一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法与流程

本发明涉及工业废物处理
技术领域：
，特别涉及一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法。
背景技术：
：近年来，人类活动和工业文明创造了巨大的物质财富，但同时也消耗了大量的自然资源和能源，并带来了诸多生态环境问题。全球气候变暖导致冰川融化海平面上升已成为全球性问题，世界各国正积极联合寻求解决方案，来缓解全球变暖的趋势。2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》缔约方会议在法国巴黎圆满闭幕，全球195个缔约方国家通过了《巴黎协定》，这是具有历史意义的全球气候变化新协议。二氧化碳的大量排放是气候变暖最为重要的原因，而利用煤燃烧发电是二氧化碳排放的主要方式。现大部分电厂对燃烧后排出的二氧化碳没有处理直接排入大气，只有少部分电厂对排放的二氧化碳进行捕集和分离，然后经过管道运输到适合地下封存的地层如废弃油田、深部咸水层和不可采煤层等进行封存，或用于石油和天然气的开采。但是这些方法受地域的限制，很多电厂附近并没有适合二氧化碳安全封存的地层或天然油气藏，若采用管道长距离运输到适合封存利用的地方将大大增加投资成本，并存在管道泄漏的风险。燃煤电厂会产生大量的固体废物如炉渣和炉灰等，以淮北电厂为例，全厂负荷为4×200mw，每年产生炉灰73万吨，产生炉渣8.1万吨。现在大部分电厂的炉渣炉灰都作为废弃物排放，在排放和储存固体废弃物的过程中，将造成很严重的环境问题和社会压力。首先，堆放大量的废弃炉渣灰渣将占据很多的土地资源，严重征占当地居民的耕地面积，废弃的炉渣灰渣堆积会产生大量粉尘，严重污染大气环境，影响当地居民的生活。另外炉渣炉灰的堆积在雨水的作用下，会流入当地的河流湖泊和渗入地下，污染当地的灌溉水和饮用水，将严重影响当地居民的健康。一些坑口电厂在生产煤矿的过程中会产生大量不能利用的煤矸石，煤矸石的大量堆积也将严重污染土地资源和水资源等。地下煤矿被开采完后成为废弃煤矿，地下废弃煤矿由于大量的煤矿被开采出，使之成为很大的空洞，由于对地面缺少支撑作用，在长时间的雨水渗流等作用下，将发生地面开裂，坍塌，滑坡，泥石流，水土流失等环境问题，随之周围的大气、水文环境也将严重破坏，当地居民的生命安全和财产安全受到严重威胁。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法。本发明提供的坑口燃煤电厂废物处理的方法能够同时实现坑口燃煤电厂二氧化碳封存、固体废物的处理以及废弃煤矿的加固。本发明提供了一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法，包括以下步骤：(1)将坑口燃煤电厂的固体废物与水泥和拌合液混合，得到混合物料；(2)将所述步骤(1)得到的混合物料回填到废弃煤矿中，压实；(3)向所述压实后的填料中注入水化液，进行水化；(4)向所述水化后的填料中注入坑口燃煤电厂的二氧化碳废气后闷井，使二氧化碳矿化，实现二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固。优选的，所述步骤(1)中的固体废物包括炉渣、炉灰、煤矸石和建筑废料中的一种或多种。优选的，所述步骤(1)中的固体废物与水泥的质量比为3:1～2。优选的，所述步骤(1)中混合物料的水灰比为0.2～0.25。优选的，所述步骤(2)中压实的压力为30～50mpa。优选的，所述步骤(2)中压实后填料的孔隙率为0.3～0.45。优选的，所述步骤(3)中的水化液的注入量为填料孔隙体积的40～60％。优选的，所述步骤(3)中水化的时间为25～35天。优选的，所述步骤(4)中二氧化碳的注入方式为恒压注入。优选的，所述步骤(4)中每闷井3～5年重新注入一次二氧化碳。本发明提供了一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法，包括以下步骤：将坑口燃煤电厂的固体废物与水泥和拌合液混合，得到混合物料；然后将得到的混合物料回填到废弃煤矿中，压实；再向所述压实后的填料中注入水化液，进行水化；最后向所述水化后的填料中注入坑口燃煤电厂的二氧化碳废气后闷井，使二氧化碳矿化，实现二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固。本发明利用坑口燃煤电厂固体废物中丰富的碱性氧化物，以及水化后的水泥中的氢氧化钙和水化硅酸钙，与注入的二氧化碳发生化学反应生成稳定的固态碳酸盐，同时实现了对坑口燃煤电厂的二氧化碳封存、固体废物的处理以及废弃煤矿的加固。理论计算结果表明，本发明提供的坑口燃煤电厂废物的处理方法二氧化碳封存量可达406.2kg/m3，实验结果表明，得到模拟地层的强度可达20～30mpa。附图说明图1为本发明实施例1中煤渣的粒径分布图；图2为本发明实施例1中水泥的粒径分布图；图3为本发明实施例2中施工路线示意图；图4为本发明实施例2中填充层结构示意图。具体实施方式本发明提供了一种坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法，包括以下步骤：(1)将坑口燃煤电厂的固体废物与水泥和拌合液混合，得到混合物料；(2)将所述步骤(1)得到的混合物料回填到废弃煤矿中，压实；(3)向所述压实后的填料中注入水化液，进行水化；(4)向所述水化后的填料中注入坑口燃煤电厂的二氧化碳废气后闷井，使二氧化碳矿化，实现二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固。本发明将坑口燃煤电厂的固体废物与水泥和拌合液混合，得到混合物料。在本发明中，所述固体废物与水泥的质量比优选为3:1～2，更优选为3:1.2～1.8，最优选为3:1.4～1.6。在本发明中，所述混合物料的水灰比优选为0.2～0.25，更优选为0.21～0.24，最优选为0.22～0.23。在本发明中，所述水灰比在较低的范围，使混合物处于湿固状态，不易流动，一方面便于运输施工，另一方面能保证较大的孔隙率，提高渗透率，便于后期二氧化碳的注入。在本发明中，所述固体废物优选包括炉渣、炉灰、煤矸石和建筑废料中的一种或多种。在本发明中，所述炉渣、煤矸石和炉灰中含有较丰富的碱性氧化物(cao，mgo等)，建筑废料主要成分是氢氧化钙和水化硅酸钙(c-s-h)，都能够和注入的二氧化碳发生化学反应生成稳定的固态碳酸盐。本发明对所述水泥的种类没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的水泥即可。在本发明中，所述水泥优选为硅酸盐水泥。在本发明中，所述水泥作为粘结剂一方面可以增加废固混合物的强度，从而达到支持地面的要求；另一方面，水化后的水泥能够和二氧化碳发生化学反应，从而吸收和固化更多的二氧化碳，提高二氧化碳的封存量；此外，水泥属环保的无机粘结剂，价格便宜。在本发明中，所述拌合液优选包括水或水相溶液，更优选为碱性水溶液。在本发明中，所述拌合液可具体为坑口燃煤电厂附近的废弃碱性水溶液。在本发明中，所述碱性水溶液能够进一步吸收二氧化碳，增加二氧化碳的封存量。为增大固体废物与二氧化碳反应的比表面积，同时方便施工，本发明优选在使用前对坑口燃煤电厂固体废物进行破碎。在本发明中，所述破碎后炉渣的粒径优选为20～200μm，更优选为50～150μm，最优选为80～120μm。在本发明中，所述破碎后煤矸石的粒径优选为1～10cm，更优选为3～8cm，最优选为4～6cm。在本发明中，所述破碎后建筑废料的粒径优选为1～10mm，更优选为3～8mm，更优选为4～6mm。本发明对所述混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本发明中，当所述坑口燃煤电厂固体废物包括炉渣、炉灰、煤矸石和建筑废料中的多种时，本发明优选按照固体废物的粒径，将不同的固体废物分别与水泥混合，得到多种混合物料。在本发明的实施例中，具体的，将炉灰与水泥混合，得到外围料；将炉渣、煤矸石和建筑废料与水泥混合，得到内围料。得到混合物料后，本发明将所述混合物料回填到废弃煤矿中，压实。在本发明中，所述压实的压力优选为30～50mpa，更优选为35～45mpa，最优选为37～40mpa。在本发明中，所述压实后填料的孔隙率优选为0.3～0.45，更优选为0.35～0.4。在本发明中，所述压实既能保证必要的力学强度，又能保证足够的孔隙率，利于二氧化碳的注入，提高二氧化碳的总封存量。本发明优选在所述回填前对废弃煤矿进行预加固。在本发明中，所述预加固优选具体为：采用水泥钢筋在废弃煤矿井的墙面进行浇筑，得到水泥加固层。本发明对所述浇筑的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇筑水泥的技术方案即可。在本发明中，优选按照从井口到井底的方向进行浇注。本发明对所述水泥加固层的厚度没有特殊的限定，根据废弃煤矿井的情况进行调整即可。在本发明中，所述水泥加固层的厚度优选为0.4～1m，更优选为0.5～0.8m。在本发明中，所述预加固一方面可以填补坑洼的地方，加固矿井，防止后续施工过程中因有机械作业震动而导致塌陷，保证施工的安全；另一方面水泥凝固后渗透率低，可作为二氧化碳泄漏的最后一层保障。在本发明中，所述回填优选按照从井底到井口的方向。在本发明中，当所述坑口燃煤电厂固体废物包括炉渣、炉灰、煤矸石和建筑废料中的多种时，本发明优选将得到的多种混合物料同时进行分层回填。在本发明的实施例中，具体的，按照从外向内的顺序将炉灰与水泥混合得到的外围料与炉渣、煤矸石和建筑废料与水泥混合得到内围料同时进行回填。在本发明中，所述炉灰粒径较小，与水泥混合后作为外围料压实后的孔隙率较小，可以进一步减小二氧化碳的泄露，减小水泥加固层的压力，对二氧化碳向外泄露起双层保障。压实完成后，本发明向所述压实后的填料中注入水化液，进行水化。在本发明中，所述水化液的注入量优选为填料孔隙体积的40～60％，更优选为45～55％，最优选为48～52％。在本发明中，所述水化液优选包括水或水相溶液，更优选为碱性水溶液。在本发明中，所述水化液可具体为坑口燃煤电厂附近的废弃碱性水溶液。在本发明中，所述碱性水溶液能够进一步吸收二氧化碳，增加二氧化碳的封存量。在本发明中，所述水化的时间优选为25～35天，更优选为28～32天。在本发明中，所述水化过程中，水泥粘结剂吸水发生硬化，同时废固中的化合物溶解在水中与溶解在水中的二氧化碳形成碳酸反应。水化完成后，本发明向所述水化后的填料中注入坑口燃煤电厂的二氧化碳废气后闷井，使二氧化碳矿化，实现二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固。为提高二氧化碳的封存量，本发明优选在注入前将所述坑口燃煤电厂的二氧化碳废气进行提纯。本发明对所述二氧化碳提纯的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的二氧化碳提纯的技术方案即可。在本发明中，所述提纯后二氧化碳的纯度优选为90％以上，更优选为95％以上。在本发明中，所述二氧化碳的注入方式优选为恒压注入；所述恒压注入的压力优选为11～14mpa，更优选为12～13mpa。在本发明中，所述二氧化碳的注入优选至无法继续注入为止。在本发明中，所述闷井的总时间优选不低于30年。由于二氧化碳的不断矿化会不断消耗二氧化碳，使压力小于初始压力，在本发明中，所述闷井的前期，每闷井3～5年重新注入一次二氧化碳，更优选为3.5～4.5年。本发明优选在二氧化碳的累计注入量达到二氧化碳的理论封存量时，停止二氧化碳的注入，进行永久闷井。在本发明中，所述闷井过程中，注入的二氧化碳会先和水泥发生化学反应，随着时间的推移，二氧化碳会继续渗入扩散到炉渣和炉灰中，与里面的碱性氧化物成分发生反应生成碳酸盐，即通过二氧化碳的矿化过程，实现二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固。为监测地层变化，本发明优选在封存区域预先安设监测设备。在本发明中，所述监测设备优选包括压力检测仪、温度检测仪和二氧化碳浓度检测仪。在本发明中，所述监测可以掌握地层的动态参数，当二氧化碳的溶解和固化将使地层压力和二氧化碳浓度降低时，可以继续注入补给二氧化碳。本发明提供的坑口燃煤电厂废物处理的方法解决了坑口电厂二氧化碳的排放问题，燃煤产生的二氧化碳提纯后直接注入附近的废弃煤矿进行封存，减小了二氧化碳的长距离运输成本；解决了坑口电厂固体废物(炉渣、炉灰、煤矸石及周围建筑废料)的堆放问题，节省了土地资源，保护了当地的湖泊河流和地下水环境，较少了当地的大气污染，保护了居民的健康生活；解决了废弃煤矿坍塌，水土流失等问题，保护了居民的耕地，保护了当地居民的生命和财产安全。为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1:对一个年产量为150万吨煤，已生产20年的废弃煤矿进行填充，地下空旷的体积约2200万立方米。(1)将炉渣、普通硅酸盐水泥和水按照3:2:1的质量比混合，得到混合物料；炉渣与普通硅酸盐水泥的成分如表1所示；炉渣与普通硅酸盐水泥的粒径分别如图1和图2所示；(2)沿废弃煤矿井口至井底浇筑水泥钢筋，浇筑体积占井总体积分数为10％；然后沿井底至井口将所述步骤(1)得到的混合物料回填到废弃煤矿中，压实；填料层占井总体积分数的90％；压实压力及压实后的参数如表2所示；(3)向所述压实后的填料中注入水，水的孔隙填充率为50％，进行水化28天；(4)向所述水化后的填料中注入二氧化碳(90％)，采用13mpa压力恒压注入，然后闷井，使二氧化碳矿化，完成二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固；每闷井三年重新注入一次二氧化碳。本实施例中模拟地层参数如表3所示，模拟地层的抗压强度为25mpa。计算本实施例总封存二氧化碳的量为976.8万吨，具体计算过程如下：1)填料层二氧化碳的理论封存量计算根据以上条件，废固填料理论固化二氧化碳量根据huntzinger提出的方法计算，公式如下：％thco2＝0.785(％cao-0.56×％caco3-0.7×％so3)+1.091×％mgo+0.71×％na2o+0.468(％k2o-0.63×2％kcl)根据表1水泥和炉渣的成分组成可以计算出各自的二氧化碳理论固化量如下：水泥：c-％thco2＝0.3773；炉渣：a-％thco2＝0.0411现以1m3填料进行计算二氧化碳的总固化量，水的饱和度为0.4：其中水泥质量固化的二氧化碳量：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.4×c_％thco2＝1×1303.1×0.4×0.3773＝196.66kg炉渣固化的二氧化碳量：ma＝mash×a_％thco2＝v×ρ×0.6×a_％thco2＝1×1303.1×0.6×0.0411＝32.13kg溶解在水中的二氧化碳的量：md＝mwater×w％＝vwater×ρwater×w％＝v×ε×sw×ρwater×w％＝1×0.393×0.4×998.41×0.0561＝8.805kg残余超临界二氧化碳的量：msc＝vsc×ρsc＝v×ε×(1-sw)×ρsc＝1×0.393×0.6×714.84＝168.56kg1立方米废固填料的二氧化碳的总固化量为：2)第一层水泥加固层二氧化碳的理论封存量计算假设水泥固化层水泥的质量分数为80％(除去钢筋和砂石，并忽略其孔隙率)，密度为2600kg/m3。则1立方米水泥加固层二氧化碳的总固化量为：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.8×c_％thco2＝1×2600×0.8×0.3773＝784.8kg总封存二氧化碳的量为：表1炉渣和水泥的成分组成成分％caomgofe2o3al2o3k2ona2omnosio2so32-炉渣0.031640.0060.037750.24120.01870.00330.000210.31980.00259水泥0.44160.04050.03140.12270.01030.003680.002560.29850.0382表2压实参数压实压力/mpa直径/cm高/cm孔隙率密度/kg/m328天抗压强度/mpa36.72.5450.3931464.925.5表3模拟地层参数地层深度/m压力/mpa温度/℃co2密度/kg/m3水密度/kg/m3co2溶解度w％10001035714.84998.415.61实施例2:对一个年产量为150万吨煤，已生产20年的废弃煤矿进行填充，地下空旷的体积约为2200万立方米。(1)将炉灰、水泥和水按照1:1:0.5的比例混合，得到外围料；将炉渣、建筑废料、煤矸石分别破碎至80～120μm、4～6mm、4～6cm。将普通硅酸盐水泥、炉渣、建筑废料、煤矸石和水按照2:3:3:2:2.2的质量比混合，得到内围料；(2)沿废弃煤矿井口至井底浇筑水泥；然后沿井底至井口将所述步骤(1)得到的外围料和内围料从外向内同时回填到废弃煤矿中，施工路线如图3所示，压实得到填充层；填充层参数如表4所示；填充层结构图如图4所示；(3)向所述压实后的填料中注入水，水的孔隙填充率为60％，进行水化28天；(4)向所述水化后的填料中注入二氧化碳(90％)，采用13mpa压力恒压注入，然后闷井，使二氧化碳矿化，完成二氧化碳的封存与废弃煤矿的加固；每闷井三年重新注入一次二氧化碳。本实施例中模拟地层参数如表4所示。计算本实施例总封存二氧化碳的量为805万吨，具体计算过程如下：1)水泥加固层(忽略孔隙度)2)外围料现以1m3填料进行计算二氧化碳的总封存量，水的饱和度为0.4：其中水泥质量固化的二氧化碳量：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.5×c_％thco2＝1×2000×0.5×0.3773＝377.3kg炉灰固化的二氧化碳量：ma＝mash×a_％thco2＝v×ρ×0.5×a_％thco2＝1×2000×0.5×0.0411＝41.1kg溶解在水中的二氧化碳的量：md＝mwater×w％＝vwater×ρwater×w％＝v×ε×sw×ρwater×w％＝1×0.22×0.4×998.41×0.0561＝4.93kg残余超临界二氧化碳的量：msc＝vsc×ρsc＝v×ε×(1-sw)×ρsc＝1×0.22×0.6×714.84＝94.36kg1立方米外围料的二氧化碳的总封存量为：3)内围料现以1m3内围料进行计算二氧化碳的总封存量，水的饱和度为0.4，假设建筑废料二氧化碳理论固化量为j-％thco2＝0.2，煤矸石二氧化碳理论固化量为m-％thco2＝0.02。其中水泥质量固化的二氧化碳量：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.2×c_％thco2＝1×1400×0.2×0.3773＝105.6kg炉渣固化的二氧化碳量：ma＝mash×a_％thco2＝v×ρ×0.3×a_％thco2＝1×1400×0.3×0.0411＝17.262kg建筑废料固化的二氧化碳量：mj＝mjz×a_％thco2＝v×ρ×0.3×j_％thco2＝1×1400×0.3×0.2＝84kg煤矸石固化的二氧化碳量：mm＝mmg×m_％thco2＝v×ρ×0.2×m_％thco2＝1×1400×0.2×0.02＝5.6kg溶解在水中的二氧化碳的量：md＝mwater×w％＝vwater×ρwater×w％＝v×ε×sw×ρwater×w％＝1×0.35×0.4×998.41×0.0561＝7.842kg残余超临界二氧化碳的量：msc＝vsc×ρsc＝v×ε×(1-sw)×ρsc＝1×0.35×0.6×714.84＝150.12kg1立方米内围料的二氧化碳的总封存量为：总封存二氧化碳的量为：表4填充层参数参数孔隙率抗压强度/mpa占体积分数密度/kg/m3水泥加固层<0.14>400.12600外围料0.2-0.25>300.22000内围料0.3-0.420-300.71400实施例3:在实施例1的基础上，把步骤(3)中注入的水改注为ph值为12的碱性废水，其他条件不变。本实施例得到模拟底层的强度为25mpa。计算理论总封存二氧化碳的量为976.9万吨，具体计算过程如下：现以1m3填料进行计算二氧化碳的总固化量，水的饱和度为0.4：其中水泥质量固化的二氧化碳量：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.4×c_％thco2＝1×1303.1×0.4×0.3773＝196.66kg炉渣固化的二氧化碳量：ma＝mash×a_％thco2＝v×ρ×0.6×a_％thco2＝1×1303.1×0.6×0.0411＝32.13kg注入水的ph值为12(oh-离子浓度为0.01mol/l)，碱会和注入的二氧化碳发生中和反应，反应的系数比为2:1，其消化的二氧化碳的量为：mn＝v×ε×sw×c÷2×44＝1×0.393×0.4×0.01÷2×44＝0.0346kg除去中和反应，继续溶解在水中的二氧化碳的量：md＝mwater×w％＝vwater×ρwater×w％＝v×ε×sw×ρwater×w％＝1×0.393×0.4×998.41×0.0561＝8.805kg残余超临界二氧化碳的量：msc＝vsc×ρsc＝v×ε×(1-sw)×ρsc＝1×0.393×0.6×714.84＝168.56kg1立方米废固填料的二氧化碳的总固化量为：2)第一层水泥加固层二氧化碳的理论封存量计算假设水泥固化层水泥的质量分数为80％(除去钢筋和砂石，并忽略其孔隙率)，密度为2600kg/m3。则1立方米水泥加固层二氧化碳的总固化量为：mc＝mcement×c_％thco2＝v×ρ×0.8×c_％thco2＝1×2600×0.8×0.3773＝784.8kg总封存二氧化碳的量为：从上述实施例可以看出，本发明提供的坑口燃煤电厂废物处理及二氧化碳封存的方法解决了坑口电厂二氧化碳的排放问题，燃煤产生的二氧化碳提纯后直接注入附近的废弃煤矿进行封存，减小了二氧化碳的长距离运输成本；解决了坑口电厂固体废物(炉渣、炉灰、煤矸石及周围建筑废料)的堆放问题，节省了土地资源，保护了当地的湖泊河流和地下水环境，较少了当地的大气污染，保护了居民的健康生活；解决了废弃煤矿坍塌，水土流失等问题，保护了居民的耕地，保护了当地居民的生命和财产安全。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12