煤矸石的综合利用.doc

略窥煤矿废弃物煤矸石的综合利用摘要：煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣。煤矿经过多年开采，废弃的煤矸石堆积如山。煤矸石的堆积不但占用大量土地，而且带来一系列环境问题：煤矸石山溢流水使地下水呈现高矿度化、高硬度，导致土壤盐碱化，使农作物减产甚至绝收；煤矸石长时间露地堆积后，往往会发生自然现象，并排放出大量有毒的二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、一氧化碳和二氧化碳等气体，污染周边环境，破坏生态平衡。因此，解决煤矸石的处理和利用问题，已是一个亟待解决的重要社会问题。关键词：煤矸石 综合利用正文：煤炭（coal）是十八世纪工业革命以来人类世界使用的主要能源之一，在我国一次能源生产和消费结构中，煤炭比重更是多达70%左右，在未来相当长的时间内，以煤炭作为主要能源战略的地位不会改变。但在开采和利用煤炭方面产生废物是避不可免的，只有综合利用这些废物，变废为宝，才是最有效途径。煤矸石（coal gangue）是煤炭伴生的废石，是一种矿业固体废物的一种。目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的10%25%，已成为我国累计堆积量和占用场地最多的工业废物。全国堆存的煤矸石数量已达40多亿吨，且仍在逐年增长。据统计，到2004年底，全国已有矸石山1500座，占地22万公顷。煤矸石的综合利用已成为一个重要课题。1.煤矸石的基本特性（basic characterstics of coal ganaue） 1.1煤矸石的概念（coal gangue concept） 煤矸石（coal gangue）是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤矸石属劣质燃料，其发热量低（4.212.6MJ/kg），碳含量低（20%30%），硬度大，矿物含量高，有机质含量低。1.2煤矸石的化学组成(chemical composition) 化学成分是评价煤矸石性质，决定利用途径的重要指标，煤矸石的化学成分随地层岩石的种类和矿物组成不同而变化。煤矸石的主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。其具体化学含量见表1煤矸石的化学成分含量成分SiO2Al2O3 Fe2O3CaOMgOTiO2P2O5K2O+Na2OV2O5含量/%506016362.2814.630.422.320.442.410.9040.0040.241.453.90.0080.03表11.3煤矸石的岩相组成（lithofacies composition） 随煤层所在地层不同，煤矸石中所含主要岩石有黏土岩，砂岩类，碳酸盐类，铝质岩类。黏土岩类主要组成为黏土矿物，其次为石英、长石、云母、岩屑等碎屑矿物，其次为黄铁矿、碳酸盐等自生矿物。此外，往往含有丰富的植物化石，有机质，碳质。1.4煤矸石的主要来源（main source）1.4.1井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的岩石，主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩。1.4.2煤层开采和煤层巷道掘进过程中，由于煤层中的夹矸或割下部分煤层的顶板忽然底板组成。1.4.3煤炭分选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿结核等组成。2煤矸石对环境影响（environmental effect）2.1影响土地资源的利用 煤矸石的大量堆放一方面占用大量土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围土地变得贫瘠不被利用。2.2空气污染 长期堆放的煤矸石由于空气氧化而很容易自燃而排放出大量SO2,H2S,CO,氮氧化物和CO2等气体，由于风化作用表面风化成粉尘，在风的作用下这些粉尘悬浮，造成大气污染。2.3水和土壤污染 煤矸石受到降雨的喷淋或长期处于浸渍状态，会使其中有害成分，尤其是一些有毒重金属如铅、镉、汞、砷、铬等溶解进入水体或渗入土壤，严重影响水体环境和土壤环境，且通过食物链危害人体健康。2.4滑坡与泥石流 煤矸石山堆积过高，坡度过大，就容易形成滑坡。当降雨等作用使煤矸石山的含水量达到饱和状态，就有可能形成泥石流，造成附近土地被淹。国外曾发生一起煤矸石堆滑坡事故，以致埋没了山谷下的一所小学校，造成多人伤亡事故。3煤矸石的综合利用（comprehensive utilization） 3.1主要依据 3.1.1碳含量 碳含量是选择煤矸石工业利用的重要依据之一。一般按碳含量的多少分为四类：一类是少于4%；二类是4%6%；三类6%20%；四类煤矸石发热量高，一般先用作燃料，燃烧后的灰渣再做其他用途。 3.1.2全硫含量 全硫含量作用有两个：（1）决定其中硫是否具有回收利用价值，一般全硫含量达5%的煤矸石可回收利用。（2）决定煤矸石的工业利用范围。 3.1.3铝硅比 煤矸石中的铝硅比也是确定其综合利用的主要因素，铝硅比大于0.5的煤矸石，铝含量高，硅含量低，其中矿物成分以高岭石为主，可塑性较好，可用作制造高级陶瓷和分子筛的原料，铝硅比大于0.3的煤矸石，矿物成分主要是石英、长石、菱铁矿等，可塑性差。 3.2综合利用途径 目前煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，此外还可用于回收硫铁矿；煤与矸石混烧发电；制取结晶氯化铝、水玻璃等化工产品以及提取贵重稀有金属；土地复垦，矿井回填，也可作肥料。 3.2.1用煤矸石发电 一般利用热值大于3768.12J/kg的中碳至高碳煤矸石作燃料，通过沸炉带动背压式汽发电机发电。我国已有一批煤矸石电站在运转之中。如我国自行设计施工的第一座大型煤炭矿井山东省协庄煤矿便是一例。该矿于1993年开始兴建一座设计能力为24MW的煤矸石热电厂，装机容量为12MW的一期工程1995年底竣工投产。截止1998年，已发电1.2亿，消耗煤矸石1.13hm2。不仅有效降低了环境污染，而且取得了显著的经济效益。这些煤矸石燃烧后的还具有较高的活性，是生产建材的良好原料。 3.2.2用煤矸石制砖 我国大量的建筑及设施砖结构，砖的消耗量惊人，据统计，每天砖作为墙体材料约需要1000亿块，如果这些砖全用黏土烧结，将毁掉良田67100公顷，消耗近5000万t标准煤，破坏了环境，浪费了能源。因此开发利用煤矸石代替黏土砖，可变废为宝，且节地节能，具有良好的环境效益和社会效益，符合可持续发展要求。 （1）制烧结砖 利用煤矸石全部或部分代替粘土，采用适当的烧结工艺生产烧结砖，这是一条大批量利用煤矸石的主要途径。生产烧结砖对煤矸石的化学组成要求是SiO2为55%70%，Al2O3为15%25%，Fe2O3为2%8%，CaO2%,MgO3%。 （2）制免烧砖 免烧砖是有机械压制成型且不用烧结的一种新型建筑材料，它的主要原料是劣质黏土、煤矸石或建筑垃圾等材料，在这些原料中加入少量水泥、石灰、化学添加剂作为黏结剂和胶固剂。免烧砖具有以下优点：免烧砖由于是高压成型，其密度大，强度高，耐久性好，吸水性小，吸水率小于20%，而浸水后不弱化，强度降低小；免烧砖模压成型，外观漂亮，棱角整齐，成品率高，可加快墙体砌筑速度，提高工程质量。节省原材料和劳动力。降低了施工费用；利用免烧砖砌筑的墙体保温和隔音效果好。 3.2.3用煤矸石制水泥 煤矸石中SiO2,Al2O3及Fe2O3的总含量一般在80%以上，它是一种天然黏土原料，可代替黏土配料烧制硅酸盐熟料，生产普通硅酸盐水泥，煤矸石快硬硅酸盐水泥和煤矸石无熟料水泥。 3.2.4用煤矸石生产轻骨料 轻骨料和用轻骨料配制的混凝土是一种轻质、保温性能好的新型建筑材料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑。用煤矸石烧制轻骨料有两种方法，即成球法和非成球法：成球法是将煤矸石破碎、粉磨后制成球状颗粒，入窖焙烧；非成球法是将煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。煤矸石轻骨料的质量主要取决于煤矸石的性质和成分。适宜烧制轻骨料的煤矸石主要是碳质页岩和选煤厂排出的洗矸，矸石中含碳量不要过大，以低于13%为宜。 3.2.5从煤矸石中提取化工产品 （1）从高硫煤矸石中回收硫铁矿 我国与煤伴生、共生的硫铁矿资源十分丰富，分布较广，储量约数十亿吨，煤中的硫铁矿经分选后绝大部分富集在煤矸石中。硫铁矿是化工和化肥工业的重要原料，它的主要用途是制造硫酸和提炼硫黄。而我国的硫产量不能满足国内生产的需要，经营进口硫黄以补充生产不足，因而在加工煤炭的同时回收硫铁矿无疑具有十分重要的意义。另外，脱硫的矸石减轻了对环境的污染，也便于进一步加工利用。 （2）制取硫酸铝 含铝量高、含铁量低的煤矸石经焙烧或在沸腾炉中燃烧，可使没有化学活性的高岭土（Al2O32SiO22H2O）转变成具有相当化学活性的煅烧高岭土（Al2O32SiO2），其中Al2O3易于酸起反应，用硫酸浸取可得硫酸铝，经过滤、提纯、蒸发结晶和脱水烘干后得到成品十八水硫酸铝，产品质量符合中华人民共和国化工行业一级品标准（HG/T-92）。 （3）制取水玻璃 据研究，可利用煤矸石在同一工艺过程中制取碱式氯化铝和水玻璃。将煤矸石破碎、熔烧、酸溶、过滤，滤液中的氯化铝用碱调整盐碱度就可得到合格的液态碱式氯化铝。滤渣中的SiO2与加入的NaOH在120150在反应釜中反应23h，然后在储池中沉淀，滤去不溶物，滤液浓缩后便得到水玻璃。过程中产生的残渣含有大量活性物质，可用作建筑材料。 （4）制备沸石分子筛 沸石是一族具有框架结构的含水铝硅酸盐矿物类的总称。它具有三维聚阴离子结构，这一结构由SiO4和AlO4四面体通过氧原子链构成。以煤矸石中的煤系高岭石为原料，采用低温水热合成法可生产A型沸石，通过调整铝硅比可进一步合成X型沸石，Y型沸石。 3.2.6用煤矸石生产肥料 我国利用煤矸石生产复合肥料已取得突破性进展。如重庆煤炭研究所利用煤矸石制取氨水，硫酸铵等肥料。用煤矸石制取硫酸铵的原理是煤矸石内部的硫化铁在高温下形成二氧化硫，在氧化而成三氧化硫，三氧化硫遇水而形成硫酸，并与氨的化合物生成硫酸铵，经过试验这种硫酸铵肥效较好。 煤矸石中不仅含有有机质，而且还含有多种植物生长所必需的微量元素。据检测，煤矸石中氮、磷、钾和微量元素的含量是土壤的数倍，酸碱度和有害元素的含量很适中，使用煤矸石作原料生产有机肥，一般都需要破碎筛分以降低煤矸石的粒度，另外还根据需要加入不同配比的添加剂和活性剂。北京市勘察院与中国地质大学合作利用煤矸石生产高浓度有机复合肥，具有速效和长效的特点。 3.2.7用煤矸石进行复垦、工程回筑和矿井回填 由于煤矸石中含有大量SiO2和Al2O3等，若再加上少量石灰或水泥，调制成灰浆-注浆材料，可提高充填体的强度，同时矸石的粗细颗粒混杂，制作的充填体密实性也好。特别是使用煤矸石作井下护巷充填材料，既部分代替了护巷材料，又减少排矸量，同时又减少了作填充作用沙子量和对耕地的保护。 对逐渐分化的煤矸石，可进行复垦绿化，对表面已风化成土的煤矸石，可直接种树或开垦为农田。还可以利用煤矸石充填沟谷、塌陷区等低洼的建筑工程用地或用于填筑铁路、公路路基等。 截止2002年底，全国煤矿综合利用煤矸石约4200万吨。其中，煤矸石发电2800万吨，煤矸石水泥300万吨，煤矸石制砖1000万吨，其他耗用100万吨，另外，用于井下充填，复垦造田，筑路等处理煤矸石5600万吨。总利用和无害化处理煤矸石约9800万吨，占当年煤矸石排放量的50%。“十一五”期间中国煤炭工业将大力发展循环经济，按照减量化，再利用、再循环的原则，重点治理和利用煤矸石、粉煤灰等煤炭工业废物。2010年，煤矸石综合利用量要达到3.9亿吨以上。利用率达到70%以上。 总之，煤矸石的综合利用具有良好经济效益和社会效益，可使矿区的经济发展、环境保护和社会协调发展。这正是科学发展观的集中体现，是可持续发展的基本要求。ON COAL MINE WASTECOMPREHENSIVE UTILIZATION OF GANGUEAbstract: Coal gangue is generated by the production process residues. After many years of coal mining, abandoned coal refuse piles. Gangue accumulation not only use up a lot of land, and bring about a series of environmental problems: coal gangue hill run-off water so that groundwater has a high degree of ore, high hardness, leading to soil salinization, so that even total destruction of crop production; Gangue a long time in open field After the accumulation is often a natural phenomenon