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水泥工业中煤矸石资源化利用的节能减排分析

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 116次


崔家萍,潘春兰,陈忠权

(山东海事职业学院,潍坊 261108)

摘要    煤矸石作为一种工业废渣,若不充分利用,将侵占良田并危害环境。煤矸石由于具有热值及化学成分类似硅铝质原料的特点,在水泥工业中可进行有效资源化利用。为研究煤矸石在水泥工业资源化利用的节能减排情况,本文采用生命周期评价方法从水泥熟料全过程定量化研究煤矸石配料生产水泥熟料的资源、化石能源及温室效应等环境影响。研究结果表明,煤矸石在水泥工业中具有较好的环境效益,煤矸石掺量为7%时,与零掺量煤矸石相比,资源消耗降低约47%,化石能源消耗降低约9%,而且温室效应环境影响也有所降低。

关键词    煤矸石;水泥熟料;环境负荷

中图分类号:TQ172.7

The research of the production of low environmental burden cement clinker using coal gangue

CUI Jiaping,  PANG Chunlan,  CHEN Zhongquan

(Shandong Maritime vocational College, Weifang, 261108)

Abstract    The coal gangue will occupy cropland and contaminate environment as a kind of industrial waste if utilized adequately.  Coal gangue is used widely in cement industry, because coal gangue has calorific value and its chemical composition is similar with Silicon aluminium material. In this paper, we will use life cycle assessment method to study quantitatively the composition of natural material and fossil energy, and the environmental impact about greenhouse effect. The results indicate that the cement production has better environmental benefit, comparing with 0% coal gangue, the composition of material decrease about 47%, and the fossil energy about 9%, moreover, the greenhouse effect also decreases.

Keywords    coal gangue; cement clinker; environmental load

0       引言

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石,包括巷道掘进过程中的掘进矸石,采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石[1,2]。每开采1t原煤将产生150-200kg的煤矸石。煤炭是我国的主要能源,其产量逐年增长,煤矸石是原煤生产中排放量最大的工业废渣[3]。据不完全统计,目前我国累计堆放的煤矸石约45亿吨,规模较大的矸石山有1600多座,占用土地约1.5万公顷,而且堆积量每年还以1.5-2.0亿吨的速度增加[4]。煤矸石的堆放不仅占用大量土地,而且在一定条件下会发生自燃甚至爆炸事故,造成人员伤亡和煤矿排矸系统的破坏,影响安全生产。同时,煤矸石自燃排放出的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体[5],污染周围大气环境,严重影响矿区居民的身体健康,这些构成了对生态和环境的双重破坏。煤矸石的长期堆存,破坏生态平衡,给人类生存环境带来极大的危害。但是煤矸石本身具有一定的热值,约1000kcal/kg[6], 而且煤矸石燃烧后的灰分与硅铝质原料相似,因此煤矸石又是丰富的自然资源[7],在工业、农业和建筑业中有着广阔的应用前景。目前,我国煤矸石主要应用于制水泥。

综合利用煤矸石,不仅可以缓解我国耕地紧缺的现状,而且可以使煤矸石变成人们可以利用的一种资源,解决当前面临的资源紧缺问题,同时还可以改善人们生存的环境和减少自然灾害的发生。随着国家环保执法力度的不断加大,人们对环境质量要求的提高,解决煤矸石污染环境问题显得越来越突出。煤矸石因为自身的物理化学特性,在水泥生产中得到广泛的应用,但在利用煤矸石生产水泥熟料时,需采用一定方法评价煤矸石综合利用的利与弊,判定煤矸石利用所带来的资源、能源及温室效应等环境影响。

1       研究内容

1.1  生命周期评价方法

生命周期评价是对一种产品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他某种人类活动行为的全过程,包括原材料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回用以及最终处理,进行资源及环境影响的分析与评价。它是一种系统化、定量化的评价方法。目前,生命周期评价方法的评价对象不单单针对某一产品,对于某一材料生产或某一生产工艺都可以采用此方法。

1.2  煤矸石配料生产水泥熟料

煤矸石由于自身具有热值及类似硅铝质原料的特点,在水泥生产中,煤矸石作为一种替代性原燃料被广泛应用。根据水泥生产实践经验,为保证水泥熟料的性能,煤矸石在水泥熟料中的掺量最大可达7%。煤矸石配料生产水泥熟料时,由于煤矸石本身具有热值,为1000kcal/kg,可降低水泥熟料生产的煤耗,同时,煤矸石灰分与硅铝质原料类似,可节省部分硅铝质原料的消耗。本文假设煤矸石燃烧后煤矸石的灰分约75%,且替代与其灰分等质量的硅铝质原料。煤矸石配料生产水泥熟料的生产基础数据取自山东某水泥厂,其中,煤矸石掺量为3%,生产基础数据如表1-1所示。

表1-1  煤矸石配料生产吨水泥熟料的基础数据

石灰石

t/t

1.28E+00

煤矸石

t/t

3.90E-02

砂岩

t/t

6.68E-02

铁粉

t/t

3.69E-02

原煤

kg/t

1.54E+02

电力

kWh/t

5.51E+01

表1-1主要列出了煤矸石掺量为3%时水泥熟料生产的基础数据。实际生产经验表明,在保证水泥熟料性能的前提下,煤矸石在生料中的掺量可达7%,因此本文情景设计三种掺量(3%、5%、7%)下水泥熟料生产情况,本文假定煤矸石灰分仅替代硅铝质原料。

2       结果及讨论

2.1  三种掺量煤矸石生产水泥熟料生命周期总清单

根据生命周期评价方法,计算得出三种煤矸石掺量下生产1t强度为52.5MPa的水泥熟料全过程的总清单,如表2-1所示。

表2-1       1t强度为52.5MPa的水泥熟料全过程的总清单

环境负荷项目

单位

0%

3%

5%

7%

资源输入

石灰石

kg/t

1.32E+03

1.32E+03

1.32E+03

1.32E+03

煤矸石

kg/t

0.00E+00

3.90E-02

6.50E-02

9.10E-02

砂岩

kg/t

9.89E+01

6.88E+01

4.87E+01

2.86E+01

铁粉

kg/t

3.80E+01

3.80E+01

3.80E+01

3.80E+01

能源输入

原煤

kg/t

1.94E+02

1.86E+02

1.81E+02

1.76E+02

原油

kg/t

4.18E+00

4.19E+00

4.19E+00

4.20E+00

 

天然气

m3/t

5.07E-01

5.05E-01

5.03E-01

5.01E-01

环境排放

CO2

kg/t

9.20E+02

9.21E+02

9.22E+02

9.23E+02

 

CO

kg/t

6.34E-01

6.14E-01

6.02E-01

5.90E-01

 

SO2

kg/t

1.29E+00

1.33E+00

1.35E+00

1.37E+00

 

Nox

kg/t

1.87E+00

1.85E+00

1.83E+00

1.81E+00

 

CH4

kg/t

1.68E+00

1.61E+00

1.57E+00

1.52E+00

 

NMVOC

kg/t

1.70E-01

1.65E-01

1.62E-01

1.59E-01

 

PM

kg/t

4.42E+00

4.24E+00

4.14E+00

4.03E+00

 

2.2  三种掺量煤矸石生产水泥熟料的资源消耗情况

由于煤矸石灰分与硅铝质原料相似,可替代部分原料,计算得到三种掺量下煤矸石生产水泥熟料的资源消耗如图2.1所示。其中,将未掺加煤矸石时水泥熟料资源消耗设定为100%。由图2.1得出,随着煤矸石掺量的增加,水泥熟料生产的资源消耗降低,这是由于煤矸石灰分与硅铝质原料相似,可替代部分原料,降低天然资源的开采。

 


图2.1   三种掺量煤矸石生产水泥熟料的资源消耗情况

2.3  三种掺量煤矸石生产水泥熟料的化石能源消耗情况

由于煤矸石本身含有热值,可替代部分原煤,计算得到三种掺量下煤矸石生产水泥熟料的化石能源消耗如图2.1所示。其中,将未掺加煤矸石时水泥熟料资源消耗设定为100%。由图2.1得出,随着煤矸石掺量的增加,水泥熟料生产的化石能源消耗降低,与未掺煤矸石时水泥熟料生产过程相比,煤矸石掺量为7%时,化石能源消耗降低约9%。这是由于煤矸石灰分与硅铝质原料相似,可替代部分原料,降低天然资源的开采。


图2.2   三种掺量煤矸石生产水泥熟料的化石能源消耗情况

2.4  三种掺量煤矸石生产水泥熟料的温室效应环境影响

众所周知,水泥工业是造成温室效应的主要行业之一,而水泥产业对社会造成的环境影响主要是全球变暖,因此讨论水泥行业的温室效应环境影响具有重要意义。计算得到三种掺量下煤矸石生产水泥熟料的温室效应环境影响如图2.3所示。其中,将未掺加煤矸石时水泥熟料资源消耗设定为100%。由图2.3得出,随着煤矸石掺量的增加,水泥熟料生产的温室效应环境影响逐渐降低,但降低幅度较小。主要由于煤矸石本身具有热值,可替代部分原煤消耗,从而降低原煤消耗产生的CO2的排放,但是同等热值的煤矸石燃烧时产生的CO2的排污系数高于原煤,综合者两者作用从而使得三种掺量下的温室效应变化不大。


图2.3  三种掺量煤矸石生产水泥熟料的温室效应对比图

3       结论

综合考虑图2.1、图2.2、图2.3可知,在保证水泥熟料性能的前提下,煤矸石配料可生产低环境负荷水泥熟料,不仅能够降低约47%的资源消耗,而且能够降低约9%的化石能源消耗,同时温室效应环境影响也有所降低。

参考文献

[1] 陈仕香. 用煤矸石替代粘土配料生产优质水泥熟料[J]. 水泥,2003,( 4): 18-19.

[2] 马保国, 曹晓润, 李叶青, 胡贞武, 胡利民.利用煤矸石制备低环境负荷型水泥的研究[J]. 四川环境, 2004, 23(5):61-63

[3]国家统计局. 国民经济和社会发展统计公报, 2014.

[4] 2014年中国煤矸石行业现状研究分析与市场前景预测报告.

[5] 刘小波, 付勇坚等.  煤矸石资源充分利用的新工艺[J].自然资源学报, 1998, 13(1):77-80.

[6] 马保国, 曹晓润, 朱洪波, 高小建. 利用煤矸石生产低环境负荷型高性能水泥初探[J]. 水泥工程, 2004(4):69-72.

[7] 陈德谦,蒋光华,赵明荣. 利用煤矸石替代砂岩配料生产水泥熟料[J]. 水泥, 2013(5):23-25

 

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