煤矸石的綜合利用技術(shù)

摘要

煤矸石是一種固體廢棄物，又是一種寶貴的資源。本文針對煤矸石的化學成分、物理特性和發(fā)熱值等特點，介紹了現(xiàn)今煤矸石的直接利用和間接利用的技術(shù)方法和工藝流程，以及改善環(huán)境和培養(yǎng)新的經(jīng)濟增長點。

關(guān)鍵詞：  煤矸石  利用  工藝流程  環(huán)境

1  概述

煤矸石是指在建井、開拓掘進、采煤和洗滌過程中排出的固體廢棄物，是一種在成煤過程中與煤層伴生含碳量比較低，比價堅硬的巖石。煤矸石的露天堆放、長年日曬、淋雨、風化分解、產(chǎn)生大量的酸性水或攜帶有重金屬的離子水。下滲損害地下水質(zhì)，外流導(dǎo)致地下水體的污染。干旱季節(jié)煤矸石發(fā)生自燃產(chǎn)生大量SO₂、H₂S、NO_X和CO等有毒有害氣體，使周圍的環(huán)境惡化�！笆晃濉逼陂g中國煤炭工業(yè)大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，按照減量化，再利用，再循環(huán)的原則，重點治理。^{[ 1 ]}煤矸石的綜合治理是頭等大事，由于煤矸石本身成分不穩(wěn)定，必須因地制宜科學地開發(fā)利用煤矸石資源，防止二次污染。

2  煤矸石的特點

各地煤矸石的成分（表1）^{[ 2 ]、}熱值（表2）^{[ 2]}、重金屬含量^{[ 3]}的含量差別較大。應(yīng)根據(jù)煤矸石的成分、性質(zhì)選擇科學合理的利用途徑。

表1     煤矸石的化學組成

表2  煤矸石的熱值以及建議合理利用途徑

3  煤矸石的直接利用

3.1煤矸石制磚

煤矸石制磚使用煤矸石發(fā)熱值一般在2090~4180 MJ /kg范圍。我國利用煤矸石制磚，利用煤矸石自身的發(fā)熱量提供的熱能來完成干燥和焙燒的工藝過程，基本不需外加燃料，僅在煤矸石發(fā)熱量較低時才向煤矸石中參入少量煤炭。只是煤矸石燒制磚的工藝比粘土制磚工藝增加了一道粉碎工序。風化后的煤矸石添加少量的膠結(jié)材料和激活劑生產(chǎn)的煤矸石磚，具有獨特力學性質(zhì)和抗凍性等優(yōu)點均達到G B5101 – 85規(guī)定的100#標準。

3.2煤矸石制水泥

由于煤矸石和粘土的化學成分相近并且含一定量的炭和熱量，可替代粘土作為生產(chǎn)水泥的原材料或作為混合材料直接摻入熟料中增加水泥的產(chǎn)量。煤矸石和粘土生產(chǎn)水泥工藝基本相同，是將矸石、石灰石、鐵粉（或鋁粉）磨細按一定的比例配制成生料，在回轉(zhuǎn)窯中煅燒生成水泥熟料，在摻入石膏等原料進行磨制^{[ 4 ]}。

生產(chǎn)工藝簡單，技術(shù)要求低，經(jīng)濟效益高。減輕了煤矸石對生態(tài)環(huán)境污染，又節(jié)約了大量的粘土資源，又消耗了大量的廢棄物。用其生產(chǎn)低標號水泥前景是相當可觀的。

3.3 煤矸石做工程回填材料

煤矸石作填筑材料主要是指充填溝谷、采煤塌陷區(qū)等低洼區(qū)的建筑工程用地，或用于填筑鐵路、公路路基等，或用于回填煤礦采空區(qū)及廢棄礦井。

煤矸石工程填筑是以獲得高的充填密實度，使煤矸石地基有效高的承載力，并有足夠的穩(wěn)定性。要求煤矸石是砂巖、石灰?guī)r或未經(jīng)風化的新矸石，施工通常采用分層填筑法，邊回填、邊壓實，并按照《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)施工規(guī)范》對填筑工程進行質(zhì)量評價。^{[ 5 ]}

3.4煤矸石水泥混凝土性能

華僑大學陳本沛、林雨生等人貴煤矸石混凝土的強度和變形性能進行了研究^{[6 ]}，結(jié)果表明：（1）對于C20~C30的煤矸石混凝土，其軸心抗壓強度與立體抗壓強度的關(guān)系，與普通混凝土接近。（2）煤矸石混凝土的軸心抗拉強度，略低于普通混凝土，但可以滿足規(guī)定的取值要求。

西南工學院的徐彬、張?zhí)焓热藢Υ髶搅棵喉肥嗷炷恋哪途眯赃M行了研究^{[7 ]}，結(jié)果表明：（1）大摻量煤矸石水泥混凝土與普通混凝土相比，具有較好的抗凍、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕和保筋性能。其原因在于大摻量煤矸石混凝土的結(jié)構(gòu)較為致密，孔隙率低且有害孔所占的比例小，水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量較低。（2）大摻量煤矸石水泥混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性小于硅酸鹽水泥混凝土。

3.5煤矸石復(fù)墾

煤矸石充填造地首先必須防止水土流失。在需要造地的地方先將熟化表土轉(zhuǎn)移，然后墊鋪巖石及自然矸石至一定的厚度，展壓整平在將熟化土覆蓋。如此這樣分塊逐年擴展，可造就大面積平地和臺階地，同時改良土壤和造就優(yōu)質(zhì)的農(nóng)田。

對處于開發(fā)早期，尚未形成大面積沉陷區(qū)或未終止沉降形成塌陷穩(wěn)定區(qū)的礦區(qū)，可采用預(yù)排矸復(fù)墾。當煤矸石復(fù)墾土地用途為建筑用地時，應(yīng)采用分層回填，分層鎮(zhèn)壓方法充填矸石，以獲得較高的地基承載能力和穩(wěn)定性。

進行復(fù)墾后可針對當?shù)孛喉肥睦砘再|(zhì)和有毒有害物質(zhì)進行檢測，然后在針對具體情況進行綠化種植。先以草灌植物為主，然后再種喬木樹種，一般選擇抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄的樹種。對表層已風化成土的煤矸石復(fù)墾后，可以直接植樹造林或開墾為農(nóng)田。

3.6煤矸石的陶瓷和陶粒制品  

傳統(tǒng)的陶瓷制品是以石英、高嶺石、長石三種原料為主。煤矸石的主要主成部分SiO2、Al2O3、K2O+N2O的含量和傳統(tǒng)的陶瓷制品的含量差不多，達到了日用瓷原料的組成范圍。

煤矸石陶粒制品石是一種新型建筑材料具有一系列優(yōu)良的性能，由于質(zhì)輕、保溫、隔熱、強度高而廣泛用于高層超高層建筑及大跨度建筑工程。^{[ 8 ]}不僅可以減輕建筑物的自重30%~40%,而且具有良好的抗震性能。

根據(jù)煤矸石陶粒生產(chǎn)的主要燒結(jié)設(shè)備，其生產(chǎn)工藝主要有回轉(zhuǎn)窯的工藝、燒結(jié)機工藝和噴射爐工藝。主要工藝流程為：煤矸石及配料→破碎→磨碎→烘干→配料→成型→回轉(zhuǎn)窯焙燒→陶粒。

3.7煤矸石制輕質(zhì)集料

煤矸石輕質(zhì)集料可分為煅燒輕集料和自然輕集料。由于煤矸石得人化學成分和制煅燒輕集料的要求的含量非常相近，符合制輕集料的要求是良好的煅燒煤矸石輕集料原料。煅燒煤矸石輕集料是由碳質(zhì)泥巖和泥巖類煤矸石經(jīng)破碎、粉磨、成球、燒脹、篩分而成。^{[ 9 ]}自燃煤矸石輕集料是過火的煤矸石經(jīng)篩分而得到輕集料。具體的生產(chǎn)工藝按JCPT541 - 94標準的要求進行。

3.8煤矸石鑄造型砂

泥質(zhì)巖石類煤矸石中的高嶺石含量在40%以上時可以作為生產(chǎn)鑄造型砂的原料。煅燒是生產(chǎn)鑄造型砂的技術(shù)關(guān)鍵。煅燒窯爐通常采用立窯或倒焰窯。泥巖類煤矸石主要是通過人工手揀的方法從泥巖含量相對較多的洗煤矸石、煤巷矸石獲得。^{[ 9 ]}

4 煤矸石間接利用

4.1煤矸石發(fā)電

煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用中社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益相統(tǒng)一的最有效途徑，也是礦井發(fā)展利用煤矸石的重頭戲。根據(jù)當?shù)孛喉肥l(fā)熱值和經(jīng)濟發(fā)展情況，通常采用流化床鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐等較為先進的技術(shù)進行燃燒。使用煤矸石和劣質(zhì)煤進行發(fā)電，自發(fā)自用。降低了開發(fā)煤炭的成本，節(jié)約了能源和創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。煤矸石的發(fā)電減少了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境污染，還可以給選煤廠、礦井、生活區(qū)等地方供電。煤矸石發(fā)電后產(chǎn)生的灰、渣不會融化，具有一定活性，完全添加到水泥生產(chǎn)中去，做到了灰渣零排放和煤矸石的潔凈燃燒。^{[ 10 ]}

4.2煤矸石制備鋁鹽

煤矸石一般含有 16%～36%的氧化鋁, 是制備Al (OH) 3、Al 2O3 、AlCl 3等鋁鹽很好的資源。由于煤矸石中的氧化鋁活性差, 需將煤矸石進行活化處理。一般生產(chǎn)鋁鹽的主要工藝流程是：煤矸石經(jīng)粉碎 →焙燒→ 細碎→ 酸溶 → 沉降 →過濾工藝處理后。^{[ 11 ][ 12]}

在實際的制備鋁鹽的過程當中，需要根據(jù)制備相應(yīng)的鋁鹽增加或減少相應(yīng)的工序，然后在進行不同鋁鹽各自的制備流程。制備的氫氧化鋁可作為塑性合成樹脂，聚合物和合成橡膠等高分子材料的阻燃劑；可用作人造大理石、瑪瑙、牙膏生產(chǎn)的填料；可生產(chǎn)的明礬、水化氯化鋁凈水劑；還可以生產(chǎn)抗胃酸藥片等，其市場十分廣闊。

4.3煤矸石制取水玻璃

由于煤矸石的主要成分是 Al 2O3和 Si O2，如果將其將其按照煤矸石制備鋁鹽的主要工藝流程進行處理，那么濾液中的氧化鋁經(jīng)過濃縮、結(jié)晶、熱解、聚合、固化、干燥等過程，就可制成聚合氧化鋁。濾渣中的二氧化硅與氫氧化鈉反應(yīng)就可制成水玻璃[ 13]。

4.4煤矸石制氣

煤矸石可以制取煤氣或水煤氣，作為窯爐的熱源或者給企業(yè)單位使用。還可以制取高溫干餾煤氣，其副產(chǎn)品可作橡膠補強劑或油墨等行業(yè)的原料。

4.5煤矸石冶煉硅鋁合金

制取硅鋁鐵合金的兩個技術(shù)關(guān)鍵是Si O2 、Al 2O3、Fe2O3的侵取和結(jié)晶，以及結(jié)晶物的熱解。對于Fe2O3含量較高的煤矸石可以采用直流礦熱爐冶煉硅鋁鐵合金。[ 13 ]

4.6利用煤矸石制取造紙涂料[ 14 ]

以煤矸石為原料生產(chǎn)涂料級煅燒高嶺土 ,利用浸出除雜、 濕法超細磨、 煅燒除碳增白聯(lián)合方法處理煤矸石 ,可獲得合格的涂料級煅燒高嶺土產(chǎn)品 ,其產(chǎn)品性能符合國家銅版紙造紙涂料級標準。采用煤矸石制取造紙涂料具有煤矸石利用量大、 利用徹底的特點 ,為煤矸石的資源化利用開辟了一條新途徑。

4.7煤矸石制備活性炭復(fù)合材料

為了能夠充分利用煤矸石中的三種主要化學成分 (硅氧化物、鋁氧化物和碳 ) 并且可以制備出具有活性炭的復(fù)合材料。制備出的活性炭復(fù)合材料具有孔的結(jié)構(gòu)特征 , 具備沸石的親水和活性炭的親油吸附特征�？梢灾苽湮絼�、除臭劑和氣體分離、凈化與廢水處理行業(yè)。

4.8煤矸石制造墻體保溫材料

煤矸石中含有各種金屬氧化物及碳酸鈣和硫鐵礦等，它們在高溫下都分解溢出氣體是物料在塑性階段產(chǎn)生膨脹，形成孔隙結(jié)構(gòu)。煤矸石通過燒結(jié)機或回轉(zhuǎn)窯可以煅燒成輕質(zhì)骨料，輕質(zhì)骨料具有容重輕，強度高，吸水率小等特點，可代替砂石、配制輕混凝土，用作墻體、保溫吸濕效果好。[ 15 ]

4.9煤矸石制取生物肥料

以煤矸石和磷礦粉為原料基質(zhì)，外加添加劑等可以制成煤矸石微生物肥料。煤矸石微生物肥料依靠所含六種微生物的生命代謝活動來完成固氮、解磷、解鉀，是一種含內(nèi)芯、外層、衣膜的兩層一膜式三維結(jié)構(gòu)的顆粒肥料。它通過防止模擬方法有效地創(chuàng)造了一個類似豆科作物根瘤的微生物活動為環(huán)境，使其施入土壤后不會受到土壤中龐大微生物系的影響。[ 16 ]科學合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計建立起固氮、解磷、解鉀和煤矸石分解等各種微生物的共生機制，因采用多種獨特的方式提高微生物活性，保證了肥料中有效菌的生命代謝活動。

煤矸石微生物復(fù)合肥料克服了使用化肥導(dǎo)致的環(huán)境污染、肥效不長、農(nóng)作物品質(zhì)下降等特點，具有無毒、無害、無污染、優(yōu)質(zhì)、高效等優(yōu)點。

5 結(jié)束語

煤矸石的綜合利用要堅持“因地制宜，積極利用”的指導(dǎo)思想。提高我國煤矸石綜合利用技術(shù)水平，加強對各地煤矸石成分、結(jié)構(gòu)、特性等基礎(chǔ)研究，積極提高煤矸石綜合利用的效率和科技含量，以及煤矸石的經(jīng)濟附加值和有效成分的綜合利用率。減輕礦區(qū)的大氣污染和地下水的污染，還可以減少對土地的占用，又能回收有價值資源。

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