CN117145576A - 一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，包括如下步骤：1)将破碎研磨后的煤矸石与粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂(生石灰和镁渣粉)混合输送至搅拌电厂烟气反应装置；2)搅拌的同时通过电厂烟气气源向搅拌反应装置底部注入电厂烟气；3)采空区内布设充填袋，搅拌好的充填料浆由充填泵提供动力，通过充填管路输送至充填袋内；4)充填袋内注入电厂烟气，直至充填料浆封存电厂烟气达到饱和状态，实现井下固废处置与电厂烟气封存；5)充填袋口安装压力监测仪和有毒有害气体监测仪。其系统简单，作业灵活，解决了矿山固废堆积和电厂烟气外排的问题，实现煤炭资源绿色开采，保护了地面生态环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，属于矿山固废基充填与电厂烟气地下封存技术领域。
背景技术
煤炭在开采过程中会产生大量的煤矸石、矿渣、煤泥等煤基固体废弃物，据统计，井工矿每采万吨煤炭破坏土地面积约2.7×10-3km2，排放煤矸石2.0～6.1万m3，通常煤基固废里面含有碳、硅、铝、镁等有效成分及少量的重金属元素，兼具“资源”和“环境”双重特性，对其资源化利用是保护生态环境及资源利用具有重要意义。电厂烟气是燃煤发电过程中产生的废气，其主要成分有N2、CO2、O2、SOx、NOx及烟尘，过量的排放不仅会危害人体健康，而且会严重污染环境，目前，如何规模化处理电厂烟气成为亟需解决的难题。
架后膏体充填开采是我国开采“三下”压煤的重要手段，其采用架后膏体充填液压支架通过向采空区内布设充填袋进行充填，充填材料可采用煤基固废与胶凝材料混合制备而成，其中主要包括煤矸石、粉煤灰、水泥、外加剂等，材料属性为非均质多孔介质，有大量的孔隙结构，对电厂烟气具有吸附作用；并且煤矸石、水泥、粉煤灰等材料里含有CaO、MgO等，可与电厂烟气中的CO2、SOx等发生化学反应。
因此，本发明提出一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法，可实现煤基固废与电厂烟气规模化处置与资源化利用，对生态环境保护和社会高质量发展具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，以进一步解决煤基固废和电厂烟气难处理的问题。
为实现上述技术目的，本发明一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，基于矿山固废与电厂烟气里的多组分发生反应-吸附的特征，依次形成地面电厂烟气封存-架后膏体充填-井下电厂烟气封存-智能监测系统，在充填区域内充入具有封存电厂烟气功能的矿山固废基膏体充填料浆，实现矿山固废处置与电厂烟气封存。
技术方案：本发明的第一个目的在于，提出一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统，该充填封存系统包括原料系统、电厂烟气气源系统、输送系统及充填系统，其中，
所述原料系统包括电厂烟气搅拌反应装置及与其连接的蓄水池、材料仓，所述蓄水池向所述电厂烟气搅拌反应装置供水，所述材料仓向所述电厂烟气搅拌反应装置输送固体充填材料；
所述电厂烟气气源系统包括电厂烟气气源，所述电厂烟气气源连接所述电厂烟气搅拌反应装置及所述充填系统；
所述输送系统包括充填材料输送管路、电厂烟气输送管路；
所述充填系统包括设置于采空区内的充填袋，所述充填袋设置有膏体材料充填口及电厂烟气注入口；
所述电厂烟气搅拌反应装置通过所述充填材料输送管路连通至所述充填袋的膏体材料充填口，
所述电厂烟气气源通过所述电厂烟气输送管路连通至所述充填袋的电厂烟气注入口。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述充填袋内设置压力监测仪，所述电厂烟气注入口内设置有毒有害气体监测仪。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述采空区内设置膏体充填液压支架，所述充填袋设置于所述膏体充填液压支架之后，所述充填袋的四周由后顶梁、后挡板、两侧分隔板及上次充填体共同组成的固定体，由吊持环将充填袋悬挂于固定体上。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述原料系统还包括有胶带运输机及破碎机，矸石山的煤矸石经胶带运输机运输至破碎机进行破碎，所述破碎机包括细颚式破碎机。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述固体充填材料包括煤矸石、粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂，所述添加剂包括生石灰和镁渣粉，所述煤矸石的粒径不高于10mm。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述充填材料输送管路设置有充填泵。
本发明的第二个目的是，提出一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法，所述方法包括如下步骤：
S1、地面电厂烟气一次封存：向电厂烟气反应装置内加入固体充填材料和水，搅拌，同时通过电厂烟气气源向所述电厂烟气反应装置底部注入电厂烟气，对电厂烟气进行地面一次封存，获得膏体充填料浆；
S2、架后膏体充填：利用架后膏体充填采煤法开采煤层，在膏体充填液压支架后方的采空区内布设充填袋，将采空区分隔成若干封闭的充填空间，搅拌好的所述膏体充填料浆由充填泵提供动力，通过充填材料管路输送至充填袋内；
S3、井下电厂烟气二次封存：待膏体充填料浆充满充填袋13后，开启井下电厂烟气注入系统，通过电厂烟气输送管路向井下充填袋内注入电厂烟气，对电厂烟气进行井下二次封存，直至膏体充填料浆封存电厂烟气达到饱和状态，实现井下固废处置与电厂烟气封存。
可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，所述固体充填材料包括煤矸石、粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂，所述添加剂包括生石灰和镁渣粉，所述煤矸石的粒径不高于10mm。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述膏体充填料浆浓度为60％～80％，综合考虑料浆输送性能及力学性能，优选料浆浓度为70％。
可选的，在本发明的一种实施方式中，按质量分数计，所述固体充填材料包括煤矸石70％～90％、粉煤灰5％～20％、电石渣3％～8％、水泥1％～5％及添加剂0.1％～5％，其中，所述添加剂0.1％～5％包括生石灰0.05％～4.5％和镁渣粉0.01％～1％，优选的，所述添加剂包括生石灰1.5％和镁渣粉0.5％。
可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，所述膏体充填料浆的塌落度为200-250mm，初凝时间小于3h。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述搅拌封存反应装置中封存电厂烟气的反应时间为2～3h，优选为2.5h。搅拌封存反应装置中电厂烟气与膏体充填料浆最佳反应时间根据实验室试验可得，测试不同搅拌时间下膏体充填料浆流动性与力学性能，优选出最佳搅拌时间。
可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S2中，进行架后膏体充填前，先利用电厂烟气压风鼓袋，使所述充填袋鼓风膨胀，紧贴四周固定体。
进一步可选的，在本发明的一种实施方式中，所述充填袋(13)尺寸为：长×宽×高＝12.0m×3.0m×2.5m。
进一步可选的，在本发明的一种实施方式中，所述充填材料输送管路(9)内料浆输送速率为1.45m/s。
可选的，在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括：
S4、智能监测系统布置：在充填袋内安装压力监测仪和有毒有害气体监测仪，监测充填袋内压力及有毒有害气体浓度变化。
进一步可选的，在本发明的一种实施方式中，当充填袋内压力监测仪显示注入压力变大但流量不变时，则可判断膏体充填料浆已固结；同时观察有毒有害气体监测仪，防止有毒气体泄漏至工作面，危害人体健康，至此实现该矿固废处置与电厂烟气封存。
进一步，所述矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法包括：
第一步：通过实验室试验筛选出最合适的充填膏体材料配比；
第二步：根据具体的封存目的可将电厂烟气站设置在合适的位置，实现膏体充填材料与电厂烟气井上井下协同封存的目的；
第三步：将压力传感器和有毒有害气体传感器布置在充填袋口的合适位置，并通过光缆连接计算机系统；
第四步：通过计算机系统观察记录充填袋内的压力和有毒有害气体含量的变化，反馈到电厂烟气注入系统，控制电厂烟气的注入与暂停。
本发明所达到的有益效果：
1、本发明通过架后膏体充填采煤后形成的采空区布设的充填袋内注入矿山固废基充填料浆及电厂烟气，可实现规模化处置矿山固废与封存电厂烟气，减小矿山固废及电厂烟气对环境的损害，实现煤炭资源绿色开采，保护矿区生态环境。
2、本方法通过形成地面电厂烟气封存-架后膏体充填-井下电厂烟气封存-智能监测系统进行矿山固废处置与电厂烟气封存，地面电厂烟气封存在电厂烟气反应装置内进行，气源从装置底部充入与充填料浆充分搅拌混合，增加电厂烟气与充填料浆的接触时间及面积，实现电厂烟气第一次封存；井下电厂烟气封存分两步进行，第一步为利用电厂烟气压风鼓袋，使充填袋紧贴四周固定体；第二步为膏体充填材料充满充填袋后，通过气体管路向充填袋内注入电厂烟气，实现电厂烟气的封存。该方法矿山固废处置量和电厂烟气封存量大，安全高效，成本低廉，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法使用系统示意图；
图2为本发明一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法中充填袋平面布置示意图。
图3为本发明一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法中充填袋构造示意图。
图中附图标记的含义：
1—矸石山；2—胶带运输机；3—细颚式破碎机；4—蓄水池；5—电厂烟气搅拌反应装置；6—材料仓；7—电厂烟气气源；8—充填泵；9—充填材料输送管路；10—电厂烟气输送管路；11—膏体充填液压支架；12—采空区；13—充填袋；14—充填钻孔；15—电厂烟气注入口；16—膏体材料充填口；17—吊持环；18—压力监测仪；19—有毒有害气体监测仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
本发明公开一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，在采空区内12内布设充填袋13，在充填袋13内充入矿山固废基膏体充填材料(即膏体充填料浆)及电厂烟气，形成地面电厂烟气封存-架后膏体充填-井下电厂烟气封存系统，还可以进一步结合智能检测仪，形成地面电厂烟气封存-架后膏体充填-井下电厂烟气封存-智能监测系统，实现矿山固废处置与电厂烟气封存。本发明分为地面电厂烟气封存、架后膏体充填、井下电厂烟气封存、智能监测四个步骤。
充填封存前，首先进行膏体充填材料制备：在破碎车间和研磨车间内将煤矸石破碎，通过给料机将破碎研磨后的煤矸石与粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂(生石灰和镁渣粉)混合输送至搅拌电厂烟气反应装置；
S1、地面电厂烟气一次封存：向电厂烟气反应装置内加入一定量的水，开始搅拌，并同时通过电厂烟气气源内向搅拌反应装置底部注入电厂烟气，对电厂烟气进行封存；
S2、架后膏体充填：利用架后膏体充填采煤法开采煤层，在膏体充填液压支架后方的采空区内布设充填袋，将采空区分隔成一个个封闭的充填空间，搅拌好的充填料浆由充填泵提供动力，通过充填管路输送至充填袋内；
S3、井下电厂烟气二次封存：待膏体充填料浆充满充填袋后，开启井下电厂烟气注入系统，通过气体管路向井下充填袋内注入电厂烟气，直至充填料浆封存电厂烟气达到饱和状态，实现井下固废处置与电厂烟气封存；
S4、智能监测系统布置：在充填袋内安装压力监测仪和有毒有害气体监测仪，监测充填袋内压力及有毒有害气体浓度变化。
下面结合具体的实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
本发明的目的是针对矿山固废及电厂烟气难处理，排放至地面污染环境的现状，提供一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统及方法，结合某矿工程地质条件，进行实施例的说明。
如图1所示，首先在地面矸石山1附近布设充填设施，包括胶带运输机2、细颚式破碎机3、蓄水池4、电厂烟气搅拌反应装置5、材料仓6、电厂烟气气源7、充填泵8。
其中粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂按照一定的比例混合输送至材料仓6内，矸石山1经过胶带输送机2输送至细颚式破碎机3内进行破碎，再通过胶带输送机2输送至电厂烟气搅拌反应装置5，材料仓6和电厂烟气气源7通过充填材料输送管路9输送至电厂烟气搅拌反应装置5，加入蓄水池4内的一定量的水进行充分混合搅拌；
如图2、3所示，充填材料输送管路9、电厂烟气输送管路10通过充填钻孔14伸入到井下采空区12内位于膏体充填液压支架11后的若干充填袋13内，分别与膏体充填材料充填口16、电厂烟气注入口15连接。具体的，采空区12内设置膏体充填液压支架11，膏体充填液压支架11之后设置有若干个充填袋13，充填袋13的四周由后顶梁、后挡板、两侧分隔板及上次充填体共同组成的固定体，将充填袋13四周合围起来实现固定，由吊持环17将充填袋13悬挂于固定体上。
一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法具体步骤如下：
a、膏体充填材料制备工序：首先，矸石山1的煤矸石通过胶带输送机2运输至破碎研磨车间将煤矸石破碎至10mm以下，然后将破碎后的矸石与煤矸石、粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂按照质量比为80％：10％：5％：3％：2％混合输送至电厂烟气搅拌反应装置5，其中，添加剂为生石灰1.5％和镁渣粉0.5％；
b、地面电厂烟气一次封存工序：由蓄水池4内向电厂烟气搅拌反应装置5内加入一定量的水，制成浓度为70％的料浆，启动装置开始搅拌，并通过电厂烟气气源7从电厂烟气搅拌反应装置5底部注入电厂烟气进行封存电厂烟气的反应，持续注入2.5h，停止搅拌及电厂烟气注入，经测定，本实施例所得膏体充填料浆的塌落度为220mm，初凝时间为2h，说明该膏体充填料浆流动性达到泵送要求的要求。
c、架后膏体充填工序：首先，在采空区12内布设充填袋13，具体的，在本实施例中，充填袋13的尺寸为：长×宽×高＝12.0m×3.0m×2.5m；电厂烟气气源7通过电厂烟气输送管路10由电厂烟气注入口15充入充填袋13内，进行压风鼓袋；通过充填泵8提供动力，将制备好的膏体充填料浆由电厂烟气搅拌反应装置5通过充填材料输送管路9由膏体材料充填口16充入充填袋13内，具体的，在本实施例中，充填材料输送管路9内料浆输送速率为1.45m/s。
d、井下电厂烟气二次封存工序：待膏体充填料浆充满充填袋13后，开启电厂烟气气源7，通过电厂烟气输送管路10由电厂烟气注入口15注入充填袋13内。
e、智能监测工序：当充填袋13内压力监测仪18显示注入压力变大但流量不变时，则可判断膏体充填料浆已固结，同时观察有毒有害气体监测仪19，防止有毒气体泄漏至工作面，危害人体健康，至此实现该矿固废处置与电厂烟气封存。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统，其特征是，该充填封存系统包括原料系统、电厂烟气气源系统、输送系统及充填系统，其中：
所述原料系统包括电厂烟气搅拌反应装置(5)及与其连接的蓄水池(4)、材料仓(6)，所述蓄水池(4)向所述电厂烟气搅拌反应装置(5)供水，所述材料仓(6)向所述电厂烟气搅拌反应装置(5)输送固体充填材料；
所述电厂烟气气源系统包括电厂烟气气源(7)，所述电厂烟气气源(7)连接所述电厂烟气搅拌反应装置(5)及所述充填系统；
所述输送系统包括充填材料输送管路(9)、电厂烟气输送管路(10)；
所述充填系统包括设置于采空区(12)内的充填袋(13)，所述充填袋(13)设置有膏体材料充填口(16)及电厂烟气注入口(15)；
所述电厂烟气搅拌反应装置(5)通过所述充填材料输送管路(9)连通至所述充填袋(13)的膏体材料充填口(16)，
所述电厂烟气气源(7)通过所述电厂烟气输送管路(10)连通至所述充填袋(13)的电厂烟气注入口(15)。
2.根据权利要求1所述的矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统，其特征是，所述充填袋(13)内设置压力监测仪18，所述电厂烟气注入口(15)内设置有毒有害气体监测仪(19)。
3.根据权利要求1所述的矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统，其特征是，所述采空区(12)内设置膏体充填液压支架(11)，所述充填袋(13)设置于所述膏体充填液压支架(11)之后。
4.根据权利要求1所述的矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存系统，其特征是，所述原料系统还包括有胶带运输机(2)及破碎机，矸石山(1)的煤矸石经胶带运输机(2)运输至破碎机进行破碎，所述破碎机包括细颚式破碎机(3)；
所述固体充填材料包括煤矸石、粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂，所述添加剂包括生石灰和镁渣粉，所述煤矸石的粒径不高于10mm；
所述充填材料输送管路(9)设置有充填泵(8)。
5.一种矿山固废基膏体协同电厂烟气多组分充填封存方法，其特征是，所述方法包括如下步骤：
S1、地面电厂烟气一次封存：向电厂烟气反应装置(5)内加入固体充填材料和水，搅拌，同时通过电厂烟气气源(7)向所述电厂烟气反应装置(5)底部注入电厂烟气，对电厂烟气进行地面一次封存，获得膏体充填料浆；
S2、架后膏体充填：利用架后膏体充填采煤法开采煤层，在膏体充填液压支架(11)后方的采空区(12)内布设充填袋(13)，将采空区(12)分隔成若干封闭的充填空间，搅拌好的所述膏体充填料浆由充填泵(8)提供动力，通过充填材料输送管路(9)输送至充填袋内(13)；
S3、井下电厂烟气二次封存：待膏体充填料浆充满充填袋(13)后，开启井下电厂烟气注入系统，通过电厂烟气输送管路(10)向井下充填袋(13)内注入电厂烟气，对电厂烟气进行井下二次封存，直至膏体充填料浆封存电厂烟气达到饱和状态，实现井下固废处置与电厂烟气封存。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，步骤S1中，所述固体充填材料包括煤矸石、粉煤灰、电石渣、水泥及添加剂，所述添加剂包括生石灰和镁渣粉，所述煤矸石的粒径不高于10mm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述膏体充填料浆的浓度为60％～80％，优选为70％；
按质量分数计，所述固体充填材料包括煤矸石70％～90％、粉煤灰5％～20％、电石渣3％～8％、水泥1％～5％及添加剂0.1％～5％，所述添加剂0.1％～5％包括生石灰0.05％～4.5％和镁渣粉0.01％～1％，优选的，包括生石灰1.5％和镁渣粉0.5％。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，步骤S1中，所述膏体充填料浆的塌落度为200-250mm，初凝时间小于3h；
所述搅拌封存反应装置(5)中封存电厂烟气的反应时间为2～3h。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征是，步骤S2中，进行架后膏体充填前，先利用电厂烟气压风鼓袋，使所述充填袋(13)鼓风膨胀；
所述充填袋(13)尺寸为：长×宽×高＝12.0m×3.0m×2.5m；
所述充填材料输送管路(9)内料浆输送速率为1.45m/s。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述方法还包括：
S4、智能监测系统布置：在充填袋(13)内安装压力监测仪(18)和有毒有害气体监测仪(19)，监测充填袋内压力及有毒有害气体浓度变化。
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