煤矸石提取氧化铝工艺设计

1、煤系固体废弃物（煤矸石）处理工艺设计煤系固体废弃物主要成分为煤矸石、粉煤灰和锅炉渣。煤矸石的来源于煤的开采、加工过程。粉煤灰和锅炉渣来源于煤的利用过程(火力发电)。本工艺设计主要针对煤矸石的资源化处理。一、煤矸石的来源煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排出的固体废物，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。它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。一般每采1t原煤排出矸石0.2t左右。煤矸石是指煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含碳岩石及岩石，是指煤矿建设生产过程中所排放出的固体废弃物的总称。煤矸石的

2、来源主要有以下三个方面 （1）岩石巷道掘进时产生的煤矸石，通常称为原矿石，占煤矸石的60%-70%。主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。 （2）采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里所产生的煤矸石，占煤矸石的10%-30%。煤层顶板常见的岩石包括泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩；煤层底板的岩石多为泥岩、页岩、黏土岩、粉砂岩；煤层夹肝的岩石有黏土岩、碳质泥岩、粉砂岩、砂岩等。 （3）煤炭分选或洗选过程中产生的煤矸石，又被称为洗矸石，约占煤矸石的5%。其中主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿等组成。二、煤矸石的特性2.1 煤矸石的组成煤矸石的组成有有机物（含碳物）和无机

3、物（岩石物质）组成的混合物。一般，煤矸石的热值：837418KJ/kg。煤矸石的化学组成，%主要矿物包括高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝等。2.2 煤矸石的外观特征和显微结构2.2.1 外观特征碳质页岩为黑色或黑灰色，层状结构，表面有油脂光泽，不完全理解，不规则块状，断面参差，易碎，滴入稀盐酸有小气泡缓慢放出。 泥质页岩为黄灰色或黑褐色，土状光泽，有松疏的黑色小粒，片状结构，不完全理解，质软性脆，不规则块状，易碎，滴入稀盐酸不起反应。 砂质页岩为深灰色或灰白色，腊状光泽，结构较泥质、碳质页岩粗糙坚硬，组成均一，沿层理有草叶状条痕，极不全完解理，滴入稀盐酸有气泡放出，还

4、有铁锈斑点。 2.2.2显微结构 碳质页岩以不透明黑色矿物为主，有少量石英和粘土矿，泥质页岩以石英为主，有一定量的不透明黑色矿物和少量云母；砂质页岩主要是石英和云母，还有一定量的不透明矿与碳酸盐矿物，石英颗粒较粗。碳质页岩和泥质页岩在出煤井时含有较多的碳质，往往还含有胶质有机物、树脂，孢子以及其他植物残体，随着含量的增加岩石颜色加深，经长期堆积，内部发热自燃，大部分已起一定煅烧作用，使表面形成一层很厚的硫酸铝或其他复盐。砂质岩出井煤时，块度较其他页岩大，难粉碎，不自燃，难风化。2.3 煤矸石的物理特性1、可塑性 煤矸石必须经细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。混合矸石经粉碎至250目筛筛余

5、2%时,其可塑指标可达2.83相应含水率为2325%,如果进一步细碎至300目筛筛余2%,则塑性会更大. 2、粘度 随矸石的颗粒的比表面增大,矸石泥团基本可以塑性成型时,泥浆粘度在1.1左右,可用于注浆成型. 3、真比重和硬度 煤矸石中的砂岩的真比重和硬度较页岩的大,所以,各地矸石硬度差异很大,含页岩多的矸石硬度在23,含砂岩多的矸石在45之间.混合矸石的真比重一般在2.6左右,其安息角在4050度间. 4、 收缩性 煤矸石塑性低,收缩也就较小,一般线收缩在2.53%.烧结后的线收缩在2.22.4%,相应吸水率在1719%. 5、烧结温度范围 煤矸石的烧结温度一般在1050 左右.900 左右

6、为一次膨胀,1120 至1160 时收缩最小,温度继续上升至1160 以上时产生二次膨胀,由固相转为固掖相或完全融熔 6、 脱碳温度 煤矸石的脱碳温度一般总是低于最佳烧结温度,最佳脱碳温度常发生在1000 上下,最低脱碳时间为200250分钟;在整个脱碳过程中,应保持氧化气氛. 7、 耐火度 煤矸石属于中低耐火材料,一般耐火度在13001350,这主要取决于化学组成,从相图角度看,若含 和 高则熔点高,若含碱金属和碱土金属高则熔点就低.三、煤矸石的危害煤矸石露天堆放，侵占大量土地；矸石堆易坍塌形成重力灾害；其淋滤液携带有害可溶物，可污染水环境、土壤环境；矸石堆扬尘或自燃又污染了大气环境。3.1

7、 矸石占地矸石堆多位于井口附近，紧邻居民区，侵占大量耕地、林地、居民地和工矿用地，破坏地质地貌景观。3.2 矸石堆引发重力灾害矸石堆自然安息角为3840，在人为开挖和降雨淋滤作用下，易失稳引发重力灾害，如渣石流、坍塌等。3.3 矸石堆淋滤液污染水环境破坏土壤的有机养分煤矸石对土壤的污染除了占用土地以外，还表现为使土地盐渍化以及破坏土壤的有机养分，影响农作物的生长。煤矸石在风化过程中可分解成部分可溶盐，如Co、SO2、Mg+、Ca+、K+或Na+等，当这些可溶盐浸入土壤，将导致土壤盐渍化。另外，煤矸石中含有有害重金属，经过雨淋之后会渗入土壤，增加了土壤中重金属的含量，从而破坏土壤中的有机养分。四

8、、煤矸石的主要处理途径根据我国各地煤矸石组成的特点，我国煤矸石主要用于发电、肥料、建筑材料、化工原料等。4.1 发电煤矸石中含有部分碳和其他可燃物，可以被用作燃料使用。但是由于一般煤矸石中可燃物的含量比较低，发热量大约在1000- 3000kcal/kg 之间。其作为一种低热值燃料，利用其发电时一般采用循环流化床锅炉燃烧技术。该锅炉在燃烧时，由炉底鼓风机向炉膛进风使破碎成颗粒的煤粒呈悬浮状态，形成流化床。煤可在炉内与空气充分混合，强化了燃烧和传热。一般来说，热值大于4200kJ/kg 的煤矸石通过洗选后可作为燃料直接利用， 热值高于6270kJ/kg 的煤矸石可而直接作为燃料燃烧供电。4.2

9、化工原料煤矸石中所含的化合物种类较多，以SiO2 和Al2O3 的含量最高。其主要化工利用途径是通过各种方法，提取其中化学元素，生产硅铝材料。含铝较高的煤矸石，化工产品主要有硫酸铝、结晶氯化铝、聚合氯化铝、4A 沸石等。4.3 建筑材料我国利用煤矸石来制造建筑材料普遍。用其制成的建材强度高、质量轻、吸水率小、稳定性好。因为其本身含可燃物，用来代替粘土制砖，减小了能源消耗。从建筑材料的发展趋势来看，煤矸石制造空心砖前景更为广阔。4.4 肥料矸石含有10%- 20%的有机质和多种植物生长所需的B、Zn、Cu、Mn、Mo 等微量元素。部分煤矸石中的氮、磷、钾和微量元素含量是普通土壤的数倍，可生产有微

10、生物和机肥肥料。煤矸石有机肥一般采用化学活化法制成，将有机质含量较高的矸石磨成粉末后与过磷酸钙按照一定的比例混合，加入活化添加剂，搅拌，加入适量水，堆肥活化。还可以在其中加入氨，钾和微量元素等制成复合肥料。煤矸石肥料可增加土壤的透气性、疏松性、改善土壤的团粒结构，提高土壤肥力。4.5 利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦煤矸石可以被用作充填采煤沉陷区，填筑沉陷的公路、铁路路基、堤坝等，而向沉陷区直接排矸与向矸石山排矸相比，并不增加费用，在经济上是可行的。用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可以在其上覆土还田，直接种植农作物。这样可以同时解决矿区塌陷地和煤矸石造成的生态问题。这些大批量处理矸石

11、的方法，是解决矸石污染的有效途径之一。这种方法在平原矿区，如河北、河南、两淮等地已有20 多年的应用历史。如：开滦煤矿从1989 年起即用煤矸石填坑造地，并进行复土和种植试验，3 年共复土35 万m3 以上， 造地28.7hm2；阳泉矿与郊区富山村合作进行填矸造地6.67hm2，价值达500 万元，利用煤矸石达60 万吨，现已进行耕种绿色植物试验，并被列为山西省的示范项目。4.6 比较常见的资源化流程图 4.6.1 煤矸石制固体聚合氯化铝 4.6.2 煤矸石制聚硅酸铝混凝剂五、煤矸石资源化处理工艺设计5.1 工艺设计流程图由于煤矸石中有大量的氧化铝，因此，现行的常规处理煤矸石的工艺过程中，通常

12、是先将其中的氧化铝提炼出来，再将提取后的废渣根据各组分的不同含量来决定作建筑材料、农用肥料。因此针对课题要求：每天2t；无二次污染，我选择以下的工艺流程作为煤矸石资源化处理工艺设计： 中和搅拌槽中的反应方程式：5.2 工艺设计中细节5.2.1 滤液中和由于煤矸石中含有少量的氧化铁，在提取氧化铝过程中会对氧化铝的纯度以及产量照成影响，因为三价铁在PH为2时开始水解，所以在流程中滤液中和这一步可以除去大部分的三价铁。5.2.2 残渣的利用第三步中过滤出的残渣可以用作建筑材料的制作。六、工艺过程步骤详解6.1 破碎6.1.1 破碎目的破碎是预处理，是为了后面的处理更加有效率已经反应更完全。1.使矿石

13、中有用成分解离，从地壳中开釆出来的矿物原料，或因有用成分含量过低，或因几种有用成分与杂质共生，或因粒度不合要求,通常不能直接使用。只有用煤矸石粉碎机将其充分粉碎，使有用成分与杂质充分解离，才能经选矿等一系列的加工处理，剔除杂质，提高有用成分品位。 2.使物料的比表面增大，比表面是单位质量或体积的物料的表面积。显然，物料的粒度越小、比表面越大，即比表面与粒度成反比。增大比表面的目的有二：一是使物料与周围介质的接触面积增大，因而反应速度增加，这有利于提高如催化剂的接触反应、固体燃料的燃烧与气化、物料的溶解、吸附与干燥以及化工上利用粉末颗粒流化床的大接触面积来强化传质与传热等的效率；二是提高物料的性

14、能，如在水泥工业中提高水泥标号，因为水泥熟料同石膏一起用煤矸石粉碎机磨成粉末状态的最终产品，粒度愈细，比表面愈大，水泥的标号就愈高。6.1.2 破碎设备根据煤矸石的特性，我觉得应该用两种破碎机联合破碎。由于煤矸石的尺寸不一，大小差距较大，因此第一步用颚式破碎机进行初步破碎，为得到比较细的反应的物料，第二部使用球磨机进行磨粉加工，提高物料的反应速率。颚式破碎机工作原理：电动机驱动皮带和皮带轮，通过偏心轴使动颚上下运动，当动颚上升时肘板与动颚间夹角变大，从而推动动颚板向固定颚板接近，与其同时物料被压碎或劈碎，达到破碎的目的；当动颚下行时，肘板与动颚夹角变小，动颚板在拉杆，弹簧的作用下，离开固定颚板

15、，此时已破碎物料从破碎腔下口排出。随着电动机连续转动而破碎机动颚作周期运动压碎和排泄物料，实现批量生产。性能特点：颚式破碎机破碎比大，产品粒度均匀，结构简单，工作可靠，维修简便，运营费用低。选用型号：PE-150x250图片展示：球磨机工作原理：该机为卧式筒形旋转装置，外沿齿轮转动，单仓或多仓、格子形球磨机。物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内设有阶梯形衬板或波纹形衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内装钢球，将物料进一步研磨。粉状物通过卸料箅板排出，

16、完成粉磨作业。性能特点：投资少，较同类产品节能省电，结构新颖、操作简便、使用安全、性能稳定可靠等特点，适合于普通和特殊材料的混合及研磨作业。选用型号9001800图片展示：6.1.3 破碎的概算颚式破碎机 2.5万元，因为处理量是2t/d，一个足以。球磨机 20万元，因为处理量是2t/d，一个足以。6.2 酸解反应池 6.2.1 溶解池设计注意事项1.溶解池数量一般不少于两个，以便交替使用，容积为溶液池的20%30%。本设计采用两个溶解池。2.溶解池设有搅拌装置，目的是加速药剂溶解速度及保持均匀的浓度。搅拌可采用水力、机械或压缩空气等方式，具体由用量大小及药剂性质决定，一般用药量大时用机械搅拌

17、，用药量小时用水力搅拌。由于处理量较小，因此采用机械搅拌。3.为便于投置药剂，溶解池一般为地下式，通常设置在加药阀的底层，池顶高出地面0.2m。投药量少采用水力淋溶时，池顶宜高出地面1m左右，以减轻劳动强度，改善操作条件。4. 溶解池的底坡不小于0.02，池底应有直径不小于100mm的排渣管，池壁必须设超高，防止搅拌溶液时溢出。5.溶解池一般采用钢筋混凝土池体，若其容量较小，可用耐酸陶土缸做溶解池。当投药量较小时，也可在溶液池上部设置淋溶斗以代替溶解池。本设计师采用硫酸溶解的，因此需要耐腐蚀，并且由于日处理量不大，所以溶解池池壁采用耐酸砖堆砌。6.凡与混凝剂溶液接触的池壁、设备、管道等，应根据

18、药剂的腐蚀性采取相应的防腐措施或采用防腐材料，使用三氯化铁时尤需注意。本设计不考虑这点。6.2.2 概算由于设计采用溶解过滤一体，概算计算到过滤中。6.3 过滤6.3.1 过滤方法及材料我认为，将溶解池与过滤池相结合，联合利用，在溶解池的底部设置滤网，并且在底部安置阀门，以控制溶解与过滤过程，实施先溶解后过滤。工业过滤网特性：1、绝对没有材料脱落现象。2、耐高温，可以在-270400C的温度下长期安全工作。无论是高温还是低温不锈钢材料都不会析出有害物质，材料性能稳定。 3、抗腐蚀性高，不易损坏。4、特别容易清洗使用寿命长。工业过滤网规格过滤精度(m)2200。 外形尺寸、 过滤精度、过滤面积、

19、承受压力可按客户要求施工。 设计中用3层滤网，第一层为光滑面的滤网，便于清洁，后面再垫两层网格滤网以达到较高的过滤水平。6.3.2 概算溶解池带有过滤功能，并且需要耐腐蚀，因此建造费用较高，大概在20万左右，并且还要员工经常清洗滤渣。因此整个溶解池的建造预算在30万。6.4 中和反应池6.4.1 设备采用耐酸陶土缸做为中和反应的场所，并且用离心泵运输至中和搅拌槽。6.4.2 概算10万元6.5 中和搅拌槽6.5.1 结构设计运用管道式，在管路中间加入加料口，使溶液与加入物料充分接触并且反应。要求：控制流速，使无聊充分反应。 设计成S形管路，长度大约在50m。6.5.2 概算是用混凝土制造，并且

20、有加料管，工程资金大概在40万。6.6 盐析6.6.1 概念向蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质的溶解度降低而从溶液中析出的现象称为盐析。盐析常用的中性盐：硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等，其中以硫酸铵最为常用。原理：破坏了蛋白质在水中稳定存在的二个因素，从而使蛋白质发生沉淀。1、破坏了水化层：在高浓度的中性盐溶液中，由于盐离子亲水性比蛋白质强，与蛋白质胶粒争夺与水结合，破坏了蛋白质的水化层。2、破坏了电荷：由于盐是强电解质，解离作用强，盐的解离可抑制蛋白质弱电解质的解离，使蛋白质带电荷减少。盐析的优点与注意事项 优点：不会引起蛋白质变性，经透析去盐后，能得到保持生物活性

21、的纯化蛋白质。注意事项：盐析的成败决定于溶液的pH值与离子强度，溶液pH值越接近蛋白的等电点，蛋白质越溶液沉淀。6.6.1 结构参照溶解池的设计要求：为了提高产量，采用孔距较细的过滤网。 在这个池的顶部，安装淋喷头，用以洗涤。6.6.2 概算盐析池的总体设计在30万6.7 活化炉6.7.1 反应在140-150下分解。6.7.2 概算：30万。七、项目可行性报告7.1 项目概况1、项目名称：利用煤矸石提取氧化铝2、建设性质：新建3、建设单位：煤矸石资源化厂4、建设地点：宁夏北部老煤炭工业区5、建设年限：2012年10月2013年10月6、建设内容及规模：每天处理2t煤矸石；建筑面积20亩。7、

22、投资估算：500万。8、效益分析：项目建成后，预计每年处理1000t煤矸石。7.2 项目背景7.2.1 项目提要：本项目旨在通过产学研的协作攻关，以宁夏北部老煤炭工业区煤矸石资源深度利用关键配套技术集成创新与示范和区域工业可持续发展紧密结合为目标，以煤矸石资源深度可持续利用、保护生态和创新产业链为指导思想，通过扩试或中试主攻煤矸石资源深度开发与利用关键配套技术（循环经济模式设计）、组装集成出煤矸石中矿物元素产业化开发与利用配套技术，从而为宁夏乃至中国类似地区资源合理利用集成创新出关键配套技术与示范样板。7.2.2 国内外现状和技术发展趋势1.氧化铝生产方法简介氧化铝总产量90%以上用于电解生产

23、铝，此外还供硅酸盐、耐火材料、机械、无线电、冶金工业、制药等行业使用，在国民经济中有着极大的作用。自然界中含铝矿物有250多种，作为生产氧化铝的原料主要是铝土矿，其中氧化铝含量占50%-70%,其次是二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛，此外还含有镓、钒等杂质。用铝土矿或其它含铝原料生产氧化铝，实质上就是使矿石中的氧化铝与其它杂质分离的过程。生产氧化铝的方法有碱法、酸法、电热法。 碱法生产氧化铝碱法的基本原理是使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液而与二氧化硅和氧化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，氢氧化铝经高温锻烧制得成品氧化铝。碱法生产氧化铝又可分为拜尔法、烧

24、结法、联合法。拜尔法是直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使矿石中氧化铝生成铝酸钠，而矿石中的二氧化硅则成为不溶性残渣赤泥，与铝酸钠溶液分离，将净化后的铝酸钠溶液进行搅拌分解，再经过滤分离得到氢氧化铝，经洗涤后焙烧成氧化铝，分离所得的大量苛性碱溶液称为母液，母液经蒸发再用于处理下一批矿石。烧结法是将矿石、碱粉、石灰石混合配料，先进行高温烧结，使矿石中氧化铝生成固体铝酸钠，三氧化二铁生成可以水解的铁酸钠，而二氧化硅与氧化钙生成不溶性的原硅酸钙，再用稀碱液溶出烧结块熟料，使铝酸钠进入溶液与赤泥分离。 含有部分二氧化硅的溶液经脱硅后得到铝酸钠溶液精制液CO2通入二氧化碳气体使之分解得到氢氧化铝及母液。母液经

25、蒸发后补充适当的碱粉与下批矿石及石灰配料烧结。洗涤后的氢氧化铝经焙烧得到氧化铝。 一般来说，拜尔法具有流程简单，投资较少，产品质量高，生产成本较低的优点。但处理低品位矿石时其优越性较差，而且还要消耗价格昂贵的苛性碱。烧结法的优点是可以处理品位较低矿石，而且只消耗价格便宜的碳酸钠，与拜尔法相比，在同样的条件下 1处理低品位矿时/，烧结法的碱耗较低，氧化铝总回收率较高，但流程复杂，投资较大，产品氧化铝质量较差，成本较高。因此含硅很低的优质铝土矿就采用拜尔法，含硅高，铝硅比较低的铝矿石，一般采用烧结法。 为了充分利用矿产资源，综合两种方法的优点，以提高氧化铝总回收率，提高产品质量，降低生产成本，将两

26、种方法联合起来使用，这样就产生并联法是用拜尔法处理高品位矿，烧结法处理低品位矿；串联法中烧结法只处理拜尔法赤泥；将拜尔法赤泥同时配一些低品位矿石可改善大窑的操作，这种将串联和并联结合起来的方法叫做混联法。酸法生产氧化铝酸法是用适当的无机酸处理矿石，生产相应的铝盐，矿石中的氧化硅不与酸作用而残留于渣中；将铝盐进一步净化除铁后，使之分解得到氧化铝。用酸法生产氧化铝在理论上是合理的，对高品位的铝土矿而言，该法不具有拜耳法的优势，但是对低品位的含铝矿而言，该法依然具备一定的优势。长期以来该法由于酸的回收以及设备问题，未引起人们的高度重视。只有小规模的工业化应用。电热法生产氧化铝电热法用来处理高铁铝矿，

27、将矿与炭还原剂配成炉料在电弧炉内高温2000,下进行还原熔炼。矿石中的氧化硅和氧化铁被还原成硅铁合金，而氧化铝则呈熔融状态的铝酸钙渣上浮，由于比重不同而分层。所得氧化铝渣再用碱法处理，从中提取氧化铝，所得硅铁合金为成品。目前电热法生产氧化铝还处于研究阶段。到目前为止，已经提出了多种从铝矿石或其它含铝原料中提炼氧化铝的方法，但由于技术上和经济上的种种原因，有的已被淘汰，有的属于试验阶段，工业上几乎全部采用碱法生产。2、国内氧化铝供需现状据国家统计局的数据,2004年1-6月份,我国氧化铝产量为341.8万吨,比2003年同期增加了16.86%, 进口氧化铝285万吨,比2003年同期增加了29万

28、吨,同比增长11.1%.包括非冶金级氧化铝在内,目前我国有19家企业可生产氧化铝,其中中铝公司2004年上半年产量为331.3万吨.2004年,国内冶金级氧化铝的需求量约为1240万吨,中铝公司氧化铝产量上升了7.4%,达到650万吨.由此可见,国内需进口氧化铝约为590万吨,预计2005年中铝公司氧化铝产量可提高23%,达到800万吨,以弥补氧化铝缺口.3、我国氧化铝工业现状世界铝土矿总储量为320亿,在国外,90%以上的铝土矿为三水铝石型。其氧化铝生产工艺以较经济的低温拜耳法为主,仅少数厂家采用其它方法生产氧化铝。我国铝土矿储量约为23亿,主要分布在山西、河南、贵州、广西四省,占全国保有储量的91.1%,但我国铝土矿的矿石类型98.