粉煤灰基膏体充填脱氨方法研究综述_李亚娇.pdf

粉煤灰基膏体充填脱氨方法研究综述李亚娇1，鱼郑1，鞠恺1，任武昂1，唐仁龙2，金鹏康3（1.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054；2.西安科技大学能源学院,陕西西安710054；3.西安交通大学人居环境学院,陕西西安710049）摘要：在论述粉煤灰基膏体充填技术现状的基础上，进一步探讨了粉煤灰基膏体充填中氨气释放所引起的井下空气环境恶化问题。通过分析氨气产生机理，发现由于粉煤灰中吸附的 NH4HSO4和(NH4)2SO4易溶于水且会生成 NH4+，其在碱性环境下会转换为 NH3释放出来。研究表明，现有的粉煤灰固体中吸附氨的去除方法，如加碱法、氧化法和加热法，都可将氨去除到合适范围，满足粉煤灰正常使用。但由于加碱法与氧化法需添加药剂且后续要将脱氨处理的粉煤灰加热干燥，加热法对热源有较高要求，高昂的成本使这些方法不能在粉煤灰基膏体充填脱氨处理中广泛应用。将粉煤灰制成浆液，并借鉴污水中物理化学脱氨的基础理论，提出用吹脱法、折点加氯法和磷酸铵镁沉淀法去除浆液中氨的技术措施。其中，吹脱法脱氨效果稳定且不需额外添加药剂，折点加氯法和磷酸铵镁沉淀法理论上可将浆液中的氨完全去除，但所需加药量大，且对加药量难以控制，影响氨的去除效果以及粉煤灰的性能。通过综合比较上述脱氨方法的技术特点，结合经济评价认为用吹脱法处理粉煤灰浆液的氨氮具有较好的工程应用前景。后续研究可通过试验或模拟的方式，优化吹脱法去除粉煤灰浆液中氨的操作条件，以期获得更好的脱氨效果。此外，还需持续关注脱氨后的粉煤灰浆液所配制充填膏体的性能。关键词：粉煤灰；膏体充填；氨气；脱氨；吹脱法中图分类号：X506文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06026510A review of fly ash-based paste filling deamination methodsLIYajiao1,YUZheng1,JUKai1,RENWuang1,TANGRenlong2,JINPengkang3（1.School of Architecture and Civil Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.College of Energy Engineering,XianUniversity of Science and Technology,Xian 710054,China;3.School of Human Settlements,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China）Abstract:Onthebasisofdiscussingthestatusofflyash-basedpastefillingtechnology,thispaperfurtherdiscussesthedeteriorationofdownholeairenvironmentcausedbyammoniareleaseinflyash-basedpastefilling.Byanalyzingthemechanismofammoniageneration,itwasfoundthatNH4HSO4and(NH4)2SO4adsorbedinflyasharesolubleinwaterandgenerateNH4+,whichwillbeconvertedtoNH3andreleasedunderalkalineenvironment.Itisstudiedthattheexistingmethodsforremovingammoniaadsorbedinflyashsolids,suchasal-kaliaddition,oxidationandheatingmethods,canremoveammoniatoanappropriaterangeandmeetthenormaluseofflyash.However,sincethealkaliadditionmethodandtheoxidationmethodneedtoaddchemicalsandtheflyashafterdeaminationtreatmentneedstobeheatedanddried,theheatingmethodhashigherrequirementsontheheatsource,andthehighcostmakesthesemethodscannotbewidelyusedinthedeaminationtreatmentofflyash-basedpastefilling.Theflyashismadeintoslurry,andthebasictheoryofphysicalandchem-icaldeaminationinsewageisusedforreference,andthetechnicalmeasurestoremoveammoniainslurrybystrippingmethod,break-pointchlorinationmethodandmagnesiumammoniumphosphatemethodareproposed.Amongthem,thestrippingmethodisstableanddoesnotrequireadditionalchemicals,whilethebreak-pointchlorinationmethodandmagnesiumammoniumphosphatemethodcantheoreticallyre-收稿日期：20220508责任编辑：常琛DOI：10.13199/ki.cst.2022-0552基金项目：陕西省重点研发计划资助项目(2020ZDLNY0607)；西安科技大学博士启动金资助项目(2017QDJ062)作者简介：李亚娇（1978），女，辽宁大石桥人，副教授，博士。E-mail：LIYJ通讯作者：任武昂（1986），男，陕西西安人，讲师，博士。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023李亚娇，鱼郑，鞠恺，等.粉煤灰基膏体充填脱氨方法研究综述J.煤炭科学技术，2023，51（6）：265274.LIYajiao，YUZheng，JUKai，et al.Areviewofflyash-basedpastefillingdeaminationmethodsJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：265274.265moveammoniafromslurrycompletely,buttherequireddosageislarge,anditisdifficulttocontrolthedosage,whichaffectstheammo-niaremovaleffectandtheperformanceofflyash.Throughacomprehensivecomparisonofthetechnicalcharacteristicsoftheabovedeaminationmethods,combinedwiththeeconomicevaluationthatthestrippingmethodfortreatingflyashslurryhasgoodprospectsforengineeringapplications.Subsequentstudiescanoptimizetheoperatingconditionsfortheremovalofammoniafromflyashslurrybythestrippingmethodthroughexperimentsorsimulations,withaviewtoobtainingbetterdeaminationresults.Inaddition,theperformanceofthefilledpasteformulatedfromthedeaminatedflyashslurryneedstobepaidcontinuousattention.Key words:flyash；pastefilling；ammonia；deamination；strippingmethod0引言粉煤灰基膏体充填技术作为煤矿绿色开采的重要发展方向，不仅能有效控制地面沉降，还可解决燃煤电厂粉煤灰的消纳问题，达到煤炭绿色高效开采的目标1-2。但有研究发现，将粉煤灰作为主要原材料制备的充填膏体被输送至井下充填工作面后，出现了氨气释放现象，对井下通风系统的空气质量造成恶劣影响3。目前，国内外电厂广泛采用选择性催化还原法(SCR)在锅炉烟气出口进行喷氨脱硝4。在实际运行中，由于电厂煤质、脱硝装置运行效率等因素的不同，喷入超过理论耗氨量的部分 NH3会吸附在粉煤灰表面5。与此同时，在 SCR 脱硝过程中烟气内SO3会与逃逸的 NH3发生反应生成 NH4HSO4和(NH4)2SO4留在粉煤灰中6-7。故烟气脱硝后所产生的粉煤灰中必定含有 NH3，NH4HSO4和(NH4)2SO4，通常其氨含量(以 NH3计)可达 2002500mg/kg8。在充填膏体制备时，粉煤灰、水泥与其他配比材料混合并加水搅拌过程中，会发生一系列的放热反应，且制备好的膏体材料呈现出较强的碱性9。最终，导致充填体释放 NH3并造成井下作业面空气质量恶化，制约了粉煤灰基膏体充填的工程应用。因此，掌握NH3在充填过程中释放机理，并采取针对性措施抑制充填膏体 NH3释放对井下空气环境的危害，是粉煤灰基膏体充填开采工艺亟待解决的关键环境问题。现阶段，对粉煤灰基充填膏体的研究多集中在粉煤灰对膏体流动特性和力学性能的影响10-11，且有研究关注到粉煤灰作为膏体掺料时出现氨气释放现象3。但对解决粉煤灰基充填体的氨释放问题缺乏行之有效的处理措施。针对上述问题，在分析粉煤灰基膏体充填技术优势与发展潜力的基础上，从粉煤灰基膏体氨气释放机理出发，探讨氨气释放的途径；总结了现有的含氨粉煤灰的脱氨方法，并借鉴污水物理化学脱氨方法，提出对粉煤灰浆液进行脱氨处理的思路。进一步对比了不同脱氨方法的运行成本，以期解决粉煤灰基膏体充填开采中氨气释放问题，为粉煤灰基膏体充填推广应用过程中的工作面空气环境污染控制提供技术支持。1粉煤灰基膏体充填技术优势与发展潜力1.1粉煤灰综合利用现状据全国大、中城市固体废物污染环境防治年报显示12，我国重点发表调查工业企业的粉煤灰产量逐年递增，综合利用率逐年递减，如图 1 所示。未被利用的粉煤灰在堆放过程中给环境带来了严重的污染13。6.56.05.55.04.5粉煤灰产量/亿 t粉煤灰利用率4.03.53.00.920.880.840.800.760.72201520162017年份粉煤灰产量电力、热力生产等行业粉煤灰产量粉煤灰利用率20182019图120152019 年我国粉煤灰产量与利用情况Fig.1ProductionandutilizationofflyashinChina,20152019粉煤灰的利用领域主要有以下 4 个方面：1)建材领域。由于粉煤灰的化学组成与黏土相似，含有大量 SiO2和 Al2O3，可以用粉煤灰来代替黏土生产各种水泥，降低水泥成本14。研究发现粉煤灰可被用作混凝土掺料，将粉煤灰掺入到混凝土中可以降低其早期收缩和水化热，降低混凝土开裂的风险15。粉煤灰在建材领域的应用发展较为成熟，目前是粉煤灰利用的主要途径16。但由于粉煤灰在该领域利用方式单一，受季节影响大。且我国燃煤电厂密集分布于西北部地区，因经济发展的制约，粉煤灰的主要利用场地集中在东南部地区。根据运输经济半径计算，将粉煤灰运输到中东部地区经济性较差，导致大量粉煤灰被滞留在西北部地区无法利用。2)农业领域