煤矸石(煤伴生廢石)

煤矸石是採煤和洗煤過程中排放的固體廢物,是一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色岩石。它在成煤過程中與煤層伴生,包括巷道掘進過程中的掘進矸石、採掘過程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過程中挑出的洗矸石。

煤矸石的主要成分是Al2O3、SiO2,同時還含有Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(鎵、釩、鈦、鈷)。煤矸石是一種重要的資源,因此得到了企業界的廣泛關注。它可用於生產水泥、建築材料、磚塊等。此外,煤矸石的排放會對環境造成嚴重的污染,因此,如何處理也成了一項重要的環保任務。

簡介

煤矸石是我國積存量和年產生量最大、分佈最廣的工業廢渣之一,據《中國資源綜合利用年度報告(2014)》中數據顯示,2013年我國煤矸石總產生量接近7.5億噸,綜合利用量為4.8億噸,占年總產量的64%,其中發電利用煤矸石1.5億噸,佔總綜合利用量的32%;用於建材產品生產利用量為5600萬噸,佔總綜合利用量的12%;用於土地復墾、充填礦井採空區和回填塌陷區等的煤矸石量約2.6億噸,佔總綜合利用量的56%。

為有效並高效地實現煤矸石綜合利用,目前已開發的技術先進適應性良好、環境—經濟效益較好的途徑有:煤矸石的能源利用、發電利用和建材利用等。然而由於煤矸石的成分特徵、堆存方式和堆積地形等因素,長期大量露天堆放的煤矸石山不僅侵佔農業耕地和破壞地表原有植被,矸石淋溶水還將污染礦區周圍土壤和地下水,而且煤矸石中FeS等物質由於被空氣氧化,熱量不斷積累並達到燃點時導致煤矸石中易燃、可燃物自燃,期間釋放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害氣體極大提高了礦區周邊的生態風險和人體健康風險,故實現煤矸石的高效綜合利用成為相關研究工作者的研究方向。

煤矸石的特性

煤矸石的組成

煤矸石是在煤炭採掘和洗選加工過程中產生的礦山固體廢棄物,是夾在煤層中、在成煤過程中與煤共同沉積的有機、無機化合物共同組成的含碳岩石,其主要來源為露天剝離及巷道掘進過程產生的矸石(45%)、採煤和煤巷掘進過程中排出的普矸(35%)以及煤炭洗選過程產生的矸石(20%)。同時煤矸石是有機質和無機化合物組成的混合物,其化學組成主要為SiO2、C和Al2O3,除此之外還包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等,煤矸石的化學成分見表1。煤矸石礦物組成較為複雜,主要由高嶺土、石英、伊利石、蒙脫石、石灰石、氧化鋁等組成。

煤矸石的結構特點

煤矸石的原礦粒度較大,其中黃鐵礦主要以結核體、塊狀、粒狀等宏觀形態為主,礦物之間呈細粒浸染狀,洗矸中的黃鐵礦以塊狀、脈狀、結核狀及星散狀四種形態存在,而硅質煤矸石的宏觀形態呈黑色隱晶質結構,礦物構造為紋層狀和塊狀。

煤矸石物理性質

煤矸石的發熱量是指單位質量的煤矸石在一定條件下完全燃燒所能釋放出的能量,通常其發熱量隨碳質量分數和揮發分的增加而增加,隨灰分的增加而減小。

我國煤矸石的發熱量多在6300kJ/kg以下,熱值高於6300kJ/kg的煤矸石僅佔10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定條件下加熱,隨著溫度升高產生軟化、熔化的現象。我國煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高,因此煤矸石的灰熔點(在規定條件下測得的引起煤矸石變形、軟化和流動的溫度)相當高,最低為1050℃,最高可達1800℃左右,鑒於此特性,煤矸石可用作耐火材料。另外,煤矸石還有一定的膨脹性、可塑性、收縮性,具有一定的硬度和強度。

煤矸石的有害雜質

煤矸石中複雜的化學組分經不同的處理工藝和釋放機制導致煤矸石中的有害雜質對周邊土壤、水環境或生態環境產生不利影響。張明亮等通過分析煤矸石樣品中重金屬的釋放、遷移活性,並利用潛在風險評估法分析矸石山周邊潛在的生態風險,研究發現煤矸石樣品中重金屬的主要形態為殘渣態,且不易發生遷移轉化,但是少量的酸溶態、結合態重金屬在受到降雨噴淋或長期處於潮濕狀態後由於遷移轉化加快從而容易造成重金屬污染。徐州市環境監測中心站以煤礦區及煤矸石的污染特徵為依據,選取16種EPA優先控制多環芳烴(PAHs)污染物,採用高效液相色譜法對不同堆積年限的礦區煤矸石山周圍塌陷區的水體樣品進行測試,分別分析此類水體中單個PAHs和總PAHs的分佈情況及水體中PAHs不同環數的組成情況,試驗結果顯示由於PAHs的疏水性導致周邊水體中覲AHs含量不高,而在部分水樣中測出苯並(?)芘可知監測礦區附近水體受到PAHs一定程度的污染。

原理

coal gangue, shale矸石(gān shí)煤伴生廢石。在掘進、開採和洗煤過程中排出的固體廢物。是碳質、泥質和砂質頁岩的混合物,具有低發熱值。含碳20%~30%有些含腐殖酸。中國曆年已積存煤矸石約1000萬噸,並且每年仍繼續排放約100萬噸,不僅堆積佔地,而且還能自燃污染空氣或引起火災。煤矸石主要被用於生產矸石水泥、混凝土的輕質骨料、耐火磚等建築材料,此外還可用於回收煤炭,煤與矸石混燒發電,製取結晶氯化鋁、水玻璃等化工產品以及提取貴重稀有金屬,也可作肥料。

礦業固體廢物的一種,洗煤廠的洗矸、煤炭生產中的手選矸、半煤巷和岩巷掘進中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸等的混合物。

影響

到目前為止,煤矸石的利用力度還不夠大。技術不完善,地區發展不平衡,對環境的影響依然很嚴重,主要表現在下述幾個方面。

(1)影響土地資源的利用煤矸石堆場多位於井口附近,大多緊鄰居民區,煤矸石的大量堆放一方面佔用大量的土地面積,另一方面還在影響著比堆放面積更大的土地資源,使得周圍的耕地變得貧瘠,不能被利用。

(2)污染大氣煤矸石露天堆放會產生大量揚塵,這主要是由於在地面堆放的煤矸石受到長時間的日晒雨淋后,將會風化粉碎;另外,煤矸石吸水後會崩解,從而很容易產生粉塵。在風力的作用下,將會惡化礦區大氣的質量。此外,煤矸石中含有殘煤、碳質泥岩和廢木材等可燃物,其中C、S可構成煤矸石自燃的物質基礎。煤矸石業務露天堆放,日積月累,矸石山內部的熱量逐漸積累。當溫度達到可燃物的燃燒點時,矸石堆中的殘煤便可自燃。自燃后,矸石山內部溫度為800~1000oC,使矸石融結並放出大量的CO、CO2、SO2、H2S、NOx等有害氣體,其中以SO2為主。一座矸石山自燃可長達十餘年至幾十年。這些有害氣體的排放,不僅降低矸石山周圍的環境空氣質量,影響礦區居民的身體健康,還常常影響周圍的生態環境,使樹木生長緩慢、病蟲害增多,農作物減產,至死亡。

(3)危害水土煤矸石除含有粉塵、SiO2,A12O3以及Fe,Mn等常量元素外,還有其他微量重金屬元素,如Pb,Sn,As,Cr等,這些元素為有毒重金屬元素。當露天堆放的煤矸石山經雨水淋蝕后,產生酸性水,污染周圍的上地和水體。當矸石堆場的矸石堆放不合理時,矸石堆易發生邊坡失穩,從而導致矸石堆的崩塌、滑移,特別在暴雨季節,這種現象在山區尤為常見,易發生泥石流,從而殃及下游的農田、河流及人員安全。

結構

煤矸石是在成煤過程中與煤共同沉積的有機化合物和無機化合物混合在一起的岩石。通常呈薄層和在煤層中或煤層頂、底板岩石?是在煤礦建設和煤炭採掘、洗選加工過程中產生的數量較大的礦山固態排棄物。煤矸石按主要礦物含量分為黏土岩類、砂石岩類、碳酸鹽類、鋁質岩類。按來源及最終狀態,煤矸石可分為掘進矸石、選煤矸石和自然矸石三大類。煤矸石排放量根據煤層條件、開採條件和洗選工藝的不同有較大差異,一般掘進矸石占原煤產量的10% 左右,選煤矸石占入選原煤量的12%~18%。

煤矸石的無機成分主要是硅、鋁、鈣、鎂、鐵的氧化物和某些稀有金屬。其化學成分組成的百分率:SiO2為52~65;Al2O3為16~36;Fe2O3為2.28~14.63;CaO為0.42~2.32;MgO為0.44~2.41;TiO2為0.90~4;P2O5為0.007~0.24;K2O+Na2O為1.45~3.9;V2O5為0.008~0.03。

高硫煤矸石中含有的主要有用礦物為硫鐵礦和煤。純硫鐵礦相對密度高達5,與脈石相對密度差為2-2.3,而共生硫鐵礦與脈石相對密度差為0.5-1。因此,使硫鐵礦儘可能從共生體中解離出來,利用相對密度差即可將硫鐵礦分選出來。

煤矸石的原礦粒度較大,其中黃鐵礦的組成形態以包括結核體、粒狀、塊狀等宏觀形態為主,經顯微鏡和電鏡鑒定,煤中黃鐵礦以莓球狀、微粒狀分佈在鏡媒體中,而在細胞腔中亦充填有黃鐵礦,個別為小透鏡狀、細粒浸染狀。礦物之間緊密共生,呈細粒浸染狀,所以在分選前必須進行破碎、磨礦,煤矸石的解離度越高,選別效果越理想。

存在於煤中的黃鐵礦經過洗選后大部分富集於洗矸中。洗矸中黃鐵礦以塊狀、脈狀、結核狀及星散狀四種形態存在。前三種以2-50mm大小不等、形態各異的結核體最常見,矸石破碎至3mm以下,黃鐵礦能解離80%左右,破碎至1mm以下幾乎全部解離。星散狀分佈的黃鐵礦很少,多呈0.02mm立方體單晶,嵌佈於網狀脈岩中很難與脈石分開。黃鐵礦的回收方法和工藝流程原則上是從粗到細把黃鐵礦破碎成單體解離,先解離、先回收,分選解離、分段回收。

資源化利用

國外

以美國、英國為代表的西方國家煤矸石總綜合利用率突破90%。琴希托霍瓦工業大學環境工程學院通過氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的結構和表面性質,從而開發了煤矸石作為工業廢水預處理中的廉價吸附劑的新應用;馬來亞大學則利用棕櫚—燃油—粉煤灰(POFA)、粉煤灰(FA)、高爐礦渣(BFS)作為粘合劑和細骨料,分別可以替代傳統材料。當前國外煤矸石綜合利用的發展趨勢為:在工藝選擇上堅持節能降耗;在產品性能上大力生產輕質、高強產品;在建材產品上由傳統的混凝土向新型保溫牆材料轉換。

煤矸石的大量堆放是各國煤礦普遍存在的問題、面對礦區開架后留下的煤矸石,其利用最早始於西方發達國家,直到 20 世紀 60 年代後期才真正引起各國重視。20 世紀 70 年代提出了「資源循環」的口號,同時設置了專門的管理機構,英國煤管局在 1970 年成立了煤矸石管理處,波蘭和匈牙利聯合成立了海爾得克斯矸石利用公司,專門從事煤矸石處理和利用,制定了相關法規和條例。

數據顯示日本、德國、澳大利亞等國的煤矸石利用率都在85%以上,「而我國2018年煤矸石的綜合利用率僅在67.3%左右”,與國外發達國家相比綜合利用率偏低。事實上,我國大部分煤炭企業已將煤矸石作為採礦廢棄物進行無害化處理,但在主觀上還沒有完全將其視作有價值的資源來對待,缺乏相應的資源管理機制和資金投入,再加上技術水平有限、市場可利用途徑和產業發展不足、政策法規限制等問題的影響,煤矸石資源化程度不僅難以提高,而且增加了煤炭企業的負擔。

中國

2014年中國對煤矸石的應用範圍及比例見圖1。

2019年,中國的大宗固廢綜合利用率達到55%,比2015年提高5個百分點;其中,煤矸石的綜合利用率達到了70%。

煤矸石發電

對含碳量高的煤矸石,即含碳量≥20%(熱值在6270~12550kJ/kg),可以直接用作流化床鍋爐的燃料用於煤矸石發電。煤矸石發電不僅解決了煤矸石堆放所帶來的環境問題,而且可以緩解我國能源緊張的局面,並且在其生產工藝過程中,產生的有害氣體、煙塵、廢棄物基本上都能夠得到有效回收,大氣污染物的排放也可控制並達到國家排放標準。國華寧東發電公司現已建成並投產使用的一期工程2×330MW機組以煤礦廢棄的劣質煤和煤矸石作為發電主要染料,該發電公司設計每年使用燃煤287萬噸,其中煤矸石佔51.2%,其生產用水採用周邊礦井水且採用空冷技術,符合國家資源綜合利用產業政策,實現了工業固體廢物零排放、循環利用和資源化綜合利用。

煤矸石建材

(1)節能牆體材料的開發利用。我國早在20世紀80年代通過引進國外破碎、擠出、焙燒技術很快完善並提高了我國在利用煤矸石生產燒結牆體材料方面的技術。在燒結新型牆體材料中,作為節能型綠色產品的煤矸石燒結自保溫砌塊性能能夠滿足國家建築節能65%的要求。節能牆體材料的利用減少了建築單位的各種設計、砌築、配套等相關費用並能免去使用過程中的維護費用,更由於牆體輕質的特點節省了大量的基礎建材費用,是一種節能、環保、可持續發展的綠色建材產品。

(2)煤矸石生產陶粒輕骨料。陶粒輕骨料由於其輕質、保溫、高強、附加值高的特點,能夠替代普通混凝土中的粗骨料,且符合高層建築輕質、高強的發展方向。含碳量低於13%的煤矸石適宜作為生產輕骨料原料。內蒙古科技大學利用包頭地區堆積密度較大的粉煤灰陶粒、礦粉、粉煤灰等原材料,通過正交試驗的方法研製出導熱和抗凍性能良好的LC40結構粉煤灰陶粒輕骨料混凝土。

(3)煤矸石生產水泥。我國在煤矸石生產水泥及水泥混合材方面的應用較早,但由於難以突破實際生產過程中的技術瓶頸,從而抑制了煤矸石制水泥的發展。

近年來,我國在煤矸石生產水泥的技術開發上取得了重大突破。裘國華通過對煤矸石、尾礦以及石灰石的研磨試驗、物化性質及熱解分析,並建立相關動力學模型,得出煤矸石—尾礦—低品石灰石代替黏土煅燒水泥技術節能效果顯著的結論。

生產化工產品

採煤和巷道掘進過程中的掘進煤矸石含大量礦物元素且回收利用價值高。煤矸石中主要的礦物成分為SiO2、Al2O3,另外還含有數量不等的Fe2O3、FeS2、Mn、P、K及微量稀有元素(Ga、V、Ti、Co)等,可分別製備鋁系、硅系、炭系化工產品、製取鈦白粉及提取鎵。高鋁煤矸石(Al2O3的質量分數≥35%)可通過加以一定的外界能量以破壞其原有的結晶相,從而製備成本、能耗低和副產品價值高的鋁系產品。以煤矸石為原料,利用溶劑萃取法、萃淋樹脂法、液膜法等提取出來的金屬鎵主要用於半導體工業,以鎵化合物為基礎的產品用於電子技術較硅、鍺具有更大的優點。有效回收煤矸石中的SiO2成分可生產白炭黑(SiO2˙nH2O)、SiC等硅系化工產品。含FeS2的煤矸石由於自身氧化產生的SO2雖是大氣環境的主要污染物,但硫鐵礦是化學工業製備硫酸的重要原料,從煤矸石中回收硫鐵礦具有較高的經濟效益和生態效益。

改良土壤

礦區可利用暫時不能加工利用的岩石及自燃矸石充填塌陷區或復墾,這對礦區固體廢物的有效治理、生態環境的恢復可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石理化性狀的生物復墾技術成為礦區土地復墾的熱點技術,其中中國礦業大學(北京)的畢銀麗教授開發的利用煤矸石中的有效基質培養叢枝菌根真菌從而用於煤礦區復墾區土壤修復的技術,開創了煤矸石用於改良土壤的新技術體系。畢銀麗教授等在寧夏大武口洗煤廠矸石山(作為生長基質)混合種植接種和不接種叢枝菌根真菌劑的白蠟幼苗,實驗結果表明接種菌根真菌13個月後能夠有效提高植被成活率(15%),促進植株生長(接種植物蓋度高於對照9%)和侵染率(高達90%以上),且菌絲長度較對照伸長1.4倍,擴大了根系的範圍,該研究極大促進了煤矸石的資源化利用和矸石山周邊的生態恢復,為煤矸石綜合利用指明了新的研究和發展方向。

煤矸石的高附加值利用

近年來,為了突破傳統的煤矸石資源化利用技術體系,國內研究學者將研究方向轉向煤矸石的高附加值利用且技術開發效果顯著。如昆明理工大學結合室內試驗提出採用高濃度酸-微波加熱法提取煤矸石中的高純度硅,再加入Na2SO4製備水玻璃,有效實現了煤矸石的高附加值利用。遼寧工程技術大學的李彩霞等利用煤矸石中的硅酸鹽成分,將經化學改性后的煤矸石製成橡膠補強材料,在產品性能、節能環保方面均領先炭黑。神華烏海能源有限公司開發出了煤矸石—脫硫石膏—石灰—水泥(發氣劑為鋁粉)生產泡沫混凝土,充分利用了煤矸石的高附加值。綜上,我國煤矸石綜合利用途徑多樣,具體工業化選擇途徑見表2。

「煤矸石」的資源化路徑,真正實現變廢為寶,應從三個方面開拓:

一是礦山企業應給予煤矸石和開採礦產同樣的戰略重視,對煤矸石排放和資源化進行總體規劃,形成煤矸石資產管理的模式,明確產權和資源效益歸屬,聯合電力、建材、化工等煤矸石利用企業拓展產業鏈條,建立科學研發、技術引進、資金投入相結合的科學運營模式。二是有關部門應以2018年5月15日工業和信息化部出台的《工業固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》為準則,嚴格評估和監管礦山企業「煤矸石」綜合利用情況,促進「煤矸石」資源綜合利用產業的規範化、綠色化和規模化。三是國家需繼續出台相關的稅收、補貼等政策,提高企業的利潤空間,充分調動非礦山企業的投資熱情,進一步促進煤矸石資源利用「社會化」和「市場化」。

加工設備

磨粉機

磨粉機和制砂機已經廣泛用於煤矸石製作水泥生產線。不論是將煤矸石用於制磚,或是做水泥添加料還是供應給煤矸石發電廠,通常用到的加工設備有顎式破碎機、反擊式破碎機、雷蒙磨粉機、超壓梯形磨粉機、立式磨粉機、振動篩、振動給料機等。顎式破碎機具有破碎比大、產品粒度均勻、結構簡單、工作可靠、維修簡便、運營費用經濟等特點。組成整套破碎生產系統,廣泛用於礦山、水泥、化工、鐵路、建築等方面。反擊式破碎機(反擊破)能處理邊長不超過500mm、抗壓強度不超過350MPa的各種粗、中、細物料(煤矸石、花崗岩、石灰石、混凝土等)。

隨著經濟體制改革的不斷深化和我國工農業的健康快速發展,在能源日趨緊缺的情況下,礦山機械設備企業越來越注重對高效、節能環保設備的研發和生產,在礦山機械製造採用長壽命、低能耗及減輕重量的設計原則的同時,礦山機械設備企業也越來越開始重視二次開發利用礦山廢棄物等資源。

煤炭作為我國的主要能源,它在社會經濟發展中發揮著極其重要的作用。煤炭的開發和利用,既對社會經濟起著巨大的推動作用,同時也對環境產生了重大影響。煤矸石和煤層氣就是煤炭開發過程中產生的主要廢棄物,長期以來被煤炭工業視為有害物質和災害性氣體。煤矸石是在煤的掘進、開採和洗選過程中排出的固體廢物。中國積存煤矸石達10億噸以上,每年還將排出煤矸石1億噸。近幾年來,煤矸石不再僅僅被視為一種數量最大的工業固體廢棄物,而作為一種資源,在化工、建材、冶金、輕工等領域得到了廣泛的研究和應用,煤矸石資源化已成為煤矸石綜合利用研究的重點。

破碎機

新型的煤矸石破碎機替代了早期單級有篩底的破碎機完美解決了高濕物料破碎困難問題,煤矸石破碎機針對個體用戶和中小型企業是最有效的投資,有效的節約了客戶購買設備的成本。該設備產量高噪音小細度低,整套設備便於維護而且無須特殊安裝即刻開機使用。煤矸石破碎機採用雙轉子上下兩級粉碎;沒有篩網篦底,對物料含水率沒有嚴格要求,完全不存在糊堵篩板的問題,更不存在細粉不能及時排出,重複粉碎的問題,故粉碎效率高,不存在鎚頭無效磨損現象;高合金耐磨鎚頭;鎚頭磨損后不需修復,移動位置反覆使用,一副鎚頭可頂三副鎚頭使用。只需要一人即可輕鬆啟閉,不僅輕巧快捷且安全可靠,便於維護,整體結構合理簡單操作。

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