制备机、滤浆机及输送管路等组成。粉煤灰与高盐水通过制浆机、滤浆机混合制成浆液，水灰比为1∶1，然后通过自重由输送管路输送至采空区，平均流量为60 m3/h，管路直径为133 mm，垂直输送距离约为430 m。

多元物料智能制备及注浆系统可将无机粉煤灰固化剂添加到粉煤灰浆液中，再输送到采空区，使粉煤灰浆液固化后不析水，达到处理粉煤灰和高盐水的目的。为保证固化效果，将固化剂在粉煤灰灌浆系统末端管路添加。甲料和乙料按照固定的质量比分别加水搅拌后，通过变量注浆泵混合器(Φ50 mm管式紊流搅拌器)充分混合后，固化剂浆液与粉煤灰浆液再经混合器(Φ100 mm管式紊流搅拌器)充分混合后的浆液经管路直径为102 mm的灌浆管道进入灌浆区域，粉煤灰固化充填系统示意图如图2所示。

图2 粉煤灰固化充填系统示意图

4.2 实施情况

在察哈素煤矿进行了粉煤灰固结工业性试验，试验步骤如下：将固化剂添加至储料斗内，然后通知地面将制备好的粉煤灰、高盐水浆液输送至井下，同时开启井下多元物料智能制备及注浆系统泵送固化剂浆液。添加固化剂的初期，输浆管上的闸阀1关闭、闸阀2开启，将粉煤灰浆液输送至采空区。约30 min后，开启闸阀1、关闭闸阀2，将粉煤灰浆液输送至储浆池，观察浆液凝结和泌水情况，并记录初凝时间。储浆池储满浆液后，开启闸阀2、关闭闸阀1，将剩余的粉煤灰浆液输送至采空区，直至无机粉煤灰固化剂使用完毕。井下试验设备布置见图3所示。

图3 井下试验设备布置示意图

试验取得成功后，在井下进行了粉煤灰及高盐水固化充填施工，按粉煤灰灌浆系统平均流量为60 m3/h、每天施工2个小班、每班施工6 h计算，可处理粉煤灰及高盐水量均为504 t/d(粉煤灰及高盐水1∶1制浆，故消耗量相同)，每年施工300 d，则可处理粉煤灰及高盐水量均为15万t/a左右。由此可见，采用粉煤灰及高盐水井下采空区固化充填施工，可以处理企业大部分的粉煤灰及高盐水，同时配合粉煤灰外销、高盐水热蒸发处理等措施，企业的经营和环保压力大大减小。

4.3 应用效果

经过对现场记录试验数据进行分析可得出以下结论，单位质量固化剂固结30倍粉煤灰的情况下，粉煤灰固化浆液初凝时间为20～45 min，凝固速度满足要求。浆液初始流动性好且在凝固过程中不析水，锁水功能符合预期；随着时间增长至90～120 min时，凝结体强度有一定程度增高、可达0.2～0.3 MPa，浆液灌入采空区在流动过程中覆盖、固结破碎煤岩体，可对采空区防灭火产生积极作用。

5 结论

笔者提出了一种粉煤灰及高盐水绿色综合处理技术，即粉煤灰和高盐水煤矿井下固化充填到采空区中，并根据技术应用的需要，研发出了性能优良、满足使用要求的新型无机粉煤灰固化剂及自动化程度、制浆精度高的井下多元物料智能制备及注浆系统。

此技术在井下成功进行了工业性试验，能够同时处理大量的粉煤灰及高盐水。在处理粉煤灰及高盐水的同时，还可用于综采工作面采空区防灭火、空巷和采空区充填及矸石充填开采置换煤柱等，具有成本低、效率高和绿色环保的特点，创造了良好的技术、经济及社会效益。

此技术已在察哈素煤矿井下进行了粉煤灰、高盐水固化充填工业性试验，试验效果较为显著，可大大减轻煤电企业的经营和环保压力。