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摘 要：长期以来，煤矸石的大量堆放带来了浪费资源、影响生态环境等大量问题，为解决这些问题，本文以现有成熟的煤矸石综合利用技术为基础，将各个技术流程进行优化整合创新，并提出了煤矸石优化利用产业链模型，将煤矿、电厂、水泥厂等有机结合，对煤矸石废弃物进行循环充分利用，实现废弃物回收利用，带来更多的经济效益。
关键词：煤矸石；粉煤灰；产业链；效益分析；综合利用
一.引言
煤矸石是指煤炭在开采、洗选过程中产生的固体废弃物,影响生态环境，也是可利用的资源,具有双重性。全国国有煤矿现有矸石山1500余座,堆积量30亿t以上,占中国工业固体废物排放总量的40%以上。预计到2020年，全国煤矸石年排放量将增至7.29亿t。
二.煤矸石优化利用产业链模型
该产业链以现有成熟的煤矸石综合利用技术为基础，将各个技术流程进行优化整合创新，将煤矿、电厂、炼钢厂、水泥厂等有机结合，对煤矸石废弃物进行循环充分利用，实现良好的经济效益和社会效益，实现电力与环境协调发展。
三.各项方案分析
（一）燃烧煤矸石的循环流化床锅炉发电
1.技术要求。循环流化床锅炉的结构形式多种多样，但其燃烧的基本环节和工作过程基本上是相似的。燃煤和空气进入一个流态化燃烧室，发生掺混、燃烧，夹带有大量细颗粒物料的烟气在炉膛出口的气固分离器中把所夹带的固体颗粒分离下来，烟气进入尾部受热面，而被分离器收集下来的物料通过返料器被送回主燃烧室循环再燃。约50%燃烧释热通过炉膛受热面传给锅炉汽水系统，使燃烧维持在850-900℃的稳定范围内。
2.可行性分析。据全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网的统计，目前我国绝大多数的CFB锅炉机组分布在热电企业，CFBB发电技术已经比较成熟，是名副其实的CFBB大国。因此利用CFBB来进行煤矸石发电在技术上完全支持。
（二）利用余热循环水供热
1.概述。利用热泵、热管技术将其低品位余热提升并尽可能用于轻工业生产过程、采暖，甚至回馈至电厂自身的热力循环，以提高热机热经济性，即所谓的“热泵回热循环系统”。
2.技术要求。尽管循环水余热温度低于45℃，现代热泵技术将其提升至60～90℃，甚至更高一些是完全可行的。关键在于寻求能够充分利用热力发电厂废弃热或汽轮机低压抽汽热为驱动源的高效低成本热泵。吸附式热泵虽还未进行实际应用，但在工业余热利用的研发中已显出优势。工业生产过程中产生的中温、中压余（废）热等应该是最理想的热泵驱动能，既避免了高级资源的浪费，还能充分利用废弃能量。
3.效益分析。一般大型火电厂实际热效率仅为40％，核电不及35％，大于60％热量排到环境中。回收这部分热能对于节约能源无疑是意义重大的。回收余热，是实现废热“减量化、再利用、资源化”的实际行动，不仅使电厂煤耗下降，而且使之环境影响代价最小。循环水供热方案中消耗的蒸汽属于电厂原供热能力的一部分，也不会额外增加污染物排放。
（三）粉煤灰的深层利用
粉煤灰是产业链中循环流化床锅炉发电产生的一种废弃物，是一种多孔隙的玻璃微珠活性材料。粉煤灰由于利用率较低,大量存放在储灰池中,进行覆土和水封,造成了很大隐患。解决粉煤灰的存放,提高其综合利用率,已是一个亟需解决的问题。基于此，我们在该产业链中提出了三种循环利用途径来减少粉煤灰的堆积。
1.合成水泥
（1）概述。在水泥配料中加入8%～9%粉煤灰代替黏土入回转窑烧成熟料，熟料粉磨水泥时可加入40%粉煤灰生产粉煤灰硅酸盐水泥，将残余含碳量低的粉煤灰磨成400目以下的超细粉煤灰,加到混凝土中生产高性能混凝土。
（2）技术要求
①粉煤灰硅酸盐水泥。为了提高复合硅酸盐水泥的强度,我们采用国内外的研究成果,设法加快粉煤灰与矿渣的水化速率。为了激发粉煤灰及矿渣的潜在活性,加入1%外加剂,使SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分从骨架上脱出,变成游离的离子或离子团,与水溶液中的Ca2+与OH-1等离子生成C-S-H、C-A-H与C-F-H等水硬性矿物。在生产水泥产品中,细粉煤灰的强度要比原状粉煤灰高20%～30%。
②高性能混凝土。大坝混凝土的特点是体积大，除少数部位除外大都强度要求不高，但抗裂、抗渗、抗侵蚀、抗冻融等性能要求高。粉煤灰是拌制高性能混凝土用得较普遍的掺合料。利用粉煤灰、高效减水剂配制出C60高性能轻质混凝土，当粉煤灰掺量为16%，高效减水剂掺量为1.0%，高性能混凝土28d强度高达77.3,MPa,扩散系数低至1.5210-9cm/s,lm，节约水泥200kg。
（3）成本及效益分析
①效益费用比法判断工程项目的经济合理性。经过计算可得该工程项目的效益费用比R>1.0,故判断该工程项目在经济上可行。
②社会和环境效益。其一，利用电厂的灰渣，可以减少环境污染，有效地减少灰场占地。其二，建厂利于就业,利于地区工业布局。
（4）市场分析
混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的消耗量接近100亿吨。我国的水泥产量多年来居世界首位，占1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。
2.回填复垦
（1）概述。根据矿区生产和发展的实际情况,因地制宜地对采煤塌陷土地进行科学合理的回填，生产有机化肥，种植经济作物和适宜的植物解决粉煤灰扬尘污染。
粉煤灰具有潜在的活性，可以反应生成硅酸钙、铝酸钙等具胶凝作用的化合物，填充了颗粒间的孔隙，改善了强度和抗渗性，形成一块具有隔水性能的刚度和强度均较好的板块，有效的改善了地基的承载能力。
（2）技术要求。以推土机将调湿粉煤灰推铺压实,用振动压路机碾压4～6遍,达到实干容重的要求,再在其上部覆盖一层矸石。
生产煤矸石有机复合肥一般用化学活化法。选用含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙按一定比例混合,加入适量的活化添加剂,搅匀,加入适量水,堆沤活化即成。在活化后可掺入氮、钾和微量元素等制成全养分矸石肥料。 （3）可行性分析（以秦岭发电厂为例）。秦岭发电厂已在储灰场上成功种植小冠花。小冠花根系发育好,覆盖面积大,覆盖区湿度高,无粉尘飞扬,因此它是一种较好的保持水土、防尘、固灰植物,能起到覆盖粉煤灰、防止污染、净化环境的效果。小冠花还是一种蛋白质含量较高的饲料,秦岭电厂用纯灰上种植的小冠花进行了养牛、养羊实验,证明小冠花对牛羊等反刍动物无毒性,具有可观的经济效益。
（4）效益分析。
①有利于取长补短治理环境。随着矿井的开采,地面将不可避免的形成大片塌陷区,对自然生态造成一定的破坏。电厂发电需排出大量的粉煤灰,占用大量的农田,污染了环境。利用电厂粉煤灰回填复垦,既解决了塌陷区的复耕问题,也解决了粉煤灰的存放问题。
②提高了煤电一体化项目的整体效益。粉煤灰作为塌陷区的充填材料,有利于减少电厂初期购置贮灰场用地等投资,减少粉煤灰贮存对环境的污染,并可保证矿井的塌陷区及时回填,造地复垦,在必要时可出卖复垦后的土地使用权,从而获得一定的经济效益。
（四）金属炼钢与煤矸石的整合利用方案
1.概述。Al2O3含量介于35～62％的高铝媒矸石、粉煤灰可制炼钢高效脱氧剂硅铝铁合金、水泥速凝剂聚合铝、以及净水剂的聚合氯硅酸铝。
2.技术要求。作为铝盐原料的炉渣必须符告：a、氧化铝含量要高，一般要求在35%以上；b、矿物组分杂质含量要低．含铁量应控制在1.5%以下，钙镁也应控制在0.5%以下；c、酸溶出率一般要求大于80%。
通过浸取法提铝后的煤矸石废渣的主要成分为二氧化硅，对其进行处理可制得硅酸钠，加盐酸进行酸化后经聚合得聚硅酸，而后和三氯化铝进行复合得聚氯硅酸铝产品。
3.效益分析。利用粉煤灰来提炼硅铝铁合金作为炼钢的脱氧剂，可以满足钛钢炼制过程中脱氧剂的工业要求；同时所制吸附剂可用在污水处理环节中，可满足整个产业链中的污水处理要求。不仅能把多余的煤矸石和粉煤灰变废为宝，解决了环境污染问题，更产生显著的经济效益和社会效益。炼钢厂建在煤矿旁边，减少了成本。其生产的余热可被水泥厂再次利用，形成产业循环，减少了能量损失。
四．总结
在煤矸石优化利用产业链模型中，我们将循环流化床锅炉发电厂，洗煤厂与炼钢厂有机结合，洗煤厂为炼钢厂提供精煤，节省了炼钢厂的运煤成本费用，发电厂为炼钢厂提供电力以及生产生活供暖，发电厂产生的粉煤灰以及多余的煤矸石可以加工作为催化剂提供给炼钢厂，同时粉煤灰制成吸附剂满足产业链的污水处理需要，将这些工厂进行一体化运营可以大大节省成本费用，同时还能大大减少煤矸石的堆积，在成本低的情况下创造出更大的效益。同时，因不同地区不同煤厂特点不同，我们建议因地制宜，利用产业链中适合本厂实际的技术流程，实现最大程度上的煤矸石回收利用。（作者单位：华北电力大学）
参考文献：
[1]郑中南.十二五山西省煤矸石及粉煤灰综合利用探讨[J].
[2]寇建玉，刘丰，王振华.大型洗选煤中心废弃物综合利用分析[J].
[3]李海珍，姜有.煤矸石的综合利用[J].
[4]李建锋，郝继红.我国循环流化床锅炉机组数据统计与分析[J].
[5]吴星，付林，胡鹏.电厂循环水供热技术的研究与应用[J].
关键词：煤矸石；粉煤灰；产业链；效益分析；综合利用
一.引言
煤矸石是指煤炭在开采、洗选过程中产生的固体废弃物,影响生态环境，也是可利用的资源,具有双重性。全国国有煤矿现有矸石山1500余座,堆积量30亿t以上,占中国工业固体废物排放总量的40%以上。预计到2020年，全国煤矸石年排放量将增至7.29亿t。
二.煤矸石优化利用产业链模型
该产业链以现有成熟的煤矸石综合利用技术为基础，将各个技术流程进行优化整合创新，将煤矿、电厂、炼钢厂、水泥厂等有机结合，对煤矸石废弃物进行循环充分利用，实现良好的经济效益和社会效益，实现电力与环境协调发展。
三.各项方案分析
（一）燃烧煤矸石的循环流化床锅炉发电
1.技术要求。循环流化床锅炉的结构形式多种多样，但其燃烧的基本环节和工作过程基本上是相似的。燃煤和空气进入一个流态化燃烧室，发生掺混、燃烧，夹带有大量细颗粒物料的烟气在炉膛出口的气固分离器中把所夹带的固体颗粒分离下来，烟气进入尾部受热面，而被分离器收集下来的物料通过返料器被送回主燃烧室循环再燃。约50%燃烧释热通过炉膛受热面传给锅炉汽水系统，使燃烧维持在850-900℃的稳定范围内。
2.可行性分析。据全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网的统计，目前我国绝大多数的CFB锅炉机组分布在热电企业，CFBB发电技术已经比较成熟，是名副其实的CFBB大国。因此利用CFBB来进行煤矸石发电在技术上完全支持。
（二）利用余热循环水供热
1.概述。利用热泵、热管技术将其低品位余热提升并尽可能用于轻工业生产过程、采暖，甚至回馈至电厂自身的热力循环，以提高热机热经济性，即所谓的“热泵回热循环系统”。
2.技术要求。尽管循环水余热温度低于45℃，现代热泵技术将其提升至60～90℃，甚至更高一些是完全可行的。关键在于寻求能够充分利用热力发电厂废弃热或汽轮机低压抽汽热为驱动源的高效低成本热泵。吸附式热泵虽还未进行实际应用，但在工业余热利用的研发中已显出优势。工业生产过程中产生的中温、中压余（废）热等应该是最理想的热泵驱动能，既避免了高级资源的浪费，还能充分利用废弃能量。
3.效益分析。一般大型火电厂实际热效率仅为40％，核电不及35％，大于60％热量排到环境中。回收这部分热能对于节约能源无疑是意义重大的。回收余热，是实现废热“减量化、再利用、资源化”的实际行动，不仅使电厂煤耗下降，而且使之环境影响代价最小。循环水供热方案中消耗的蒸汽属于电厂原供热能力的一部分，也不会额外增加污染物排放。
（三）粉煤灰的深层利用
粉煤灰是产业链中循环流化床锅炉发电产生的一种废弃物，是一种多孔隙的玻璃微珠活性材料。粉煤灰由于利用率较低,大量存放在储灰池中,进行覆土和水封,造成了很大隐患。解决粉煤灰的存放,提高其综合利用率,已是一个亟需解决的问题。基于此，我们在该产业链中提出了三种循环利用途径来减少粉煤灰的堆积。
1.合成水泥
（1）概述。在水泥配料中加入8%～9%粉煤灰代替黏土入回转窑烧成熟料，熟料粉磨水泥时可加入40%粉煤灰生产粉煤灰硅酸盐水泥，将残余含碳量低的粉煤灰磨成400目以下的超细粉煤灰,加到混凝土中生产高性能混凝土。
（2）技术要求
①粉煤灰硅酸盐水泥。为了提高复合硅酸盐水泥的强度,我们采用国内外的研究成果,设法加快粉煤灰与矿渣的水化速率。为了激发粉煤灰及矿渣的潜在活性,加入1%外加剂,使SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分从骨架上脱出,变成游离的离子或离子团,与水溶液中的Ca2+与OH-1等离子生成C-S-H、C-A-H与C-F-H等水硬性矿物。在生产水泥产品中,细粉煤灰的强度要比原状粉煤灰高20%～30%。
②高性能混凝土。大坝混凝土的特点是体积大，除少数部位除外大都强度要求不高，但抗裂、抗渗、抗侵蚀、抗冻融等性能要求高。粉煤灰是拌制高性能混凝土用得较普遍的掺合料。利用粉煤灰、高效减水剂配制出C60高性能轻质混凝土，当粉煤灰掺量为16%，高效减水剂掺量为1.0%，高性能混凝土28d强度高达77.3,MPa,扩散系数低至1.5210-9cm/s,lm，节约水泥200kg。
（3）成本及效益分析
①效益费用比法判断工程项目的经济合理性。经过计算可得该工程项目的效益费用比R>1.0,故判断该工程项目在经济上可行。
②社会和环境效益。其一，利用电厂的灰渣，可以减少环境污染，有效地减少灰场占地。其二，建厂利于就业,利于地区工业布局。
（4）市场分析
混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的消耗量接近100亿吨。我国的水泥产量多年来居世界首位，占1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。
2.回填复垦
（1）概述。根据矿区生产和发展的实际情况,因地制宜地对采煤塌陷土地进行科学合理的回填，生产有机化肥，种植经济作物和适宜的植物解决粉煤灰扬尘污染。
粉煤灰具有潜在的活性，可以反应生成硅酸钙、铝酸钙等具胶凝作用的化合物，填充了颗粒间的孔隙，改善了强度和抗渗性，形成一块具有隔水性能的刚度和强度均较好的板块，有效的改善了地基的承载能力。
（2）技术要求。以推土机将调湿粉煤灰推铺压实,用振动压路机碾压4～6遍,达到实干容重的要求,再在其上部覆盖一层矸石。
生产煤矸石有机复合肥一般用化学活化法。选用含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙按一定比例混合,加入适量的活化添加剂,搅匀,加入适量水,堆沤活化即成。在活化后可掺入氮、钾和微量元素等制成全养分矸石肥料。 （3）可行性分析（以秦岭发电厂为例）。秦岭发电厂已在储灰场上成功种植小冠花。小冠花根系发育好,覆盖面积大,覆盖区湿度高,无粉尘飞扬,因此它是一种较好的保持水土、防尘、固灰植物,能起到覆盖粉煤灰、防止污染、净化环境的效果。小冠花还是一种蛋白质含量较高的饲料,秦岭电厂用纯灰上种植的小冠花进行了养牛、养羊实验,证明小冠花对牛羊等反刍动物无毒性,具有可观的经济效益。
（4）效益分析。
①有利于取长补短治理环境。随着矿井的开采,地面将不可避免的形成大片塌陷区,对自然生态造成一定的破坏。电厂发电需排出大量的粉煤灰,占用大量的农田,污染了环境。利用电厂粉煤灰回填复垦,既解决了塌陷区的复耕问题,也解决了粉煤灰的存放问题。
②提高了煤电一体化项目的整体效益。粉煤灰作为塌陷区的充填材料,有利于减少电厂初期购置贮灰场用地等投资,减少粉煤灰贮存对环境的污染,并可保证矿井的塌陷区及时回填,造地复垦,在必要时可出卖复垦后的土地使用权,从而获得一定的经济效益。
（四）金属炼钢与煤矸石的整合利用方案
1.概述。Al2O3含量介于35～62％的高铝媒矸石、粉煤灰可制炼钢高效脱氧剂硅铝铁合金、水泥速凝剂聚合铝、以及净水剂的聚合氯硅酸铝。
2.技术要求。作为铝盐原料的炉渣必须符告：a、氧化铝含量要高，一般要求在35%以上；b、矿物组分杂质含量要低．含铁量应控制在1.5%以下，钙镁也应控制在0.5%以下；c、酸溶出率一般要求大于80%。
通过浸取法提铝后的煤矸石废渣的主要成分为二氧化硅，对其进行处理可制得硅酸钠，加盐酸进行酸化后经聚合得聚硅酸，而后和三氯化铝进行复合得聚氯硅酸铝产品。
3.效益分析。利用粉煤灰来提炼硅铝铁合金作为炼钢的脱氧剂，可以满足钛钢炼制过程中脱氧剂的工业要求；同时所制吸附剂可用在污水处理环节中，可满足整个产业链中的污水处理要求。不仅能把多余的煤矸石和粉煤灰变废为宝，解决了环境污染问题，更产生显著的经济效益和社会效益。炼钢厂建在煤矿旁边，减少了成本。其生产的余热可被水泥厂再次利用，形成产业循环，减少了能量损失。
四．总结
在煤矸石优化利用产业链模型中，我们将循环流化床锅炉发电厂，洗煤厂与炼钢厂有机结合，洗煤厂为炼钢厂提供精煤，节省了炼钢厂的运煤成本费用，发电厂为炼钢厂提供电力以及生产生活供暖，发电厂产生的粉煤灰以及多余的煤矸石可以加工作为催化剂提供给炼钢厂，同时粉煤灰制成吸附剂满足产业链的污水处理需要，将这些工厂进行一体化运营可以大大节省成本费用，同时还能大大减少煤矸石的堆积，在成本低的情况下创造出更大的效益。同时，因不同地区不同煤厂特点不同，我们建议因地制宜，利用产业链中适合本厂实际的技术流程，实现最大程度上的煤矸石回收利用。（作者单位：华北电力大学）
参考文献：
[1]郑中南.十二五山西省煤矸石及粉煤灰综合利用探讨[J].
[2]寇建玉，刘丰，王振华.大型洗选煤中心废弃物综合利用分析[J].
[3]李海珍，姜有.煤矸石的综合利用[J].
[4]李建锋，郝继红.我国循环流化床锅炉机组数据统计与分析[J].
[5]吴星，付林，胡鹏.电厂循环水供热技术的研究与应用[J].