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能源鸿博体育世界——中国节能建筑网
发布时间:2023-05-19 17:56浏览次数:938

  鸿博体育值得大力推广的绿色建材——环保节能的煤矸石墙体材料 孙宗伟 程立生 (洲联集团 ●华特建筑 北京 100044) 摘 要:本文介绍了煤矸石排放的危害、利用价值及利用现状,并对目前国内的利用方式进行了比较。对 煤矸石利用的迫切性和可行性进行了论述,强调了其在节地、节能、改善生态环境,延长煤炭生产的产业 链,促进循环经济,促进产业转业和劳动力再就业等方面的重要贡献。并以翔实可靠的数据及试验结果, 论证了煤矸石墙体材料各项物理力学性能(包括热工性能)均优于粘土实心砖,可以和粘土砖一样作为砌 体结构的承重材料加以使用。最后介绍了煤矸石利用前景煤矸石建筑体系的概念。 关键词:煤矸石 煤矸石墙体材料 节能省地 绿色建材 自上世纪五十年代初开始,我国进行社会主义工业化建设。随着经济的不断发展,煤产 量逐年上升,采煤排出的废弃物煤矸石也逐年积累,现已形成贮量达到将近40亿吨,分布于 全国各地的 1500 多座矸石山,侵占农田,污染环境,危害农业,破坏城市形象,已为一大公 害。与此同时,我国建筑业也蓬勃发展。改革开放以来,我国成为全世界建房数量最多的国 家,仅住宅建设量每年即达10亿平方米以上,每年需要各种建筑材料达数十亿吨之多。有资 料显示,每年粘土砖的供应量多达 5000 多亿块,为此,每年要取土 12 万立方米,相当于毁 田 60 万亩,耗能 5000 万吨标准煤。此外,生产混凝土所用的砂石也是不可再生资源。基于 以上两个严重的现实,如何将煤矸石应用于建筑业,使之由废物变成建筑业的资源,是我们 面临的一个重大课题。 积极的开发利用煤矸石,推行煤矸石建筑体系,并对这种体系实行产业化经营,煤矸石 综合利用的社会效益和经济效益才会有更大的提高鸿博体育,也符合《政府工作报告》中,明确鼓励 发展“节能省地型”建筑的方针。也是发展“节能省地型”住宅的有效途径。 1 我国煤矸石排放及利用 1.1煤矸石的排放及危害 煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的废弃岩石,约占煤炭产量的10~ 15%,我国是 世界上最大的煤炭生产国和消费国,自然也是煤矸石排量最大的国家。据中国环保总局的统 计:1997 年,全国煤矸石排量 11188 万吨; 2002 年,全国煤矸石排量 13035 万吨。目前, 我国各煤矿生产城市共有堆存煤矸石的矸石山1500多座,累计堆存矸石约34~40亿吨,占地 约20~ 30万亩,这种矸石山的存在几乎成为煤矿的“标志”。 煤矸石来自采煤层的夹矸和顶、底板岩层,岩性主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、煤及 少量砂岩组成。其化学元素主要是碳、氮、氧、硫、硅、铝、钾等。煤矸石的堆存所造成的 危害是: 1.1.1 污染水源 煤矸石在雨水浸润后,其有害成份溶解进入水体。其中酸性较强的淋溶水进入水体时, 对生物产生很强的冲击力,能消灭或抑制水中微生物的生长,妨碍水体自净。煤矸石中还含 有微量重金属元素,如铅、镉、汞、铬等,这些对人体有毒的元素进入水体或渗入土壤后, 会严重破坏水体环境或土壤环境。 1.1.2 污染空气 煤矸石山污染空气的渠道有二:一是粉尘污染。风化后的煤矸石在风力作用下四处飞扬, 以致长期生活在其作用范围内的居民患鼻咽炎和上呼吸道感染的发病率极高。二是自燃形成 的有害气体的污染。据统计,全国现有的1500多座矸石山中,大约有500多座发生过自燃, 在自燃过程中放出大量如SO 、CO、CO 、H S、C H 和NOx等各种有害气体,并伴有大量烟尘, 2 2 2 m n 对人类的危害极其严重。大同市之所以被国际组织认定为不适宜于人居的城市,其主要原因 1 在于大同市的空气中,含这些有害气体的量成倍甚至几十倍地高于限定值。 1.1.3 破坏农业 由于矸石山对空气和水源的污染,使其周边地区的农田深受其害,植物生长缓慢,农产 品的产量和质量降低,草地植被种类减少,病虫害增加,农业深受其害,其负面影响范围之 广远远大于它所占用的土地面积。 1.1.4 占用耕地 由于煤炭的成因决定了煤矿多处在平原地区,因而矸石山所占用的土地基本上都是平原 可耕地。目前占用耕地约20~ 30万亩,每年新增占地面积7000~ 8000亩。 1.1.5 伴生灾害 煤矸石山是自然松散堆放,如果堆积过高、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,容易伴生坍塌、滑坡、渣石流等灾害。而对于正在自燃的矸石山,如遇淋 溶水的渗入,水气受热急剧膨胀极易发生爆炸,危及附近居民的安全。 2005 年 5 月 15 日河南省平顶山市区北边的平顶山四矿矸石山突然发生自燃崩塌,造成 100米外的18间居民房不同程度受损,房中人员被埋压。8人遇难,122人不同程度被灼伤, 其中6人伤势较重。 1.2煤矸石的利用价值 1.2.1 热量的利用 煤矸石实质上是一种低热值燃料,其发热量高低不等,少的有 1.0MJ/kg,有的高达 4.0~ 10.0 MJ/kg,平均可达2.0MJ/kg。目前,全国年排1.5亿吨煤矸石,所含热量达到3000 亿 MJ,相当于 1000 万吨标准煤。积存的 34~40 亿吨煤矸石,估计约 20~25 亿吨没有自燃, 其含热量达到4~ 5万亿MJ,相当于1.3~ 1.7亿吨标准煤。显然这是一个巨大的能源资源。 1.2.2 矿物成份的利用 煤矸石属粘岩类矿物,其矿物成份以粘土为主,其化学成份主要是SiO 、AL O 和Fe O , 2 2 3 2 3 与生产粘土砖的原料相近,可以用于生产墙体材料,作为骨料配制混凝土。 1.2.3 特殊成份的利用 某些煤矸石中富含 AL、Fe、S、As、Gd 等元素,当其含量达到一定的富矿含量时可加以 提炼,予以回收利用。某些煤矸石中含有植物生长所需的微量元素,可用于改良土壤。但是, 以上两项利用价值不具有普遍性。 1.3煤矸石的利用现状 1.3.1 利用量 2002年,全国煤矸石利用量7020万吨,占当年排量的53.8%,比五年前提高5.8个百分 点。全国煤矸石的利用量尽管逐年增加,但是仍然用得太少,不仅老账还不清,每年还欠新 账。按目前的利用量,要把全国现有1500多座矸石山搬掉,需要70~ 80年,同期,还要新增 加3000多座矸石山。可见,煤矸石综合利用事业任重而道远。 1.3.2 利用途径 全国煤矸石的有效利用途径主要是三条:一是发电,二是生产建筑材料,三是当作填充 物使用。到 2000 年底,全国有煤矸石、煤泥等低热值燃料电厂 120 座,装机容量 1840MW, 年发电量87亿kw·h。到2004年底,全国有烧结煤矸石砖生产能力200亿块(折合标砖), 当年产量约80亿块,利用煤矸石约1800万吨。 1.3.3 利用方式的比较 从利用的有效性比较:煤矸石发电只利用了它的热量,没有利用其矿物成份, 事实上,发电后的粉煤灰仍然需要大量土地来堆放,对环境的污染仍很严重;用煤矸石作为 填充物来使用,就其价值而言,实际上是一种浪费;利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料 既利用了它的热量,也利用了它的矿物成份,是最佳利用途径。 2 从利用的成本比较:按照将每吨煤矸石处理掉所需费用计算,发电的成本是最 高的,一则要将煤矸石磨成细粉,需要消耗大量电能;二则发电留下的粉煤灰还要大量投入 才能将其处理掉。当作填充物来处理是最省钱的。利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料的 成本比发电要小得多,因为它并不需要如发电一样,将其磨成细粉,只要破碎成细粒状即可, 且可做到不留残渣,彻底利用。 从利用的广泛性比较:利用煤矸石发电有一定的局限性,当煤矿电力供应充足, 特别是建有坑口电站的地方,建煤矸石电厂的技术经济可行性很小。利用煤矸石作为填充物 有很大的局限性,只有当煤矸石山附近存在需要治理的采煤沉降区或有沉降的公路、铁路路 基、堤坝等,煤矸石作为填充物才有用武之地。住房是人们的基本生活必需品,住宅建设始 终是各国的支柱产业,即便是经济高度发达的美国和日本,直到今天建筑业仍然是国民经济 的支柱产业。而我国目前是全世界建房数量最多的国家,据《中国统计年鉴》载,2001 年我 国房屋施工面积达188329万平方米,竣工面积达97699万平方米。按竣工面积计,每年需砖 瓦砂石约 15 亿吨以上,是煤矸石年排量的 10 倍。利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料, 以代替砖瓦砂石,就可以在不太长的时间吞下1500座矸石山。住房建设与其他土木工程如筑 路、水利、港湾建设不同,它大体上不具地域性,凡是有人烟的地方,不论城乡都要盖房子; 也不具时效性,过去、现在和将来,人们总在不断地新建或改建,这和煤矸石的分布范围广、 成年累月不断排出的特点相适应。 综上所述,利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料,是煤矸石利用的最佳途径。 1.4利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料的意义 在上世纪九十年代,国家决定加大墙体革新力度,先后出台了一系列政策和措施,鼓励 发展非实心粘土砖,限制发展实心粘土砖。1999 年国家规定自 2000 年 6 月 1 日起,各直辖 市、沿海地区的大中城市和人均占有耕地不足 0.8 亩的所有大中城市,在新建住宅中限时禁 止使用实心粘土砖,为煤矸石墙体材料的发展创造了极为有利的环境。将近20年的发展经验 证明,煤矸石墙体材料的发展可以收到良好的社会效益和经济效益,现在我国已具备了在全 国大发展的基本条件。 1.4.1 节地 既节约了堆置煤矸石的用地,又节约了代替生产粘土砖所毁的耕地。目前,1500座矸石 山占用耕地20~ 30万亩,每年新增7000~ 8000亩。如果到2020年,将老矸和当年的新矸全部 处理完,就意味着可为国家腾出约 30~40 万亩土地,按建筑容积率 1.5 计算,可为矿区城市 建造3~4亿平方米住宅。此外,如果到2020年将老矸和当年的新矸全部处理完,每年约可生 产煤矸石砖1200亿块(折合标砖),用以代替粘土砖,可节约烧砖占地约15万亩,累计节约 烧砖毁地量高达200万亩以上。 1.4.2 节能 积存的煤矸石中,含热能约为1.3~ 1.7亿吨标准煤,每年新排的矸石,含热量约为1000 万吨标准煤。用以生产烧结砖,这些热能可百分之百加以利用。事实上,许多煤矸石砖厂都 做到了“烧砖不用煤”。此外,由于煤矸石空心砖的保温隔热性能比普通实心粘土砖要好,还 2 可以节约建筑能耗。例如,49厘米的煤矸石空心砖墙传热系数只有0.961W/m ·K,而同样厚 2 度的实心粘土砖墙传热系数高达 1.248W/m ·K,采用煤矸石空心砖砌筑墙体,可以节约取暖 能耗21%鸿博体育。按每年生产1200亿块煤矸石砖用以代替普通粘土砖建房约4亿平方米计算,每年 可节约取暖能耗200万吨标准煤。 1.4.3 改善矿区城市的生态环境 众所周知,煤矿城市素以“肮脏”形象而立于世,搬掉矸石山,消除其对水源、大气和 农业的污染,改变城市形象,无疑会从根本上改善矿区城市的人居环境。 1.4.4 延长煤炭生产的产业链、促进循环经济的发展 我国正在大力推行循环经济发展模式,以物资闭环流动为核心,运用生态学规律把经济 3 活动重新构架组成一个“资源→产品→再生资源”的反馈式流程和“低开采、高利用、低排 放”的循环经济利用模式,最大限度地提高资源和能源利用率,从而实现经济活动的生态化, 达到消除环境污染,提高经济发展质量的目的。利用煤矸石生产墙体材料和混凝土骨料,使 煤炭生产的产业链延长,消除了煤矸石对环境的污染,提高了煤炭生产的经济效益,是煤炭 行业循环经济的重要一环。 1.4.5 促进产业转移和劳动力再就业 据有关部门统计,到 2000 年末,我国因煤炭资源枯竭而关闭报废的矿井 488 处,注销 生产能力 13990 万吨。从 2001 年至 2004 年底,据有关人士估计,关闭的矿井和报销的生产 能力大大超过2000年末的数字,由此造成大量工人失业。寻求产业转移和劳动力再就业成为 衰老报废矿区特别是破产矿业公司的头等大事。如果实现年产1200亿块煤矸石砖的目标,则 可安排煤矸石砖生产职工30万人,煤矸石砖砌筑专业施工职工20万人,合计50万人,实现 产值400亿元。 2 新型环保节能墙体材料--煤矸石烧结多孔砖 某公司生产的煤矸石烧结多孔砖、空心砖,其生产线采用国内一流的技术和精良的设备, 所生产的多孔砖、空心砖,具有外观整齐、强度高、重量轻、保温隔热性能好等特点。经技 术质量监督部门检测,符合国家标准,是目前建材市场取代实心粘土砖的新型环保节能墙体 材料。 2.1煤矸石烧结砖的性能及特点 2.1.1 保温、隔热性能好 由于煤矸石多孔砖、空心砖墙体的传热系数小于实心粘土砖,使建筑物在寒冷的气候条 件下外墙内表面不结露,节约取暖能耗,提高了居住的舒适度。另外,由于煤矸石多孔砖、 空心砖的孔洞率较大,使建筑物的隔音、保温性能明显优于实心粘土砖。 2.1.2 减轻建筑物自重,有利于抗震 由于煤矸石多孔砖、空心砖的单位体积自重比实心粘土砖轻,墙体自重的减小有利于减 少地震作用力,再加上设计中采取一些必要的抗震构造措施,从而可以提高建筑物的抗震性 能。 2.1.3 降低建筑造价 由于煤矸石多孔砖、空心砖比实心粘土砖同比容重小,体积大,可节约墙体材料及砌筑 砂浆,提高劳动生产率。另外,还可节省运费,建筑综合造价明显降低。 2.2煤矸石烧结砖的主要技术指标 某公司对烧结多孔砖、空心砖、承重空心砖及非承重空心砖墙体做了大量的试验,取得 了一系列技术资料,为煤矸石砌体建筑设计提供了科学依据。 2.2.1 放射性检测 表 2-1-1 放射性检测结果 放射性核素含量 226 232 40 Ra ( gg )μ Th( gg)μ K (%) 3.30 17.20 3.70 4 放射性核素比活度 C ( B K ) • −1 C ( B K ) • −1 C ( B K ) • −1 Ra q g Th q g k q g 40.91 70.01 1156.91 注:测量结果的总不确定度不大于15% 。 表 2-1-2 标准判定 标准 单项 检验项目 实测值 要求 结论 内照射指数 建 ≤1.0 0.2 合格 筑 I C 200 Ra Ra 主 体 外照射指数 材 ≤1.3 0.6 合格 I C =/370-C /260-C /4200 料 r Ra Th K 检验结论:该产品( mm mm mm 的烧结多孔砖)送样数量40块,经朝阳市产品 240 115 ×90 × 质量监督检验所检验,符合标准《GB6566-2001》规定,其产销和使用范围不受限制。 2.2.2 物理力学性能检测 表 2-1-3 240mm×115mm×90mm 的烧结多孔砖物理力学性能检测 单项 检验项目 标准要求 实测值 结论 长度 ±3.0mm 1.1mm 尺寸允许 宽度 ±2.5mm 1.4mm 合格 偏差 高度 ±2.0mm 1.0mm 外观质量 应符合标准《GB13544—2000》 符合 合格 平均值≥10.0MPa 12.2MPa 强度等级 合格 单块最小值≥7.5MPa 10.1MPa 孔型:应为矩形孔或其他孔型 矩形条孔 孔型孔洞 孔洞率≥25% 26% 合格 及其排列 孔洞排列应交错排列、有序 符合规定 泛霜 不允许出现严重泛霜 未出现 合格 5 a)最大破坏尺寸大于 2mm 且小于等 于 15mm 的爆裂区域鸿博体育,每组砖样不得 多于15处,其中大于10mm的不得多 石灰爆裂 符合规定 合格 于7处。 b)不允许出现最大破坏尺寸大于 15mm的爆裂区域。 冻融试验后应无裂纹、分层、掉皮、 符合规定 缺棱掉角等冻坏现象 吸水率平均值≤19% 14% 抗风化性 合格 能 吸水率单块最大值≤21% 16% 饱和系数平均值≤0.74 0.70 饱和系数单块最大值≤0.77 0.71 注:该产品送样数量40块。 2.2.3.强度、冻融性能检测 表 2-1-4 240mm ×240mm×115mm 的烧结多孔砖物理力学性能检测 检验 标准要求 实测值 单项结论 项目 长度 ±7mm -5mm 尺寸允 宽度 ±7mm -5mm 合格 许偏差 高度 ±5mm -4mm 外观质 应符合标准《GB13544—92》表 2 规 符合 合格 量 定 密度 901kg/m 3 -1100kg/m 3 990kg/m 3 大面抗压强度平均值≥2.0MPa 2.2MPa 合格 大面抗压强度单块最小值≥1.4MPa 1.6 MPa 强度 条面抗压强度平均值≥1.6MPa 1.6 MPa 条面抗压强度单块最小值≥0.9MPa 1.1 MPa 孔洞排数 宽度方向4 排 孔洞及 孔洞率≥35% 42% 合格 其结构 壁厚≥10mm 18mm 肋厚≥7mm 15mm 泛霜 不允许出现严重泛霜 未出现 合格 石灰爆 各面不得出现最大直径大于 15mm 的 裂 爆裂区域。 符合规定 合格 6 a. 冻裂长度不大于标准〈GB13544 —92〉表2中3,4 的合格品规定 冻融 b. 不允许出现分层、掉皮、缺棱掉 符合规定 合格 角等冻坏现象 注:该产品送样数量50块。 2.2.4 墙体热工性能检测。 表 2-1-5 煤矸石承重空心砖、外承重空心砖墙体热工性能检测 试件名 煤矸石烧结承重空心砖、非承重空心砖墙体 称 1、煤矸石烧结承重空心砖几何尺寸:240mm×115mm×90mm,空洞率 29%,表观密度1183.6kg/m 3 ;煤矸石烧结非承重空心砖几何尺寸: 墙体构 造 240mm×240mm×115mm,空洞率42%,表观密度1091.8kg/m 3 ; 2、墙体面积尺寸:1200mm×1200mm鸿博体育,墙厚均为 370mm。水泥砂浆砌 筑、勾缝,清水墙面; 试件尺 寸 1200×1200×370 (mm) 检验项 传热阻、传热系数 报告日期 2003.1.13 目 依据标 Q/LEQTC J0309-02-10-1999 准 检验温 热室:18.2℃,冷室:-19.5℃ 鸿博体育。 度 1、煤矸石烧结承重墙体 热 阻:Ro=0.97 ㎡ ·K/W; 检验结 传热系数:K=1.03 W/㎡ ·K。 果 2、煤矸石烧结非承重墙体 热 阻:Ro=1.12 ㎡ ·K/W; 传热系数:K=0.89 W/㎡ ·K。 2.3煤矸石烧结砖与粘土砖的比较 表 2-1-6 煤矸石烧结砖与粘土砖的比较 容量 产品规格 抗压强度 孔洞 单块重 (t/ 吸水率 产品名称 尺寸 等级 率 量 (%) (mm) (MPa) (%) (kg) m 3 ) 7 240×115 实心粘土砖 10 0 2.5 1.7 15 ×53 承重粘土多 240×115 10 25 3.5 1.4 15 孔砖 ×90 非承重粘土 240×180 2.2 56 4.5 0.9 15 空心砖 ×115 煤矸石多孔 240×115 12.2 25 3.4 1.4 14 承重砖 ×90 煤矸石3孔 240×115 2.2 56 4.6 0.95 14 非承重砖 ×175 煤矸石4孔 240×115 2.2 51 6.15 0.95 14 非承重砖 ×240 煤矸石4孔 240×240 2.2 55 9.85 0.95 14 非承重砖 ×180 由上表可知,就承重砖而言,煤矸石空心砖比粘土实心砖和空心砖强度高 2.4Mpa,吸水 率少1%;煤矸石空心砖的容重比粘土实心砖低18%。 2.4、可行性结论 由于煤矸石烧结砖的放射性符合国家标准规定,各项物理力学性能(包括热工性能)均 优于粘土实心砖,许多性能也优于粘土空心砖,毫无疑问,煤矸石烧结砖可以和粘土砖一样 作为砌体结构的承重材料加以使用,使用相同的规范:“JGJ137-2001”《多孔砖砌体结构技术 规范》。 3 煤矸石利用前景煤矸石建筑体系 煤矸石建筑体系是指在一幢建筑(主要是住宅)中,主要的建筑产品,包括墙体、楼板、 屋面板、屋面瓦、地面砖等,均采用煤矸石砖或煤矸石混凝土,形成一个独特的建筑体系。 广义而言,煤矸石建筑体系还包括稍大区域内的一切基础设施建设或构筑物,都采用煤 矸石混凝土建造,包括煤矸石混凝土排水管、电柱、铺地砖、护坡砖等等。 生产企业还可以将建材企业转变成为集煤矸石建筑体系所需一切产品的生产、房地产开 发、专业施工、房屋销售为一体的建筑产业,形成一条龙的配套经营。 煤矸石建筑体系产品的产业化经营是推动煤矸石广泛应用的必由之路,是提升建筑产品 竞争力的重要途径。通过产业化经营,以建筑物为终端产品,可以极大地提高建筑产品质量 和科技含量,使科学技术直接并迅速地转化成生产力,从而最终达到发展循环经济、节约能 源、开发土地资源、可持续发展的战略目标。 Coal Gangue – the Green Building Material for the Future Sun Zongwei Cheng Lisheng (WWW5A·Huate Architectural Design and Consulting,Beijing 100044 China) Abstract: This paper elaborates on the hazards raised by coal gangue exhausts, introduces coal gangue’s value and utility up to now, and conducts a comparison between the different usages of this material across China. While developing an argument on the urgency and feasibility of coal gangue application, it emphasizes many important benefits thereof including land and energy saving, environment improvement, coal industrial chain extension, economic sustainability, industrial transfer and labour reemployment In the meanwhile, convincing detailed data and experiment outputs are provided to verify that coal gangue brick possesses a multiple of physical properties 8 including mechanical and thermal performance and therefore constructs a better building than solid clay brick, which allows for the possibility that coal gangue brick may, like clay brick, be applied as the load-bearing material in masonry structures. This paper is concluded with an outlook on the utilization of coal gangue – the concept of Coal Gangue Building System. Key words: coal gangue, coal gangue walling material, energy and land saving, green building material 9

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