（材料学专业论文）煤电转化材料过程工程研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 资源与环境问题是密切相关的可持续发展的两大基本闽题。本文用材料过程工程学 的研究方法，以调查研究和科学试验为手段，以煤电转化过程为研究对象，以煤电转化 过程各环节( 子过程) “资源减量化、产品再利用、废弃物资源化”为原则以资源节 约和循环利用为核心，以低消耗、低排放、高效率为基本特征，对这一过程进行优化与 集成，并对过程排放的污染物进行环境影响的分析评价，使优化的过程符合资源综合利 用的要求，节约能源的要求，清洁生产的要求，可持续发展的要求，符合建立在生态学 规律之上的循环经济的要求。目的是在工业区或区域层面发展生态工业，把上游生产过 程的副产品或废物用作下游生产过程的原料，形成企业间的工业代谢和共生关系。 在过程工程学的基础上，对材料过程工程学的框架体系进行了研究。以煤电工业和 水泥工业间的交集一废渣的资源化过程的研究为例，进行煤电转化过程的优化与集成。 要实现联产首先要优化煤电转化过程。对煤电转化过程各子过程包括动力煤洗选及 配煤过程、燃煤发电过程、煤系固体废物综合利用过程、脱硫脱硝过程等的发展现状进 行分析研究，分析各子过程存在的问题，提出了技术上及政策上解决的策略。 由联产技术得到的联产灰，采用水泥性质实验、化学分析、x r d 分析及s e m 分析， 对煤粉炉和循环流化床锅炉排出的两种粉煤灰( p f 灰和a f b c 灰) 的性质进行对比分 析研究，结果表明，化学成分差异不大的两种灰，p f 灰细度大、晶相含量小、活性大、 强度贡献大、需水性小；p f 灰颗粒细小，球形颗粒相对较多，颗粒表面相对较光滑； a f b c 灰颗粒相对较粗大，不规则颗粒较多，表面较粗糙，且孔洞较多。 通过优化燃煤过程和联产技术，提出了一种新的粉煤灰的科学分类方法，将粉煤灰 按发电方式及含钙量分为高钙p f 灰、低钙p f 灰、高钙a f b c 灰和低钙a f b c 灰，更 有利于粉煤灰在建筑工程和建材工业方面的分类利用。 本联产技术是基于煤粉炉燃煤与硅酸盐水泥熟料生产具有相近的温度条件，粉煤灰 与水泥熟料具有相似的化学组成。把煤粉炉视为煤粉成分的反应器，进行了煤粉掺杂在 与煤粉炉燃煤相似的燃烧条件下的试验研究，通过x r d 图分析可以看出，随着含钙量 的增加，煤粉灰中的莫来石逐渐消失，形成了钙铝黄长石，随着含钙量的进一步增加， 钙铝黄长石的含量又逐渐减少，形成了新的水硬往的硅酸二钙。结果表明，煤粉掺杂量 在定的范围内，经高温快速燃烧可以生成具有水硬性的贝利特矿物，燃煤发电联产水 泥是可行的。初步进行了联产灰的性质及利用研究。 分析了燃煤发电联产水泥研究现状，找出其存在的问题，认为燃煤发电联产水泥技 术的研发是一项系统工程，必须结合我国火电技术的发展，组织相关学科专家、学者联 煤电转化材料过程工程研究 合攻关才能完成。提出燃煤发电联产水泥技术的研究思路，即顺应煤种、炉型和炉膛温 度等条件，研究锅炉燃烧状况下，煤一渣变化的规律，在此基础上，研究煤粉的配方， 经安全发电后获得不同水硬性成分的熟料。 。 利用炯分析原理，分析计算煤电转化过程的烟效率；利用煤电转化过程排放物的火甩 值，分析计算煤电转化过程排放物对环境的影响。用环境负效应数学式结合气载流出物 的非致癌污染物健康危害数学式，参照我国环境空气质量标准及火电厂大气污染 排放物标准评价煤电转化过程对环境及人体健康的影响。 对我国燃煤发电技术发展进行了分析研究，认为我国未来几十年主流发电方式是最 有技术继承性、最具条件在短时间内实现规模化生产、最具优化火电结构等优势的超( 超) 临界发电，以及环保效果较好的循环流化床锅炉发电。以这两种发电方式为核心，对整 个煤电转化过程进行优化与集成，提出符合我国实际的煤电转化过程路线，并提出优化 集成的煤电转化过程及煤系主要产物循环利用途径。 关键词：材料过程工程学煤电转化过程过程优化与集成煤电联产水泥拥分析 大连理工大学博士学位论文 i n v e s t i g a t i o ni n t ot h ep r o c e s se n g i n e e r i n go f c o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t y a b s t r a c t b o t ha v a i l a b l er o s o u w 髂a n de n v i r o n m e n ta r et h et w oe s s e n t i a li s s u e st h a ta r ec l o s e l yr e l a t e d t ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t yi s o p t i m i z e da n di n t e g r a t e db ye m p l o y i n gt h em e t h o d o l o g yo fm a t e r i a ip r o c e s se n g i n e e r i n g ， t o g e t h e rw i t hs c i e n t i f i cs u r v e ya n de x p e r i m e n t s i nt h es t u d y ，a l lt h es u b - p r o c e s s e si n v o l v e di n t h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t ya r et a k e ni n t oa e c o t m t , u n d e rt h ep r i n c i p l e so f r e s o u r c em i n i m i z a t i o n , t e u s e so fp r o d u c tw a s t e sa n dr e s o u r c e s ，w h i l et h er e s o u r c e c o n s e r v a t i o na n dr e c y c l i n ga r et a k e n 够t h ec o r ev a l u e ，l e a d i n gt ol o wc o n s u m p t i o n , l o w d i s c h 哪懿，a n dh i g he f f i c i e n c y t h ei m p a c to ne n v i r o n m e n tb yp o l l u t a n t si sa n a l y z e da n d e v a l u a t e d ，i no r d e r t oc o n f o r mt ot h er e q u i r e m e n t so fa c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s ， e n e r g yc o n s e r v a t i o n , d e a np r o d u c t i o n , a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , m e e t i n gt h en e e do f e s t a b l i s h i n ga l le c o l o g i c a l ，e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya n ds u s t a i n a b l ee c o n o m y i ti sa i m e da t d e v e l o p i n ga ne c o l o g i c a li n d u s 仃yi nt h ei n d m t r i a lr e g i o l lo rl e v e l ，b yt a k i n gp r o d u c t sa n di n p a r t i c u l a rt h ew a s t e sf r o mt h eu p s t r e a mp r o d u c t i o np r o c e s s 鹬t h er a wm a t e r i a l sf o rt h e d o w n s t r e a mp r o d u c t i o np r o c e s s ，e s t a b l i s h i n ga l lm d 疵a lm e t a b o l i s ma n dc o e x i s t e n c e r e l a t i o n s h i p t h em a t e r i a lp r o c e s se n g i n e a i n g sf r a m es y s t e mh a sb es m d e do nt h eb a s i so ft h ep r o c e s s e n g i n e e r i n g i n t e r s e c t i o nb e t w e e np o w e ri n d u s t r ya n dc e m e n ti n d l l s t r y - r e s i d u eo f r e s o u r c e si s e x e m p l i f i e d ，a n dt h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t yi so p t i m i z e da n di n t e 乒a t e d e a c hs u b - p r o c e s si n v o l v e di nt h ep r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t yi sa n a l y z e da n d i n v e s t i g a t e d , i n c l u d i n g c o a ls e l e c t i o na n d b l e n d i n g ，c o a l f i r e dp o w e rg e n e r a t i o n , c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o ft h es o l i dw a s t e sb yc o a l f o r m a t i o n , d e s u l p h u r i z a t i o na n d d e n i t r a t i o n w h i l et h ep r o b l e m si ne a c ho ft h e s es u b - p r o c e s s e sa r er e v e a l e d , t h es t r a t e g i e sf o r s o l v i n gt h e mb ya p p l y i n gn o wt e c h n o l o g i e sa n dp o l i c i e sa r es u g g e s t e d t h eb e h a v i o ra n dp r o p e r t i e so ff l ya s hp r o d u c e di nt h ep u l v e r i z e dc o a ls t o v e ( p f a ) a n d c i r c u l a t i o nf l u i db e db o i l e r ( a f b c a ) h a v eb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d , b y u s i n gt h ec e m e n t e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，c h e m i c a l ，x r da n ds e ma n a l y s e s t h e r ei sn oo b v i o u sd i f f e r e n c ei n c h e m i c a lc o m p o s i t i o nb e t w e e np f aa n da f b c a p f ae x h i b i t sf i n e rp a r t i c l e s ，ar e l a t i v e l y s m a l l e rp r o p o r t i o no fm i n e r a lc o n t e n t s ，l a r g e ra c t i v e n e s s ，l a r g e rs t r e n g t hc o n t r i b u t i o na n da i i 王一 煤电转化材料过程工程研究 s m a l l e rw a t e rr e q u i r e m e n t 嬲c o m p a r e dt oa f b c a i ta l s oc o n s i s t so fs m a l l e rs p h e r i c a l p a r t i c l e sa n ds m o o t h e rs r r f a c e i nc o n t r a s t ，a f b c ai sa s s o c i a t e dw i t hl a r g e ra n dc o a r s e r p a r t i c l e sw i t hp o r o u ss u r f a c e an e wc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mf o rf l ya s hi sp r o p o s e di nt h i ss t u d y ，n a m e l yt h eh i g hc a l c i u m p f a ，t h el o wc a l c i u mp f 凡t h eh i 曲c a l c i u ma f b c aa n dt h el o wc a l c i u ma f b c a , a c c o r d i n gt o t h ew a y so fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n dt h ec a l c i u mp r o p o r t i o n t h en e w c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mw i l lb e n e f i t 也e i ru s e sa n da p p l i c a t i o n si nb u i l d i n ge n g i n e e r i n ga n d b u i l d i n gm a t e r i a l si n d u s t r y c o a lb u r n i n gi np u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e r sa n dc a l c i n a t i o no fp o r t l a n dc e m e n tc l i n k e ra r e s i m i l a ri nt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，w h i l et h ef l ya s ha n dc e m e n tc l i n k e rh a v es i m i l a rc h e m i c a l c o m p o s i t i o n s t a k i n gp u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e ra sar e a c t o r , c o m p o u n dc o a li sb u r n tu n d e r c o m b u s t i o nc o n d i t i o ns i m i l a rt ot h a to ft h ep u l v e r i z e dc o a ls t o v e o nt h eb a s i so fx r d p h a s e a n a l y s i s ，o n ec a nc o n c l u d et h a tw i t ht h ei n c r e a s ei nc a l c i u mc o n t e n t , t h ea m o u n to f 3 a 1 2 0 3 2 s 1 0 2i nc o a la s hg r a d u a l l yd i s a p p e a r s ，r e p l a c e db y2 c a o a 1 2 0 3 。s i 0 2 w i 也f u r t h e r i n c r e a s ei nt h ec a l c i u mc o n t e n t ，t h e2 c a o 。a 1 2 0 a 。s i 0 2c o n t e n ta l s og r a d u a l l yd e c r e a s e s ，西v i n g r i s et ot h eb e l i t em i n e r a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti nt h ec e r t a i nd o p i n gr a n g eo f t h ep o w d e r e dc o a l ，t h er a p i dc o m b u s t i o na th i g ht e m p e r a t u r eg e n e r a t e sb e l i t em i n e r a l s ， s u g g e s t i n gt h a tt h ef e a s i b i l i t yo fj o i n tp r o d u c t i o no fc o a l - b u r n i n ge l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n d m a n u f a c t u r eo fc e m e n t p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a ls t u d yh a sb e e nd o n eo nt h ep r o p e r t ya n d u f i l i z a t i o no fc o g e n e r a f i o na s h o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n ts t a t u so fs t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fj o i n tp r o d u c t i o no ft h e c o a l - b u r n i n ge l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n dc e m e n tm a n u f a c t u r e ， s o m eo ft h ek e ye x i s t i n g p r o b l e m sh a v eb e e ni d e n t i f i e d i n d e e d ，t h ef e a s i b l ej o i n tp r o d u c t i o no fc o a l - b u r n i n ge l e c t r i c i t y g e n e r a t i o na n dc e m e n tm a n u f a c t u r ei sas y s t e me n g i n e e r i n g i ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t ew i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h e r m a lp o w e rt e c h n o l o g y ，a n dt oo r g a n i z ee x p e r t sa n ds c h o l a r sf r o m r e l a t e dd i s c i p l i n e sa n dj o i n te f f o r t si no r d e rt oc o m p l e t et h i sp r o j e c t t h ei d e ao ft h ei n t e g r a t e d p r o d u c t i o no fc o a l - b u r n i n ge l e c t r i c i t ya n dc e m e n tm a n u f a c t u r eh a st oc o m p l yw i t ht h et y p e s o fc o a la n df u r n a c e ，t h et e m p e r a t u r e si n v o l v e da n do t h e rc o n d i t i o n s ，w h e r et h eb e h a v i o ro f c o a l - s l a gc h a n g e su n d e rt h eb o i l e rc o m b u s t i o nc o n d i t i o nh a st ob es t u d i e d , i no r d e rt os e l e c t t h ea p p r o p r i a t ec o a lc o m p o s i t i o na n dt oo b t a i nt h ec l i n k e ro fd i f f e r e n th y d r a u l i c i t yi n g r e d i e n t s s a f e l y 一i v 大连理工大学博士学位论文 t h e c x e r g y e f f i c i e n c y o f t w o d i f f e r e n t p r o c e s s e s o f c o n v e r t i n g c o a l i n t oe l e c t r i c i t y i s a n a l y z e d a n dd e t e r m i n e da c c o r d i n gt h ee x e r g yb a l a n c ep r i n c i p l e f r o mt h ee x c r g yo f p o l l u t a n t sm i t r e d , t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t yi sa n a l y z e da n dd e t e r m i n e d t h e i m p a c t s o ne n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t ha r ca 1 s oe v a l u a t e db yc o n s i d e r i n gt h e e n v i r o n m e n t a ln e g a t i v ee f f e c t s ，o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lc o m b i n i n g n o n - c a r c i n o g e n i cp o h u t a n th e a l t hh a z a r d sa n da i r b o r n e e f j l l 聪n 忸w i t hr e f e r e n c et ot h e ”a m b i e n ta i rq u a l 埘s t a n d a r d s ”a n d p o w e rp l a n ta i rp o l l u t i o ne m i s s i o ns t a n d a r d s ” h a v i n gs t u d i e d t h et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n to f g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yb yc o a l - b u r n i n gi no u r c o u n t r y ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em a i ne l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nt e c h n i q u e s w i l lb et h es u p e r ( s u p 盱) c r i t i c a lt e c h n o l o g yf o rp o w e rg e n e r a t i o nw h i c hi sb e t t e ri nt e c h n o l o g yi n h e r i t a n c e ，s c a l e - u pi n s h o r tt i m e , o p t i m i z a t i o ni nt h e r m a lp o w e rs t r u c t u r e ，a n dt h ec f bb o i l e rp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yw h i c hh a sb e t t e re n v i r o n m e n t a lr e s u l t s b yt a k i n gt h et w oe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n t e c h n i q u e s 觞t h ec e n t r eo fd e v e l o p m e n t ，也ee n t i r ep r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t y w i l lb eo p t i m i z e da n di n t e g r a t e d , l e a d i n gt ot h er e a l i s t i cj o i n tp r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t o e l e c t r i c i t ya n dt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f t h es o l i dw a s t e s k e yw o r d s ：m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g ；p r o c e s so fc o n v e r t i n gc o a li n t oe l e c t r i c i t y ； p r o c e s so p t i m i z a t i o na n di n t e g r a t i o n ；c e m e n t - p o w e rc o g e n e r a f i o n ； e x e r g ya n a l y s i s v - 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：h 日期： 2 0 0 7 4 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： - f 争唏 2 q q l 年垒- 月- 墨l e t 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 资源短缺、能源紧张和环境污染是世界性的三大难题。2 0 0 0 年地球生态报告中 指出：人类若依照目前的速度继续消耗地球资源，那么地球所有的自然资源会在2 0 7 5 年前耗尽。 1 1 1 资源问题一水泥生产 硅酸盐水泥的生产主要经过生料制备、熟料煅烧与水泥粉磨三个阶段。生料制备主 要是将石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并 调配为成分合适、质量均匀的生料；熟料煅烧是将配制好的生料在水泥窑内煅烧至部分 熔融所得到的以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料；水泥粉磨是将水泥熟料加适量石 膏，有时还加适量混合材料或外加剂共同磨细，制得水泥。 水泥与水泥混凝土是用量最大的人造材料。由于水泥与水泥混凝土材料具有资源丰 富、成本低廉、优良的胶凝性能以及一系列良好的工程性质，它仍将是2 1 世纪一类重 要的不可替代的建筑工程材料。从全球的范围内看，水泥的需求量仍将保持种增长的 态势，而我国的国民经济在2 1 世纪仍将保持高速、稳定和持续发展的势头，对水泥的 需求也将持续增长，目前已经超过1 0 亿吨年。 目前我国单位水泥平均消耗石灰石0 9 5 4 9 8 吨、粘土0 1 6 加2 4 吨，依此计算到 2 0 1 0 年消耗量将分别达7 8 和1 9 亿吨。我国己探明可用于生产水泥的石灰石矿山储量 约为5 4 4 亿吨，可开采利用约为5 2 4 亿吨，照此计算我国的石灰石储量还够开采5 0 年。 粘土开采导致农田被毁，山林植被破坏，水土流失；粘土干燥过程还要消耗大量热 能。为获取粘土年毁坏农田1 万亩以上。 如果按照每立方米混凝土水泥用量2 5 0k g 计算，则2 0 1 0 年我国混凝土浇筑量为3 2 亿立方米；若以每立方米混凝土中水泥：水：砂石= 1 2 ：8 ：8 0 ( 质量比) 计算，则2 0 1 0 年混凝土工业用水量为5 3 亿吨，砂石材料消耗量为5 4 亿吨。 当前我国袋装水泥占水泥总量的6 0 7 0 ，每年要生产约2 5 0 万吨包装纸来用于 水泥包装，为此将耗费1 0 0 0 万立方米木材和7 亿吨淡水。 我国水泥工业如果仍按粗放式和数量扩张型发展，将成为我国社会与经济可持续发 展的重大问题。 煤电转化材料过程工程研究 1 1 2 能源问题一燃煤发电 化石能源是中国一次能源中的主要能源，约占目前消费总量的9 3 ，一次能源中 煤炭占有绝对优势地位。据多年地质勘探，中国常规能源的探明总资源量( 技术上可开 发) 超过8 2 3 0 亿t 标准煤，但可经济开发的探明剩余可采总储量只有1 3 9 2 亿吨标准煤， 约占世界总量的1 0 。总资源量中原煤占8 7 4 。剩余可采总储量中原煤5 8 8 。中国 能源的生产和消费均以煤炭为主。2 0 0 3 年，中国一次能源消费量为1 6 8 亿t 标准煤，是 世界第二大能源消费国。其中，煤炭占6 7 1 ；中国一次能源生产量为1 6 亿t 标准煤， 排世界第三，其中煤炭占7 4 2 ，产量居世界第一位，占全球煤炭生产量的1 3 。从这 些数据可以看出，中国以煤为主的能源结构相当长时间内难以改变。 燃煤发电是煤电转化过程的重要过程，煤炭在中国一次能源消费结构中的主导地位 决定了生产以煤电为主的格局。我国煤电转化面临竞价上网、环境污染重等问题，竞价 上网要求燃煤电厂降低发电成本，提高竞争能力；环境污染重正在制约着燃煤电厂的发 展。如何降低发电成本，污染最小化，是火电厂急需解决的问题，也是燃煤电厂能否实 现经济、环境和社会协调发展的关键。 自1 9 9 0 年以来，中国火电机组装机容量一直保持在装机总量的7 5 左右，发电量占 总发电量的8 0 以上，其中燃煤电站占总发电量的7 5 左右。2 0 0 3 年，中国火电装机总 容量达n 2 8 5 6 g w ，占总装机容量的7 4 3 ，发电量为1 0 9 5 0 亿k w h ，约占总发电量的 8 0 t 2 1 。 按照到2 0 2 0 年国民经济翻两番的发展速度，预测到2 0 1 0 年全国发电量将达到2 7 8 万亿千瓦时左右，装机容量在6 2 9g w 左右。2 0 2 0 年全国需要的发电量为4 3 3 g w h ， 装机容量为9 2 8g w 左右，其中煤电装机容量将达到5 7 7g w ，占装机总容量的6 2 。 煤电耗原煤将达到约1 4 亿吨，占全国原煤消费量的6 5 左右，燃煤总量将维持在2 亿 吨以上p 】。火电机组是中国电力工业的主体，这一局面在今后很长一段时间内不会改变。 1 1 3 环境问题 以煤为主的能源结构造成的空气污染问题已十分严重，据国家环境保护总局和国家 统计局联合发布的中国绿色国民经济核算研究报告2 0 0 4 ) ) ( 公众版) 公布【4 】，2 0 0 4 年全国因环境污染造成的经济损失为5 1 1 8 亿元，占当年g d p 的3 0 5 。其中，水污染 的环境成本占总成本的5 5 9 ，大气污染的环境成本占总成本的4 2 9 ；固体废物和污 染事故造成的经济损失占总成本的1 2 。2 0 0 4 年，工业行业排放s 0 22 1 7 3 2 万t ，其 中电力行业排放的s 0 2 占6 3 3 。在燃烧过程排放的s o s 中，电力行业占8 6 6 ，是s c h 排放的绝对大户。工业行业n o x 共排放1 3 0 9 3 万t ，主要集中在电力和钢铁行业。位于 一2 一 大连理工大学博士学位论文 全国一般工业固废行业产生量前5 位的电力、黑色冶金、煤炭采选、黑色和有色矿采选 业的产生量占总产生量的7 6 9 。 据我国大型电站锅炉( 5 0 3 0 0 m w ) 的调查结果，燃油炉n o t 排放量为 6 0 0 4 0 0 m g m 3 ，固态排渣煤粉炉为6 0 0 2 0 0 m g m 3 ，液态排渣炉为8 5 0 15 0m g m 3 ，旋风炉 为1 0 0 0 5 0 0m g m 3 ，均比国外电站锅炉n o ；的排放量大得多。计算表明，我国发电量每 增加一百亿千瓦时，n o x 的排放量就增加3 9 8 8 万吨。 我国水泥生产年耗电达5 2 0 x 1 0 8 k w h ，年耗标煤0 5 x 1 0 8 吨，年排放c 0 23 ；6 x 1 0 8 吨， 年排放s 0 2 和n o x l 5 0 x 1 0 4 吨。如果如此继续发展下去，我国的资源能源和环境将不堪 重负。 我国粉尘年排放量7 2 8 万吨，相当于4 - - 一5 条4 0 0 0 t d 水泥生产线全年产量。以1 3 亿人口计，人均水泥粉尘负荷5 6 k g ，占水泥产量2 3 。 煤矸石是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废弃物之一。在煤炭生产过程 中，煤矸石排放量约占煤炭产量的1 0 ，每年排放量约为1 亿t 左右。在煤炭洗选过程 中，洗矸石约占精煤产量的3 0 ，每年排放量约0 7 亿t 。每年矸石排放总量约1 7 亿t 。 2 0 0 0 年全国煤矸石综合利用量6 6 0 0 万吨，利用率为当年排放量的4 3 。煤矸石长期露 天堆放，当内部温度达到燃点时( 煤的燃点一般为3 6 0 ) 可自燃，放出的大量有害气 体，对环境造成严重污染。煤矸石露天堆放会侵占部分耕地。煤矸石受到降雨喷淋或长 期处于浸渍状态，对水环境和土壤环境造成二次污染。煤矸石堆放时的自然安息角为 3 8 - - 。4 0 0 ，如果矸石山堆积过高、坡度过大或受到人为开挖影响时，或受到爆炸或暴雨 侵蚀时，就容易形成坍塌、滑坡、渣石流等灾害。 现代化火电厂即使使用低灰分的高级别煤，煤能够比较充分燃烧，1 万k w 装机容 量的粉煤灰年排放量在1 0 0 0 至2 0 0 0 吨。由于燃煤机组的不断增加，导致粉煤灰排放量 急剧增长，我国火电厂每年产生2 亿吨以上。我国粉煤灰综合利用发展很不平衡。2 0 0 3 年，粉煤灰的平均利用率约为6 5 左右。粉煤灰颗粒很细，平均粒径一般为0 0 2 0 0 8 r a m ，堆放于灰场的粉煤灰如果含水率比较低，将会因风力而产生空气污染，一般 当风力达到3 级时就可以扬起粉尘。通常l 万t 粉煤灰需要大约6 6 6 7 m 2 的场地堆放， 一座装机容量为3 0 万k w 的发电厂，如果排放粉煤灰5 0 堆放于灰场，1 0 年将需要 6 7 x 1 0 4m 2 左右。这不仅浪费土地( 有时甚至是耕地) 资源，而且影响周围的环境景观。 堆放在灰场的粉煤灰，经过日晒、风吹、雨淋及冻融作用，可渗滤的有毒、有害物质会 随着降水、降雪进入地表水或地下水，污染地下、地表水及土壤。 综上所述，水泥混凝土材料的粗放型生产以及我国煤电比重大的特征，对资源、能 源的消耗以及对环境的污染已经对当代人乃至后代人的生存构成威胁。因此煤电转化过 煤电转化材料过程工程研究 程及水泥混凝土材料生产过程必须强调洁净燃烧、高效率生产及过程排放的废渣、废气、 废水的综合治理，强调整个过程“资源减量化、产品再利用、废弃物资源化，以环 境、资源与发展的和谐统一。 1 1 4 选题的意义 就在人们反思创造社会文明的同时，由于造成自身赖以生存的环境破坏和自然资源 的枯竭，使可持续发展理念及其实现而倡导的以知识经济为基础和以循环经济为发展模 式营运而生。循环经济是种新的经济形态，是对物质闭路流动型经济的一种简称，它要 求按生态规律组织生产、消费和处理废弃物，合理利用自然资源和环境容量，在物质不 断循环利用基础上发展经济，并能和谐地纳入到自然生态系统的物质循环过程之中。既 不是“生产过程末端治理”，也不是“资源产品污染排放”那种单一物质流动模式。 而是组成一个“资源一产品一再生资源一再生产品”多路径的闭路技术、经济循环过程， 达到物质、能源利用的最大化和废物排放的最小化。 从材料过程工程学的视角分析研究燃煤发电和水泥生产过程，将二者联产，即为煤 电转化材料过程工程的研究，这是本文研究的根本所在。也就是将燃煤电厂发电过程中 原来要排放的粉煤灰直接转化为硅酸盐水泥，发电的同时又可得到水泥，既节省投资又 避免环境污染、又得到水泥材料，一举多得。 ( 1 ) 中国的煤电转化过程现状 中国的煤电转化过程现状如图1 1 所示，其主要特征是： 原煤一般不经洗选，只要符合锅炉要求，即可用来发电。如果一种煤不符合要 求，则选择几种煤配合使用。 锅炉排出的烟气，一般不经脱硫直接排放到大气中，目前我国只有极少数发电 厂锅炉加装了f g d 脱硫设备。在过量空气系数为1 1 时，燃用含硫量为l 4 的煤， 标准状态下烟气中s 0 2 的含量约为3 1 4 3 1 0 9 m 3 。 锅炉排出的灰、渣，部分被综合利用，部分堆积在环境中。我国历年堆存的粉 煤灰总量已有1 0 亿吨以上，而粉煤灰当年排放量的利用量也只有一半左右，剩余的仍 送贮灰场堆存。 一4 一 大连理工大学博士学位论文 叫 坩气 广叫姻弋琢_ 双 l 一 1 发电 1 - ( 尹竺- 一上朗供电 l 、一l 一 图1 1 传统的煤电转化过程流程图 f i g1 1f l o wc h a r tt r a d i t i o n a lp r o c e s so f c o a lc h a n g i n gi n t oe l e c t r i c i t y ( 2 ) 煤电转化与水泥生产过程的主要产物循环利用如图1 2 所示，主要特征为： 取自地球的原煤一般不经洗选，直接用于发电，如果不符合锅炉要求，则选择 几种煤配合使用。 锅炉排出的烟气，一般不经脱硫直接排放到大气中，作用于人居环境。 锅炉排出的灰、渣，部分被综合利用，用于人居环境中，部分被废弃。 水泥厂以取自地球的石灰石、粘土为原料，以取自地球的煤为燃料，生产水泥。 水泥与取自地球的集料、水混合制各混凝土建造建筑物和构筑物，用于人居环境。 建筑物、构筑物废弃后形成的废弃混凝土，存留于地球上。 这种单方面从地球大量索取资源，利用后，废弃物存留于地球之上，造成了极大的 环境污染，不利于可持续发展。 煤电转化材料过程工程研究 图1 2 传统煤电转化过程的煤系主要产物循环利用流程图 f i g1 2f l o wc h a r tt r a d i t i o n a lp r o c e s so f c o a lc h a n g i n gi n t oe l e c t r i c i t ya n d c o a lm a i np r o d u c tr e c y c l i n g 本文的主要目的就是将材料过程工程学的研究方法用于