「富煤、貧油、少氣」的能源資源特點決定了我國以煤炭為主的能源結構，煤炭為國民經濟發展提供基礎。但是在煤炭開採利用過程中會產生固體廢棄物，比如：在煤炭開採過程中產生的煤矸石、在煤炭燃燒利用中產生的粉煤灰、在煤炭化工轉化過程中產生的氣化灰渣等等。這些固體廢棄物統稱為煤基固廢，目前對其處置主要以填埋堆存為主，煤基固廢的累計堆存量已經達到數百億噸，而且還保持着每年新產生15億噸的高速增長。堆存和填埋需要占用大量的土地資源，圖1就是一個由煤矸石堆積成的山，「蔚為壯觀」，這種處理方式有時還會產生揚塵影響空氣質量，重金屬等如果滲透到土壤中還會造成土壤污染。
為此，2021年3月國家發展和改革委員會聯合九部門發文提出：到2025年，新增大宗固廢綜合利用率達到60%，存量大宗固廢有序減少。煤基固廢屬於最為普通和典型的大宗固廢，解決好煤基固廢處置的問題，對未來環境可持續發展意義重大。
圖1 煤矸石山（圖片來源：山西新聞網）
煤基固廢的屬性
煤基固廢中殘存一部分碳，而且灰中富含鋁硅基化合物，煤基固廢具有燃料屬性和原料屬性。煤基固廢的兩種主要屬性，決定了其主要處置方式從碳的燃燒利用和灰的材料化利用兩個方面開展。但是煤基固廢中的碳含量較低、熱值低、揮發分超低，屬於難燃燃料，燃燒利用的難度大。而且灰中的雜質成分複雜，含有重金屬等毒性物質，無機組分利用工藝複雜，能耗高。這些特點都限制了煤基固廢的大規模利用。近些年，研究人員開展了大量的研究工作，在煤基固廢的資源化利用方面取得了許多重要的突破。
燃料化：煤基固廢大規模利用的有力武器
煤基固廢的燃燒利用可以實現碳的利用，可用於產生蒸汽或者發電，實現煤的替代，目前已經實現了規模化的利用。我國將煤矸石作為燃料進行發電的歷史始於20世紀70年代，早期的煤矸石發電技術主要通過沸騰爐進行燃燒，但存在燃燒效率低、能耗高和污染嚴重的問題。
隨後，由於具有極強的煤種適應性和污染物排放低等特點，循環流化床燃燒技術在我國迅速發展。2002年，由中科院工程熱物理研究所循環流化床實驗室開發的130t/h燃用煤矸石循環流化床鍋爐在甘肅窯街投運，成功解決了煤矸石的高效燃燒問題。近幾年，我國每年至少有1.4億噸煤矸石被用於發電，絕大部分都是通過循環流化床燃燒技術實現的，其效果相當於每年節約3800萬噸標準煤。
但當前煤矸石發電仍然面臨着諸多挑戰：一方面是經濟效益不高，部分煤矸石電廠甚至還處於虧損狀態；另一方面是煤矸石發電會產生大量的粉煤灰需要處理，其產量大約是普通火電廠的2~3倍，給煤矸石電廠帶來了巨大的環保壓力。
材料化：煤基固廢資源化的終極法寶
燃燒處置可以實現無害化，但仍會殘餘大量無機灰分，還需要進一步的處置。而材料化利用，才是煤基固廢資源化的終極法寶。除了脫碳後作為建材簡單利用外，根據煤基固廢中灰的組分不同，煤基固廢材料化利用的方式可以分為如下幾類，如圖2所示：1）含有一定有機物的，它們是攜帶固氮、解磷、解鉀等微生物的理想基質和載體，可以用於微生物肥料和複合肥料等生產農業肥料；2）主要由金屬氧化物組成的，具有抗壓耐溫等特點，通過燒結等工藝可以製備水泥、陶粒和玻璃纖維棉等建工建材；3）含有大量的稀有元素的，如鎵、硒和鈦等，可以通過化學提純的方法進行提質利用。4）富含硅鋁成分的，可以用於製取碳化硅、分子篩、白炭黑以及聚合氧化鋁等含鋁硅基產品。
圖2 煤基固廢的材料化利用
燃料化和資源化結合，將煤基固廢變廢為寶
目前，在中國科學院戰略性先導專項和國家自然科學基金的支持下，中科院工程熱物理研究所循環流化床實驗室團隊正在開發煤基固廢資源化利用技術，包括流態化焚燒碳利用和熔融高值化利用兩個關鍵技術，通過兩個關鍵技術的結合，實現了碳的燃燒/氣化利用和無機組分的鋁硅基產品高值化利用。
技術路線如圖3所示，煤基固廢中的碳組分通過活化改性後實現高效燃燒，產生蒸汽或電；無機組分通過熔融礦相重構，進一步實現高值化利用，製取鋁硅基產品。目前流態化焚燒碳利用技術已經應用於氣化灰渣焚燒發電，實現了單台焚燒爐處理量500t/d的工業示範，效益顯著；熔融高值化利用技術已經完成了技術的中試驗證，正在開展工程示範。
圖3 煤基固廢燃燒資源化利用技術
結語：
煤基固廢的資源化利用是煤電-化工有色-材料-新能源循環經濟新模式的重要支撐，可促進大型煤-電-化能源基地與周邊化工、新材料等產業有機融合，進而實現煤炭及其伴生資源在本地區內高效循環利用，降低固廢及其產品長周期堆存和跨地區運輸對生態環境的影響。因此，實現煤基固廢的規模化和資源化利用勢在必行，有利於構建我國綠色循環經濟。
來源：中國科學院工程熱物理研究所
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