煤矸石的综合利用分析.pdf

SerialNo. 483 July . 2009 现 代 矿 业 MORDEN M I N I NG 总第483期 2009年7月第7期 刘瑞芹, 063000河北省唐山市。 煤矸石的综合利用分析 刘瑞芹 开滦集团有限责任公司 摘 要煤矸石是在煤炭开采、 洗选加工过程中所产生的固体废物。分析了煤矸石是矿区的主 要污染源之一,对矿区和周围区域的生态环境造成的破坏,举例了对煤矸石的综合实例。 关键词煤矸石;生态环境;综合利用 中图分类号 X752 文献标识码B 文章编号 167426082 2009 0720140203 煤炭企业在生产过程中产生的主要固废是煤矸 石,目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的10～ 25 ,已成为我国累积堆积量和占用场地最多的工 业废物。全国煤矸石的总积存量约45亿t,而且仍 在逐年增长。另外,由于矸石中含有残煤、 碳质泥 岩、 碎木材等可燃物质,在长期露天堆积后,往往会 发生自燃,并排放出大量的CO、CO2、SO2、H2S、NOx 和CmHn等有害气体,给周边环境带来了一系列的 危害。此外,煤矸石兼有煤、 岩石、 化工原料的性质。 因此,煤矸石又是一种可利用资源,若能对其综合利 用,改善矿区环境,既节约资源,又减少占地,对于构 建资源节约型、 环境友好型社会起到积极的作用。 1 煤矸石的危害 1侵占土地。矸石山堆存占用了大量的土地 资源,不但造成土地资源浪费,而且还破坏了矿区原 有的生态系统结构,破坏了矿区自然景观,引发矿区 周围的社会问题。 2引发火灾。矸石山是自然堆积而成,结构 疏松,透气良好,矸石中含有硫、 碳、 水分等,其中硫 为可自燃物质,碳为可燃物质,二者构成矸石山的自 燃基础。由于与空气接触,硫化铁发生氧化,产生的 热量日积月累使矸石山内部的温度不断上升,当温 度达到煤的燃点一般为360℃时,便可将矸石中 的煤点燃,从而使矸石山产生自燃,加上风力的作用 引发火灾。 3污染空气。矸石山自燃产生大量的有害气 体对大气造成污染,同时,在矸石的堆放过程中,风 化的粉尘也会严重污染矿区的空气,污染水源。煤 矸石的主要成份有碳、 氢、 氧、 硫、 铁、 铝、 硅、 砷、 汞、 铅、 铜、 锌、 氟、 氯等微量及痕量有害元素。矸石山的 长期堆放,在雨水的淋溶过程中,部分有害元素会随 雨水转入地表和地下水体,构成对水体的污染,由于 水体的迁移,还会使污染不断向周围扩大。 4污染土壤。煤矸石中主要的重金属元素为 锌、 铅、 铜、 镉等,在长期的淋溶过程中,这些重金属 不断向周围土壤迁移富集,停留在土壤表层,并通过 植物根系的摄取而迁移进入植物体内,再通过食物 链进入人体或动物体内。 2 煤矸石的综合利用 2. 1 利用煤矸石发电 我国已成功研制出煤矸石、 煤泥混烧的循环流 化床锅炉,解决了不同低热值燃料混合供烧的技术 难题。煤矸石发电厂主要利用热值在6. 27～8. 33 MJ /kg1500～2000kcal/kg以上的洗矸、 半煤岩巷 排除的掘进矸石。目前,煤炭系统多采用流化床燃 烧技术,采用最多、 技术成熟的为35t/h、75t/h的循 环流化床锅炉。 我国利用煤矸石发电已形成一定规模。全国已 建成煤矸石电厂128座,总装机容量约210 6 kW, 发电量约1. 210 10 kWh,占矿区用电的30 ,全国 煤矸石电厂盈利4亿元以上。每年发电实际消耗煤 矸石约1200万 ～1800万t。煤矸石发电是综合利 用煤矸石的一条重要途径,不但可以节省好煤,缓解 煤矿电力紧张局面,而且灰渣还可以生产建材,消除 二次污染,是一项绿色环保工程,其经济效益、 社会 效益和环境效益都十分显著。 黑龙江鸡西滴道矸石电厂是我国第一座容量最 大的煤矸石发电厂。先后安装了3台我国自己研制 的130t/h流化床锅炉和2台2. 5万kW汽轮发电机 组,每年燃烧煤矸石约60万t,发电2. 2亿kWh。 重庆永荣矿务局是全国首家利用煤矸石沸腾炉 041 发电的单位,核定装机容量2万kW。从1978 1994年已发电12亿kWh,耗用煤矸石等低热值燃 料200万t以上,生产灰渣砖4亿块、 水泥20多万 吨。 建成于上个世纪末的山东新汶协庄煤矿矸石热 电厂效益尤为突出。目前发电量保持1. 6亿kWh 以上,年消耗煤矸石30万t。同时还建起了免烧砖 厂,每月生产免烧砖30多万块,消耗粉煤灰6 000t。 炉渣用作建材原料和铺路,用灰渣替代沙子用于井 下喷浆等。该矿煤矸石热电厂建成后,实行热电联 供,年节约原煤4万t,少支付电费1. 2亿元以上,节 省煤矸石堆放占地1. 67hm 2 ,安置待业和下岗人员 733人。既节约了资源,又收到了良好的社会、 经济 和环境效益。 2. 2 生产煤矸石建材及制品 煤矸石用作建筑材料近年发展很快,利用的途 径也日益增加,主要用于煤矸石制砖、 空心砌块、 水 泥原料、 轻集料等诸多方面。目前我国煤矸石制砖 工艺、 炉窑设计、 生产设备基本接近发达国家水平, 煤矸石制砖企业正在向集约化、 大型化方向发展,产 品由实心砖向多孔砖和空心砖方向发展。如山东新 波矿业集团等单位建成煤矸石砖生产线20多条,每 条生产线的能力均在60 k万块/a以上。 1煤矸石制作水泥。煤矸石应用于水泥工业 的研究,国内外已作了大量的工作。目前,煤矸石在 水泥生产中的应用越来越多,生产出的水泥品种也 在不断扩大和更新。 2煤矸石制轻骨料和陶粒。由碳质页岩或选 煤厂排矸,经破碎磨细加水成球,用烧结机或回转窑 工艺焙烧,矸石球膨胀,冷却后即成煤矸石轻骨料。 在烧制轻骨料时,煤矸石中的Si O2含量在55～ 65 ,Al2O3含量在13～23为佳。对于易熔组 分, CaO MgO的含量宜在1～8 , Na2O K2O 的含量宜在2. 5～5。Fe2O3和C是煤矸石的主 要膨胀剂,前者含量宜在4～9 ,后者含量宜在 2左右。用煤矸石烧制的轻骨料性能良好,可配制 200～300 混凝土 ,具有容重轻、 吸水率低、 强度高的 特点,适于作各种建筑预制件。 山东新汶矿务局泰山机械公司开发生产的真空 硬塑制砖机,以煤矸石、 粉煤灰为原料,利用煤矸石 自身的发热量进行焙烧,生产出了承重空心砖和非 承重空心砖。该产品符合国家对新型墙体材料的要 求,具有广阔的发展前景。 山西阳泉矿务局用该地自然煤矸石为骨料,配 入矸石砂、 硅酸盐水泥,制成200 ～300 煤矸石混凝 土,其物理性能和质量符合有关规定。用自然煤矸 石生产的混凝土比普通混凝土的密度低20 ,是高 层建筑的优质材料。 山西潞安矿业公司新型墙体材料厂建成了国内 产量较大、 自动化程度较高的煤矸石制砖生产线,每 年可以生产1. 3亿块标准砖,处理煤矸石30万t。 生产的煤矸石砖强度高、 热阻大、 隔音好,可降低建 筑物墙体厚度,减少用砖量。同时由于外观整洁、 抗 风化能力强、 色泽自然,可以省去抹灰、 喷涂等工序, 降低建设和维护成本,与传统粘土砖相比有着更高 的性价比和更强的市场竞争力,其经济效益和生态 效益都非常显著。 2. 3 生产农用肥料 利用煤矸石生产农肥,依照原理和工艺的不同, 主要生产有机复合肥、 微生物肥料和改良土壤肥料。 1生产有机复合肥料。煤矸石中有大量炭质 页岩或炭质粉砂岩,其中有机质含量在15～ 20 ,并含有丰富的植物生长所必须的B、Zn、Cu、 Co、Mo、Mn等微量元素,一般比土壤中的含量高出2 ～10倍。选用含有机质较高的这类煤矸石经粉碎 并磨细后,按一定比例与过磷酸钙混合,同时加入适 量的活化漆剂,充分搅匀,并加入适量水,经充分反 应活化并堆沤后,即成为一种新型实用肥料。这种 肥料还可在治化后,掺入氮、 磷、 钾元素,制成全营养 矸石肥料。 煤矸石有机复合肥中的有机质和微量元素,有 明显的增产效果,属于长效肥,随着颗粒风化,其中 养分陆续析出,在2～3a内均有肥效。这种肥料生 产加工简单,原料易选易得,投资省,回收周期短,产 品多样化,成本低廉。 2煤矸石微生物肥料。煤矸石和风化煤中含 有大量有机物,是携带固氮、 解磷、 解钾等微生物最 理想的基质和载体,因而可以作为微生物肥料,又称 菌肥。以煤矸石和廉价的磷矿粉为原料基质,外加 添加剂等,可制成煤矸石生物肥料,主要以固氮菌 肥、 磷肥、 钾细菌肥为主。与其他肥料相比,是一种 广谱性的生物肥料,施用后对农作物有奇特效用。 制作简单,耗能低,投资少,生产过程不排渣。南票 矿务局与中国农科院合作开发的“ 金丰牌 ” 微生物 肥料,其中较成功的有山东龙口矿物局与北京田力 宝科技研究所开发生产的田力宝微生物肥料,均取 得了很好的社会效益和经济效益。 2. 4 利用煤矸石复垦塌陷区、 修路等 141 刘瑞芹煤矸石的综合利用分析 2009年7月第7期 煤矸石在充填塌陷区、 修路、 水土保持、 作物种 植等技术上也取得较大突破,有效地提高了矸石和 土地的利用率。 山东新汶矿业集团累计利用200多万吨煤矸 石,治理流经矿区的柴汶河两岸采砂坑和部分矿井 开采塌陷区,复垦开发土地33. 35余公顷。 淮北矿区是具有40多年开采历史的老矿区,仅 集团公司所属各矿,因采矿造成的土地塌陷面积就 达0. 8671万多公顷。近10多年来,淮北矿区对煤 矿塌陷地进行了综合治理,不断总结出“以复代 征 ” 、 “ 以地易地复垦 ” 、 “ 将塌垫塌复垦 ” 、 “ 挖深垫 浅 ” 和“ 矸石、 粉煤灰充填 ” 等“ 还田于民 ” 的多种方 式,先后消除矸石山10座,实现了社会、 经济、 环境 效益的统一和矿区的可持续发展。 2. 5 煤矸石制取新型材料 煤矸石合成碳化硅SiC。碳化硅材料以优异 的高温强度、 高导热率、 高耐磨性和耐腐蚀性在磨 料、 耐火材料、 高温结构陶瓷、 冶金和大功率电子学 等工业领域广泛应用。工业上生产碳化硅以石英 砂、 石油焦碳或优质无烟煤作原料,在Acheson炉中 经高温电热还原生成碳化硅,是一项高耗能、 高污染 工业。 经大量研究表明,用高硅煤矸石与烟煤作原料, 用Acheson工艺合成SiC,与传统原料相比其反应速 度快且反应温度低,代替了石英砂和大部价格较贵 的石油焦碳,并可降低能耗和生产成本。如西安交 通大学用硅质煤矸石与烟煤混合为原料,实现合成 β2 SiC;武汉工业大学材料工程系用硅质煤矸石和无 烟煤为原料,经碳热还原合成了 β2SiC2Al2O3复相 材料,为煤矸石综合开发利用提供了新途径。 煤矸石为原料合成4A沸石。国内生产4A沸 石的方法主要是以NaSi O3和NaAlO3为原料进行水 热合成,原料成本较高。根据煤矸石的主要成分为 SiO2和Al2O3这一特点,曲阜师范大学化学系利用 山东北宿煤矿高铝煤矸石作原料,酸浸除铁,合成 4A沸石,白度可达95以上;地矿部天津地矿所利 用煤矸石成功地合成了4A沸石,其产品质量,性能 指标均达到美国、 日本等国内同类产品规格;郑州轻 工业学院等,用煤矸石合成4A沸石的新工艺,制备 了优良的洗涤剂助剂4A沸石。 2. 6 从煤矸石中提取硫精矿和其他化工原料 重庆南桐矿务局干坝子选煤厂从高硫煤矸石中 提取硫精矿取得成功。入洗矸石含硫10～31 , 主要成分为黄铁矿。采用重介法分选出含硫 35、 含碳小于8的硫精矿;灰分45～50的泥 煤和尾矿三种产品。 河北开滦唐家庄矿选硫车间, 1985年初投产。 入洗矸石含硫为3. 98 ,主要成分为黄铁矿。经洗 选产出四种产品含硫30～35、 含碳小于8的 硫精矿;发热量14. 63MJ /kg可作燃烧用的动力煤; 发热量6. 27MJ /kg的低热值燃料和矸石。 辽宁南票矿务局与煤炭科学院抚顺分院合作, 从煤矸石中提取结晶氯化铝、 固体聚合铝、 水玻璃、 白炭黑等多种化工产品获得成功。目前,年产万吨 结晶氯化铝、 固体聚合铝的生产装置已建成投产,年 产值达千万元以上。该项研究成果曾获得1986年 国家发明四等奖。 3 结 语 煤矸石资源化综合利用以市场为导向,以科技 为先导,因地制宜,多种途径,讲求实效,大幅度提高 利用率,努力实现从“ 以堆存为主 ” 转向“ 以利用为 主 ”,从资源优势转变为经济优势。这样既保护了 宝贵的资源,又治理了污染,改善生态环境,还人民 群众“ 绿色家园 ”,取得经济效益、 社会效益和环境 效益相统一。因此,煤矸石资源化综合利用,是实现 经济可持续发展的朝阳产业,有着广阔发展前景和 深远的现实意义。 参 考 文 献 [1 ] 李鹏波,胡振琪,吴 军,康惊涛,王 建.煤矸石山的危害及 绿化技术的研究与探讨[J ].矿业研究与开发, 20064. [2 ] 张士权,李 皓,胡君艳,任佳蕊.煤矸石对环境的危害及其综 合利用[J ].现代农业科技, 2007 18. [3 ] 杨秀敏,胡桂娟,李 宁,杨秀红.煤矸石山的污染治理与复垦 技术[J ].中国矿业, 20086. [4 ] 王国平,孙传敏.煤矸石资源化的主要途径[ J ].中国矿业, 20043. [5 ] 许瑞昌.煤研石在建材工业中的综合利用技术[J ].中国资源 综合利用, 200211. 收稿日期20092052 13 241 总第483期 现代矿业 2009年7月第7期