淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用與途徑
1 前言
煤炭一直是我國(guó)的主要能源, 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位, 隨著煤炭的開(kāi)采, 伴隨有大量礦山廢棄物—— —煤矸石。調(diào)查表明, 截止 1984 年底, 我國(guó)積存的煤矸石量已達(dá) 1300Mt( 13 億噸) 以上, 占地約 63.4 平方公里( 95000 畝) , 每年還要排放近 130Mt( 1.3 億噸) , 不僅占去大量農(nóng)田, 而且污染水源、 空氣, 破壞生態(tài)平衡, 給人類帶來(lái)災(zāi)害。如何綜合利用煤矸石, 已是當(dāng)前人們急需解決的課題之一；茨献鳛槊禾磕茉椿, 煤礦開(kāi)采已有幾十年歷史, 1977 年底已積存煤矸石 1224 萬(wàn)噸, 占地 74 萬(wàn)平方米 ( 1106 畝) , 目前積存煤矸石約有 3000萬(wàn)噸, 每年新排矸石在 200 多萬(wàn)噸, 主要集中分布在謝家集、八公山方圓 10 公里之內(nèi)和新區(qū)潘集地區(qū), 而且隨著新建礦井增加, 排矸量逐年增加, 合理處理和綜合利用煤矸石是建設(shè)安徽造；茨系拇蠛檬。
本文在對(duì)準(zhǔn)南礦區(qū)煤矸石分析、調(diào)研的基礎(chǔ)上, 針對(duì)準(zhǔn)南礦區(qū)煤矸石特點(diǎn)及現(xiàn)有技術(shù)水平, 提出了三種綜合利用煤矸石方案, 供參考。
2 淮南礦區(qū)煤矸石特點(diǎn)
煤矸石是夾在煤層內(nèi)的以及煤系地層內(nèi)的多種巖石的混合物。各礦井的地質(zhì)條件不同, 因而煤矸石的成分變化較大, 為合理有效利用煤矸石, 應(yīng)對(duì)各礦井的煤矸石進(jìn)行分析化驗(yàn)。經(jīng)化驗(yàn)得知, 淮南礦區(qū)煤矸石灰分(Ad)為 54.5~87.9%, 全硫含量大部分低于 1.0%, 發(fā)熱量 (Qgr, ad) 大部分高于 2.0MJ/kg, 一般在 3.3~11.3MJ/kg之間。近期采樣的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表 1。
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由表 1 可見(jiàn)淮南礦區(qū)煤矸石屬中鋁矸石, 其 K 值(K=SiO2 克分子數(shù)/Al203 克分子效)列于表 2。
淮南礦區(qū)煤矸石中以粘土巖為主, 礦物成分除高嶺石、 蒙脫石、 水云母外, 還有少量石英、 長(zhǎng)石、 菱鐵礦、 黃鐵礦等。
從我院地質(zhì)系對(duì)淮南潘集十三煤底板高嶺石型粘土巖的研究可知, 高嶺石含量為 60%, 其差熱曲線在 529C, 出現(xiàn)吸熱谷, 在 970C出現(xiàn)放熱峰, 而且在 970C前有一微弱的吸熱谷。說(shuō)明淮南礦區(qū)煤矸石中的高嶺石為極無(wú)序或強(qiáng)無(wú)序, 結(jié)晶度較差, 比表面積大, 反應(yīng)活性較高, 有利于制取化工產(chǎn)品。
3 淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用現(xiàn)狀與存在問(wèn)題
建國(guó)以來(lái), 特別是 70 年代, 我國(guó)對(duì)煤矸石綜合利用進(jìn)行了大量研究與技術(shù)開(kāi)發(fā), 利用途徑歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面:
( 1)作為能源, 主要有煤矸石造氣和沸騰燃燒鍋爐。
( 2)作為建筑材料: 主要生產(chǎn)磚、 瓦、 水泥等。
( 3)提取化工產(chǎn)品, 如氯化鋁、 明礬以及鎵等化學(xué)產(chǎn)品和稀有元素。
( 4)直接分離, 如回收硫鐵礦。
( 5)直接利用, 如鋪路、 充填廢井、 化工填料及農(nóng)藥、 化肥載體等。
淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用也做了不少工作, 下面加以介紹。
3.1 煤矸石制磚
目前我國(guó)的墻體材料產(chǎn)品中 95%是實(shí)心粘土磚, 現(xiàn)在全國(guó)有磚瓦企業(yè)約 11 萬(wàn)個(gè), 生產(chǎn)粘土磚多達(dá) 7000 億塊, 占地 500 萬(wàn)畝, 每年耗土量相當(dāng)于 110 萬(wàn)畝土地, 實(shí)際毀田數(shù)十萬(wàn)畝, 耗能達(dá) 7000 多萬(wàn) t 標(biāo)煤, 成為一個(gè)破壞耕地、 消耗能源的大戶。為此, 國(guó)家制定了一系列限制粘土磚, 發(fā)展新型墻體材料的政策。
“十五” 期間, 煤矸石生產(chǎn)新型墻體材料將進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展階段, 配合城市限制使用粘土磚和煤礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整, 一些城市和礦區(qū)將煤矸石生產(chǎn)新型墻體材料—承重和非承重空心磚作為發(fā)展的重點(diǎn)。
前面提到淮南礦區(qū)煤矸石屬于粘土巖類, 再加上含有大約 3.0Mj/kg發(fā)熱量, 是代替粘土, 生產(chǎn)內(nèi)燃磚的極好原料；茨系V區(qū)煤矸石制磚始于 60 年代, 70 年代有了大發(fā)展, 進(jìn)入 80 年代后, 制磚工藝又有了改進(jìn), 改輪窯等為隧窯；茨细鞯V煤矸石制磚廠情況匯于表 3
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3.2 煤矸石生產(chǎn)水泥
正在建設(shè)、 發(fā)展中的煤、 電、 化城市—— —淮南, 水泥需要量相當(dāng)大。目前年產(chǎn) 10 萬(wàn)噸以上水泥廠就有 3 家, 有兩家已用煤矸石代替粘土(或礬土)作為水泥生產(chǎn)摻和料。 用煤矸石作原料生產(chǎn)水泥優(yōu)點(diǎn)主要有:①代土;②節(jié)煤, 因煤矸石易燒性好, 實(shí)際熱耗可降低, 若生產(chǎn)特種水泥, 由于煤矸石耗量大, 節(jié)煤效果更顯著;③無(wú)廢渣, 因用作生產(chǎn)水泥的煤矸中全部灰分均轉(zhuǎn)變成水泥的有效組分;④提高水泥產(chǎn)量, 由于煤矸石帶入的部分熱量, 加強(qiáng)了生料預(yù)熱, 減輕了燒成帶的熱負(fù)荷, 加上配煤矸石后物料易燒性好, 燒成溫度亦有所降低, 諸因素均可達(dá)到增產(chǎn)之效。
3.3 煤矸石的沸騰燃燒
對(duì)于發(fā)熱量為 8.0MJ/kg左右煤矸石是沸騰燃燒的良好燃料, 在 70 年代后期, 淮南亦建成了煤矸石電廠, 和煤矸石沸騰鍋爐, 取得了一些成績(jī), 但由于技術(shù)等問(wèn)題, 煤矸石電廠已停止運(yùn)行。
3.4 其他
淮南煤矸石利用除了上述之外, 目前利用范圍有:①利用自燃后的矸石替代黃沙, 如謝三礦將自燃后矸石篩選, 破碎替代黃沙。 ②生產(chǎn)陶瓷, 淮南陶瓷廠已有多年歷史。 ③生產(chǎn)耐火材料。 ④用作鋪路、充填塌陷區(qū)等等。⑤作為化工原料, 制備 4A分子篩, 取代洗衣粉中磷助劑。
4 淮南礦區(qū)煤殲石綜合利用途徑
我們從前面的分析與調(diào)查研究看出, 淮南礦區(qū)煤矸石主要屬于結(jié)晶度較差的、 鋁含量中等的粘土巖類, 發(fā)熱量在 2~13MJ/kg 范圍內(nèi), 并有一些煤矸石加工處理裝置及一定的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)上述特點(diǎn), 提出三種淮南礦區(qū)煤矸石綜合利用途徑的模式, 供大家商討。
4.1 建立煤矸石沸騰燃燒—— —發(fā)電供熱—— —化工綜合體
由于淮南礦區(qū)煤矸石硫含量低, 發(fā)展沸騰鍋爐燃燒十分有利。 而低熱值燃料沸騰燃燒又是當(dāng)前國(guó)家計(jì)委重點(diǎn)推廣的節(jié)能措施之一。 但是, 眾所周知, 由于煤矸石可燃成分較少, 灰分高, 燃燒后的殘?jiān)舨怀浞掷糜謺?huì)造成二次污染, 影響了沸騰燃燒的推廣應(yīng)用。為了克服缺點(diǎn), 我們推薦圖 1 所示的利用模式。
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這種模式能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化呢?據(jù)目前所掌握的資料, 我們認(rèn)為是完全可以實(shí)現(xiàn)的。其原因有三: (一)領(lǐng)導(dǎo)已重視, 淮南礦務(wù)局領(lǐng)導(dǎo)十分重視煤矸石綜合利用, 計(jì)劃準(zhǔn)備上沸騰然燒—— —發(fā)電、 供熱裝置, 及擬建煤矸石制氯化鋁等化工產(chǎn)品的化工廠, 只要將二者統(tǒng)籌考慮是可行的; (二) 原料適合, 來(lái)源廣泛, 淮南己有三家選煤廠, 每年都要排出大量選矸。 還有些礦井排出的矸石發(fā)熱量也高達(dá) 7.5MJ/ kg, 完全可作為沸騰鍋爐燃燒。 同時(shí), 從我們實(shí)驗(yàn)室對(duì)部分矸石進(jìn)行化學(xué)成分分析和酸浸實(shí)驗(yàn)表明, 其 A1203 含量可達(dá) 32.79%, 浸出率達(dá) 86.6%; (三)工藝成熟, 煤矸石沸騰燃燒發(fā)電, 提取化工產(chǎn)品, 在國(guó)內(nèi)已有大規(guī)模生產(chǎn)裝置, 如煤矸石電廠煤炭系統(tǒng)有幾十家, 淮南也搞過(guò)。從煤矸石生產(chǎn)氯化鋁等化工產(chǎn)品南票礦務(wù)局也有十幾年的生產(chǎn)歷史, 淮南礦務(wù)局科研所曾對(duì)煤矸石制氯化鋁做過(guò)研究, 淮南礦業(yè)學(xué)院化工系, 已對(duì)煤矸石制氯化鋁、 4A分子篩等化工產(chǎn)品做了較深入細(xì)致的工作, 實(shí)驗(yàn)室小試基本結(jié)束, 結(jié)果令人滿意, 中試已完成。 孔集礦正在申請(qǐng)建 4A分子篩廠。
4.2 建立煤矸石生產(chǎn)磚瓦—— —水泥—— —空心砌塊等建材集團(tuán)
煤矸石用作建筑材料, 是其綜合利用中的主要方面。它用量大, 利用徹底；茨厦喉肥u瓦廠, 水泥廠、 具有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模, 但是由于各廠家分散, 聯(lián)系較少, 工程技術(shù)人員總數(shù)少, 又分散在幾十家, 對(duì)各個(gè)廠家來(lái)說(shuō), 技術(shù)力量相當(dāng)薄弱, 因此, 成立建材集團(tuán), 發(fā)揮集團(tuán)優(yōu)勢(shì), 將工程技術(shù)人員集中調(diào)配, 同時(shí)加強(qiáng)科研與科學(xué)管理, 對(duì)各磚瓦廠, 水泥廠使用的矸石樣進(jìn)行化驗(yàn)分析, 根據(jù)其發(fā)熱量及礦物組成進(jìn)行科學(xué)配方, 以提高產(chǎn)品質(zhì)量, 同時(shí), 可以將自燃后的矸石與水泥或沸騰爐渣等生產(chǎn)空心砌塊, 或混凝土砌塊等。目前, 免燒磚在淮南已廣泛地被開(kāi)發(fā)和使用, 節(jié)約了大量的農(nóng)田。
4.3 煤矸石填充廢井、 塌陷區(qū)、 鋪路與造地復(fù)田
淮南礦務(wù)局礦區(qū)已有七、八十年的開(kāi)采歷史, 目前報(bào)廢礦井、 塌陷區(qū)已有多處, 利用煤矸石填充廢井、 塌陷區(qū), 然后在其上面或移去煤矸石的矸石山上面覆一定厚度的表土, 即可植樹、 種莊稼, 這樣不僅解決了當(dāng)前處理煤矸石的難題, 而且還能覆土造地。煤矸石還可以用于熄滅礦火, 如徐州某礦利用煤矸石替代粘土熄滅礦火時(shí), 發(fā)現(xiàn)了意外好處, 即明顯減緩設(shè)備腐蝕現(xiàn)象。
據(jù)報(bào)道, 晉城礦務(wù)局近幾十年對(duì)煤矸石造地復(fù)田進(jìn)行了大量工作, 取得了一些經(jīng)驗(yàn)；茨系V區(qū)東部、 九龍崗、 大通地區(qū), 可以利用煤矸石填充廢井。而蔡家崗地區(qū), 若用發(fā)熱量低的煤矸石填充廢井塌陷區(qū)或鋪路, 既可消滅矸石山, 又可擴(kuò)大耕地, 屆時(shí), 定會(huì)減輕蔡家崗地區(qū)大氣污染, 改變?cè)摰貐^(qū)環(huán)境面貌, 也是一條有效的綜合利用途徑。
總之, 在淮南礦區(qū)煤矸石的利用一直受到有關(guān)方面的重視, 并且取得了一定的成效, 對(duì)煤矸石的綜合利用有待進(jìn)一步挖掘。
參考文獻(xiàn)
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