CN110340104A - 一种煤矸石生态资源化综合利用设备及其综合利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属固体废弃物综合利用技术领域，针对煤矸石目前大量无序堆放造成严重的环境污染问题，同时基于煤矸石能够自燃放出大量热量的性质，提供一种煤矸石生态资源化综合利用设备及其综合利用方法，该设备包括煤矸石反应堆系统，与煤矸石反应堆系统相连接的供风系统、温控系统、液态工作介质循环系统、工作介质循环发电系统和废气收集系统；煤炭开采后直接将煤矸石分选堆积入煤矸石反应箱内处理，煤矸石自燃产生的废气收集生成硫酸、硝酸等工业原料，避免了废气污染。煤矸石自燃后固体产物与城市污泥、树叶混合成绿色植物肥料，实现煤矸石的生态化利用。本发明实现煤矸石生态资源化利用，把煤矸石作为一种资源利用的同时避免了煤矸石对环境的污染。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种煤矸石生态资源化综合利用设备及其综合利用方法。
背景技术
煤矸石是随煤矿开采过程中分选出来的一种较低含碳量比煤坚硬的沉积岩类，约占煤炭总产量的10%-20%，随着煤炭的开采，目前我国已形成煤矸石山2600余座，累计堆存量高达45亿吨之多，占地达1.3×104公顷，且煤矸石堆存量还在以较快速度持续增加。露天堆放的煤矸石不仅占用大量耕田，而且由于煤矸石中含有大量残留煤炭及硫化物等矿物，长期堆放的煤矸石经氧化反应会不断释放热量，导致煤矸石内部温度持续升高，当温度达到煤等可燃物的燃点时，煤矸石中的残煤及其他可燃物质便可自燃使得煤矸石堆内部温度进一步升高，最终诱发煤矸石堆爆炸等地质灾害，同时，由于煤矸石中含硫物质以及含氮物质的氧化燃烧释放出SO2、NO2等有害气体及大量烟尘，对矿区环境造成了严重污染。
相关研究表明煤矸石自燃时，煤矸石山内部温度可达300-1000℃，煤矸石表面温度可达40-50℃，因此，煤矸石山自燃过程中伴随有大量热量释放出来，且煤矸石自燃后产物含有大量的有机元素，经过技术处理可直接作为绿色植物生长的肥料使用。
发明内容
针对煤矸石目前大量无序堆放造成严重的环境污染问题，同时基于煤矸石能够自燃放出大量热量的性质，本发明提供了一种煤矸石生态资源化综合利用设备及其综合利用方法。
本发明由如下技术方案实现的：一种煤矸石生态资源化综合利用设备，包括煤矸石反应堆系统，与煤矸石反应堆系统相连接的供风系统、温控系统、液态工作介质循环系统、工作介质循环发电系统和废气收集系统；
所述煤矸石反应堆系统为密封煤矸石反应箱，煤矸石反应箱内铺设大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层；
所述供风系统为煤矸石反应箱内底部外接的鼓风机；
所述温控系统为煤矸石反应箱中心处竖直安装热电偶，热电偶底部置于煤矸石反应箱底端，热电偶顶部通过温度变送器与设有温度数据传输芯片和氨水浓度传输芯片的可编程序控制器PLC连接；
所述液态工作介质循环系统为煤矸石反应箱内大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层中间布设工作介质循环管道，工作介质循环管道入口设置于煤矸石反应箱一侧壁中部，出口设置于煤矸石反应箱顶端中部；所述工作介质循环管道出口连接气液分离器，气液分离器底部与液态工作介质循环管道入口连通；所述工作介质循环管道入口通过单向阀、工作介质循环泵与液态工作介质循环池连接，所述液态工作介质循环池顶部通过氨水输入管道与氨水混合罐体底部连接；氨水混合罐体顶部通过清水控制阀和清水泵连接储水池；氨水混合罐体中部连通氨气发生器；所述氨气发生器和清水泵分别与温控系统中的氨水浓度传输芯片连接；
所述工作介质循环发电系统为气液分离器顶部通过饱和蒸汽介质循环管道相连的发电机；所述气液分离器与发电机之间还设置有汽轮机，汽轮机底部通过冷凝器与液态工作介质循环池入口连接；
所述废气收集系统为煤矸石反应箱侧壁顶端通过废气收集管道与废气收集罐体连接，废气收集管道开口设置于相反于工作介质循环管道入口的一侧。
所述鼓风机与煤矸石反应箱之间还设置有截留阀。所述的煤矸石反应箱由钢筋混凝土制作而成的上部敞口的矩形箱体，在反应箱对应位置预留工作介质循环管道安装口、供风系统管道安装口、废气收集系统安装口，温控系统安装口；煤矸石反应箱顶部敞口由预制混凝土箱盖密封。所述废气收集罐体与煤矸石反应箱之间还设置有废气安全阀。
所述气液分离器为旋转式气液分离器，旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口连接处之间还设置有高温液态回流单向阀；所述旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口的连接点设置于单向阀与煤矸石反应箱之间。所述氨气发生器与氨水混合罐体之间还设置有氨气控制阀。所述工作介质循环泵为常规离心式泵；工作介质循环管道为耐高温高压钢管。所述废气收集罐体内装有纯水。
利用所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备处理煤矸石的方法，步骤如下：
（1）分选煤矸石：分选粒度为40-50mm的煤矸石作为第一层煤矸石铺设于煤矸石反应箱底，铺设厚度为1.5m-3.5m，铺设过程中不对煤矸石进行碾压处理；然后将工作介质循环管道铺设于第一层煤矸石表面，同时分选粒度为20-40mm的煤矸石铺设于到第一层煤矸石之上，铺设厚度为50-80cm，铺设完成后密封煤矸石反应箱；
所述煤矸石反应箱在装完煤矸石后确保在箱顶留有30-70cm高度的空间储存煤矸石自燃产生的废气等，待箱内压力达到安全阀的值时，安全阀开启将废气排除。
（2）控制煤矸石自燃：打开鼓风机10，通过通风管道11，截流阀12控制以0.1-1.0m3/min的风量向煤矸石反应堆中通入新鲜空气，使煤矸石自燃发火；
（3）启动温控系统和液态工作介质循环系统：启动温控系统，热电偶探测到煤矸石堆内部温度数据后将其通过温度变送器输入温度数据传输新品，经PLC分析与温度匹配的氨水浓度，同时启动液态工作介质循环系统，氨水浓度数据传入氨水浓度数据芯片，然后PLC控制系统控制氨气控制阀和清水控制阀，控制氨水混合罐体中配置出对应的氨水浓度并输入液态工作介质循环池中；开启单向阀，氨水由液态工作介质循环池中通过工作循环介质泵将配置好的体积浓度为0.5-0.7的氨水二元混合工作介质通过液态工作介质循环管道输入煤矸石堆内；
（4）启动工作介质循环发电系统：煤矸石堆自燃释放出的热量将液态工作介质氨水气化成高温高压气体，气体经循环管道后上升至旋转气液分离器，经分离器进一步分离出饱和高温高压气体和高温液态工作介质，饱和高温高压气体通过饱和蒸汽介质循环管道输入汽轮机推动发电机发电，高温液态工作介质通过高温液态回流单向阀直接回流至液态工作介质循环管道中循环利用；汽轮机中的乏汽由冷凝器冷凝至液态工作介质循环池中继续循环利用；
（5）废气收集系统收集废气：随着煤矸石自燃进程的不断进行，煤矸石反应箱中的SO2、NO2烟尘废气压力升高，当煤矸石中废气压力达到废气安全阀的安全压力值时，废气安全阀开启，通过废气收集管道将废气输入废气收集罐体中与水反应生成硫酸、硝酸工业原料；
（6）固体废弃物处理：煤矸石充分自燃后的固体废弃物与城市污水处理站污泥和树叶按照体积比1:1-2:3-5的比例充分混合即为植物生长肥料。
供风系统持续不断的为煤矸石反应箱中通入新鲜空气。供风风量为0.1-1.0m3/min，保证煤矸石充分自燃的同时不带走煤矸石堆内部的大量热量。
插入煤矸石堆内部的热电偶探测自燃煤矸石内部的温度并将数据通过温度变送器传入温度数据传输芯片输入PLC中，经过PLC对数据分析匹配将温度数据转换成与该温度相对应的氨水浓度信息传输至氨水浓度数据传输芯片中，控制氨气发生器中的控制阀的开启程度以及清水管路中控制阀的开启程度，配置出适合该温度下的氨水浓度，输入氨水混合罐体中。
旋转式气液分离器分离出饱和高温高压气体推动汽轮机发电机组做功发电。
废气收集罐体中装有纯水，煤矸石自燃产生的SO2、NO2通入水中生成硫酸、硝酸等工业原料。
安全阀为具备当煤矸石反应箱中的废气压力达到一定压力才打开使废气输出的阀门。
待煤矸石充分自燃后，将自燃后的产物取出与城市污水处理站污泥、树叶等充分混合配置出具有一定肥力的可供绿色植物生长的肥料。
与现有技术相比，本发明在煤炭开采后直接将煤矸石进行分选且直接堆积入煤矸石反应箱内进行处理，对煤矸石自燃热量充分利用，避免了煤矸石无序堆放占用耕田及自燃产生热量诱发煤矸石堆爆炸等地质灾害。将煤矸石自燃所产生的废气收集生成硫酸、硝酸等工业原料同时避免了废气对大气的污染。将煤矸石自燃后产物与城市污泥、树叶等充分混合形成具有一定肥力的绿色植物肥料，实现煤矸石的生态化利用。本发明实现煤矸石生态资源化的利用，把煤矸石作为一种资源利用的同时避免了煤矸石对环境的污染。
附图说明
图1为本发明所述煤矸石反应堆系统、供风系统、液态工作介质循环系统、工作介质循环发电系统和废气收集系统结构示意图；图2为本发明所述温控系统、液态工作介质循环系统结构示意图。
图中：1-煤矸石反应箱；2-饱和蒸汽介质循环管道；3-汽轮机；4-发电机；5-冷凝器；6-液态工作介质循环池；7-工作介质循环泵；8-单向阀；9-液态工作介质循环管道；10-鼓风机；11-通风管道；12-截留阀；13-废气安全阀；14-废气收集管道；15-高温液态回流单向阀；16-气液分离器；17-废气收集罐体；18-氨水截流阀；19-氨水输入管道；20-热电偶；21-温度变送器；23-温度数据传输芯片；24-可编程序控制器PLC；25-氨水浓度传输芯片；26-氨气发生器；27-氨气控制阀；28-清水泵；29-清水控制阀；30-氨水混合罐体。
具体实施例
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种煤矸石生态资源化综合利用设备，包括煤矸石反应堆系统，与煤矸石反应堆系统相连接的供风系统、温控系统、液态工作介质循环系统、工作介质循环发电系统和废气收集系统；
煤矸石反应堆系统为密封煤矸石反应箱1，煤矸石反应箱1内铺设大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层；供风系统为煤矸石反应箱1底部外接的鼓风机10；温控系统为煤矸石反应箱1中心处竖直安装热电偶20，热电偶20底部置于煤矸石反应箱1底端，热电偶20顶部通过温度变送器21与设有温度数据传输芯片23和氨水浓度传输芯片25的可编程序控制器PLC 24连接；
液态工作介质循环系统为煤矸石反应箱1内大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层中间布设液态工作介质循环管道9，液态工作介质循环管道9入口设置于煤矸石反应箱1一侧壁中部，出口设置于煤矸石反应箱1顶端中部；所述液态工作介质循环管道出口连接气液分离器16，气液分离器16底部与液态工作介质循环管道9入口连通；所述液态工作介质循环管道9入口通过单向阀8、工作介质循环泵7与液态工作介质循环池6连接，所述液态工作介质循环池6顶部通过氨水输入管道19与氨水混合罐体30底部连接；氨水混合罐体30顶部通过清水控制阀29和清水泵28连接储水池；氨水混合罐体30中部连通氨气发生器26；所述氨气发生器26和清水泵28分别与温控系统中的氨水浓度传输芯片25连接；
工作介质循环发电系统为气液分离器16顶部通过饱和蒸汽介质循环管道2相连的发电机4；所述气液分离器16与发电机4之间还设置有汽轮机3，汽轮机3底部通过冷凝器5与液态工作介质循环池6入口连接；
废气收集系统为煤矸石反应箱1侧壁顶端通过废气收集管道14与废气收集罐17体连接，废气收集管道14开口设置于相反于工作介质循环管道9入口的一侧。
鼓风机10与煤矸石反应箱1之间的通风管道11上还设置有截留阀12。
煤矸石反应箱由钢筋混凝土制作而成的上部敞口的矩形箱体，在反应箱对应位置预留工作介质循环管道安装口、供风系统管道安装口、废气收集系统安装口，温控系统安装口；煤矸石反应箱顶部敞口由预制混凝土箱盖密封。废气收集罐体17与煤矸石反应箱1之间还设置有废气安全阀13。气液分离器为旋转式气液分离器，旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口连接处之间还设置有高温液态回流单向阀15；所述旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口的连接点设置于单向阀8与煤矸石反应箱1之间。
氨气发生器26与氨水混合罐体30之间还设置有氨气控制阀27；所述氨水混合罐体30与液态工作介质循环池6之间还设置有氨水截留阀18。工作介质循环泵为常规离心式泵；工作介质循环管道为耐高温高压钢管。废气收集罐体内装有纯水。
进一步的，首先分选粒度为40-50mm的煤矸石分层铺设于煤矸石反应箱中，铺设厚度为1.5m-3.5m，铺设时不对煤矸石进行碾压处理使煤矸石颗粒之间保持充足的间隙作为供风通道，然后将工作介质循环管道铺设于第一层煤矸石表面，同时选取粒度为20-40mm的煤矸石松散铺设于到第一层煤矸石之上，铺设厚度为50-80cm，所述煤矸石反应箱在装完煤矸石后确保在箱顶留有30-70cm高度的空间储存煤矸石自燃产生的废气等，待箱内压力达到安全阀的值时，安全阀开启将废气排除。铺设完成后密封煤矸石反应箱。
打开鼓风机10，通过通风管道11，截流阀12以0.1-1.0m3/min的风量向煤矸石反应堆中通入新鲜空气，在提供煤矸石自燃所需氧气的同时不大量带走煤矸石自燃所释放的热量，促进煤矸石的自燃发火。
随着煤矸石反应堆内部自燃反应的进行，煤矸石内部不断积累热量温度不断升高，由温度控制系统中热电偶20探测的自燃煤矸石堆内部温度数据传入温度变送器21输入温度数据传输芯片中传入可编程序控制器分析输入PLC中与相应氨水浓度匹配同时将氨水浓度数据传入氨水浓度数据芯片中控制氨气发生器中的控制阀和清水控制阀，与氨水混合罐体中配置出相应的氨水浓度并输入工作介质循环罐体6中。
温度数据与氨水浓度匹配原则是：当热电偶探测到的温度较高时，由PLC控制系统控制氨水发生器控制阀及清水泵控制阀配制出的氨气浓度较低，反之，热电偶探测到的煤矸石内部温度较低时，配制出较高浓度的氨水二元工作介质以达到充分利用煤矸石内部热量的目地。
通过液态工作介质循环泵7将配置好的体积浓度为0.5-0.7的氨水二元混合工作介质通过循环管道9、单向阀8输入煤矸石堆内。
利用煤矸石堆自燃释放出的热量将液态工作介质气化成高温高压气体输入旋转气液分离器16中进一步分离出饱和高温高压气体通过气态介质循环管道2输入汽轮机3推动发电机4发电，同时乏汽由冷凝器冷凝至液态工作介质循环池中循环利用，由旋转式气液旋流器16分离出的高温液态工作介质通过高温介质输送管道20、高温介质单向阀15直接回流至液态介质循环管道中循环利用。
随着煤矸石自燃进程的不断进行，煤矸石反应箱中的SO2、NO2烟尘等废气压力逐渐升高，当煤矸石中废气压力达到废气收集安全阀13的安全压力值时，安全阀13开启通过废气收集管道14将废气输入废气收集罐体17中与水反应生成硫酸、硝酸工业原料。
经煤矸石充分自燃后，将煤矸石自燃后产物与城市污水处理站污泥、树叶等按照体积比1:1-2:3-5的比例充分混合，形成一种可促进绿色植物生长所需的肥料，实现煤矸石生态资源化的利用。
Claims (9)
1.一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：包括煤矸石反应堆系统，与煤矸石反应堆系统相连接的供风系统、温控系统、液态工作介质循环系统、工作介质循环发电系统和废气收集系统；
所述煤矸石反应堆系统为密封煤矸石反应箱（1），煤矸石反应箱（1）内铺设大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层；
所述供风系统为煤矸石反应箱（1）底部外接的鼓风机（10）；
所述温控系统为煤矸石反应箱（1）中心处竖直安装热电偶（20），热电偶（20）底部置于煤矸石反应箱（1）底端，热电偶（20）顶部通过温度变送器（21）与设有温度数据传输芯片（23）和氨水浓度传输芯片（25）的可编程序控制器PLC（24）连接；
所述液态工作介质循环系统为煤矸石反应箱（1）内大颗粒煤矸石层和小颗粒煤矸石层中间布设液态工作介质循环管道（9），液态工作介质循环管道（9）入口设置于煤矸石反应箱（1）一侧壁中部，出口设置于煤矸石反应箱（1）顶端中部；所述液态工作介质循环管道出口连接气液分离器（16），气液分离器（16）底部与液态工作介质循环管道（9）入口连通；所述液态工作介质循环管道（9）入口通过单向阀（8）、工作介质循环泵（7）与液态工作介质循环池（6）连接，所述液态工作介质循环池（6）顶部通过氨水输入管道（19）与氨水混合罐体（30）底部连接；氨水混合罐体（30）顶部通过清水控制阀（29）和清水泵（28）连接储水池；氨水混合罐体（30）中部连通氨气发生器（26）；所述氨气发生器（26）和清水泵（28）分别与温控系统中的氨水浓度传输芯片(25)连接；
所述工作介质循环发电系统为气液分离器（16）顶部通过饱和蒸汽介质循环管道（2）相连的发电机（4）；所述气液分离器（16）与发电机（4）之间还设置有汽轮机（3），汽轮机（3）底部通过冷凝器（5）与液态工作介质循环池（6）入口连接；
所述废气收集系统为煤矸石反应箱（1）侧壁顶端通过废气收集管道（14）与废气收集罐（17）体连接，废气收集管道（14）开口设置于相反于工作介质循环管道（9）入口的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述鼓风机（10）与煤矸石反应箱（1）之间的通风管道（11）上还设置有截留阀（12）。
3.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述的煤矸石反应箱由钢筋混凝土制作而成的上部敞口的矩形箱体，在反应箱对应位置预留工作介质循环管道安装口、供风系统管道安装口、废气收集系统安装口，温控系统安装口；煤矸石反应箱顶部敞口由预制混凝土箱盖密封。
4.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述废气收集罐体（17）与煤矸石反应箱（1）之间还设置有废气安全阀（13）。
5.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述气液分离器为旋转式气液分离器，旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口连接处之间还设置有高温液态回流单向阀（15）；所述旋转式气液分离器与工作介质循环管道入口的连接点设置于单向阀（8）与煤矸石反应箱（1）之间。
6.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述氨气发生器（26）与氨水混合罐体（30）之间还设置有氨气控制阀（27）；所述氨水混合罐体（30）与液态工作介质循环池（6）之间还设置有氨水截留阀（18）。
7.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述工作介质循环泵为常规离心式泵；工作介质循环管道为耐高温高压钢管。
8.根据权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备，其特征在于：所述废气收集罐体内装有纯水。
9.利用权利要求1所述的一种煤矸石生态资源化综合利用设备处理煤矸石的方法，其特征在于：步骤如下：
（1）分选煤矸石：分选粒度为40-50mm的煤矸石作为第一层煤矸石铺设与煤矸石反应箱底，铺设厚度为1.5m-3.5m，铺设过程中不对煤矸石进行碾压处理；然后将工作介质循环管道铺设于第一层煤矸石表面，同时分选粒度为20-40mm的煤矸石铺设于到第一层煤矸石之上，铺设厚度为50-80cm，在装完煤矸石后确保在箱顶留有30-70cm高度的空间；铺设完成后密封煤矸石反应箱；
（2）控制煤矸石自燃：打开鼓风机10，通过通风管道11，截流阀12控制以0.1-1.0m3/min的风量向煤矸石反应堆中通入新鲜空气，使煤矸石自燃发火；
（3）启动温控系统和液态工作介质循环系统：启动温控系统，热电偶探测到煤矸石堆内部温度数据后将其通过温度变送器输入温度数据传输新品，经PLC分析与温度匹配的氨水浓度，同时启动液态工作介质循环系统，氨水浓度数据传入氨水浓度数据芯片，然后PLC控制系统控制氨气控制阀和清水控制阀，控制氨水混合罐体中配置出对应的氨水浓度并输入液态工作介质循环池中；开启单向阀，氨水由液态工作介质循环池中通过工作循环介质泵将配置好的体积浓度为0.5-0.7的氨水二元混合工作介质通过液态工作介质循环管道输入煤矸石堆内；
（4）启动工作介质循环发电系统：煤矸石堆自燃释放出的热量将液态工作介质氨水气化成高温高压气体，气体经循环管道后上升至旋转气液分离器，经分离器进一步分离出饱和高温高压气体和高温液态工作介质，饱和高温高压气体通过饱和蒸汽介质循环管道输入汽轮机推动发电机发电，高温液态工作介质通过高温液态回流单向阀直接回流至液态工作介质循环管道中循环利用；汽轮机中的乏汽由冷凝器冷凝至液态工作介质循环池中继续循环利用；
（5）废气收集系统收集废气：随着煤矸石自燃进程的不断进行，煤矸石反应箱中的SO2、NO2烟尘废气压力升高，当煤矸石中废气压力达到废气安全阀的安全压力值时，废气安全阀开启，通过废气收集管道将废气输入废气收集罐体中与水反应生成硫酸、硝酸工业原料；
（6）固体废弃物处理：煤矸石充分自燃后的固体废弃物与城市污水处理站污泥和树叶按照体积比1:1-2:3-5的比例充分混合即为植物生长肥料。
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| CN112462656A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-09 | 凤台县天宝建材有限责任公司 | 一种煤矸石资源化综合利用系统 |
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2019
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