煤矸石的資源化利用途徑

煤矸石的資源化利用途徑姓名：趙娟娟班級：環(huán)境科學(xué)11301班學(xué)號：1314290409摘要：煤矸石是煤炭開采，洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，也是可利用的資源，具有雙重性。若將其作為廢棄物堆放處理，不僅要占用大量的土地，而且因其含硫，在自燃、風(fēng)化時還會嚴(yán)重污染環(huán)境。因此研究煤矸石的資源化利用途徑十分重要。關(guān)鍵字：固體廢物資源化煤矸石理化性質(zhì)國內(nèi)外研究前景1煤矸石的主要來源①露天剝離以及井筒和巷道掘進(jìn)過程中開鑿排出的矸石；②巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石，采掘過程中從頂板、底板及夾層中采出的矸石；③煤炭洗選過程中排出的矸石；④發(fā)熱量很低的劣質(zhì)煤炭。2煤矸石的理化特性煤矸石是與煤伴生的灰分高、發(fā)熱量低的碳質(zhì)巖，是無機質(zhì)和少量有機質(zhì)組成的混合物。煤矸石的物理化學(xué)性能是評價矸石活性、決定其利用技術(shù)途徑的重要指標(biāo)。2.1物理特性（1） 煤矸石的顏色，煤矸石的顏色取決于煤矸石在煤層中的分布與煤矸石礦物中可變成分（碳）的含量，越靠近煤層，含碳量越高，故煤矸石多呈現(xiàn)灰色、灰褐色或褐黑色，條痕為棕褐色、淺褐色，風(fēng)化后變成淺灰色，灼燒或自燃后因有機質(zhì)揮發(fā)呈現(xiàn)白色、灰白色或黃白色，如果煤矸石中鐵含量較高，將呈現(xiàn)黃色，或帶紅色。煤矸石粉碎機價格和煤矸石的顏色在一定程度上決定了煤矸石的綜合利用技術(shù)途徑，如涂料、橡膠領(lǐng)域中用煅燒高嶺石填料，是要提高煅燒煤矸石的白度，煤矸石中氧化鐵、氧化鈦以及鈣、鈉、鉀的氧化物含量越低，越有利于提高煤矸石的白度與耐火度。（2） 煤矸石的力學(xué)性能煤矸石的巖石種類是與煤層相聯(lián)系的，煤矸石中出現(xiàn)的巖石是泥巖、粉砂巖、頁巖和砂巖等。煤矸石粉碎機對這些巖石的硬度及其風(fēng)化程度決定了煤矸石的力學(xué)性能。煤矸石的硬度在3左右，煤矸石風(fēng)化程度越嚴(yán)重，巖石的力學(xué)性能越低，煤矸石的力學(xué)性能（抗壓強度）也越低，抗壓強度范圍為300?4700Pa。煤矸石的力學(xué)性能高低決定了煤矸石是否能夠作為混凝土骨料使用。有研究表明粒徑不小于5mm的自燃煤矸石的松散容重在1040~1090kg/m3，筒壓強度在49~74kgf/cm2(1kgf/cm2=98.0665kPa),是良好的混凝土粗骨料。煤矸石的堆積密度煤矸石堆積密度為1200~1800kg/m3,自燃煤矸石堆積密度為900?300kg/m3,通常情況自燃煤矸石堆積密度低于煤矸石，原因是煤矸石經(jīng)過自燃后結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率較高。煤矸石的密度介于2100?2900kg/m3之間。2.2化學(xué)特性煤矸石以常量元素為主，兼含多種微量元素，各種松散伴生元素含量極低，屬痕量元素。化學(xué)成分一般是由無機化合物(礦巖)轉(zhuǎn)變成氧化物組成。1.2煤矸石的組成比較復(fù)雜，主要是由碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等巖石和黏土組成的混合物。根據(jù)礦物成分的不同，一般可以將煤矸石分為4類：粘土類、砂巖類、碳酸鹽類和鋁質(zhì)巖類。粘土類礦物主要有高嶺土、蒙脫石、碳質(zhì)頁巖、石英、長石云母等，其次還有大量的硫鐵礦；砂巖類礦物多為石英石、長石、云母、植物化石和菱鐵礦等；碳酸鹽類礦物主要有方解石、白云石、磷鐵礦、硫鐵礦、有機硫等；鋁質(zhì)巖類均含有三水鋁礦、一水軟鋁石、一水硬鋁石、石英、褐鐵礦、白云母、方解石等。3國內(nèi)外煤矸石研究利用情況3.1國外煤矸石利用概況全球資源環(huán)境狀況日益嚴(yán)峻，國際上煤矸石利用最早始于二戰(zhàn)前，到20世紀(jì)60年代后期才真正引起各國重視，德國等發(fā)達(dá)國家最早制定計劃鼓勵對煤矸石的利用。截至目前為止在眾多研究中最成功的方法是生物復(fù)田，復(fù)田造地是徹底消除煤矸石污染的根本方法，在國外已實施多年，效果相當(dāng)顯著。生物復(fù)田首先在美國和匈牙利研究成功，目前這項技術(shù)已向全世界推廣。其中英國的青野露天礦對復(fù)田造地實施較為長久，也卓有成效，前蘇聯(lián)在此也有相應(yīng)的成功利用。國外對煤矸石的重視與利用都比較多，煤矸石國外利用最普遍的方法是做建材。法國在這方面做得較為出色，前蘇聯(lián)綜合利用煤矸石的主要方式是提取稀散元素，提煉氧化鋁，利用煤矸石火燒巖生產(chǎn)建筑材料或者土壤添加劑。波蘭、比利時等國用煤矸石生產(chǎn)輕骨料，曾用煤矸石磨細(xì)進(jìn)行水泥生產(chǎn)過程中的燃料，以及利用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)陶粒。日本從1963年開始對北海道、常磐地區(qū)堆積的煤矸石進(jìn)行了實態(tài)調(diào)查，利用它制成輕骨料，在混凝土中進(jìn)行了應(yīng)用試驗。在英國利用煤矸石較早，修造飛機起落場和海岸堤。世界各煤炭生產(chǎn)國都在不斷發(fā)展與加深煤矸石的綜合利用。美、英、德、法等國的煤矸石、高爐渣及粉煤灰都得以利用，其他一些國家，如丹麥、匈牙利等國建立了煤矸石、沸騰爐渣、粉煤灰生產(chǎn)建材工廠。波、比、俄、日等國采用煤矸石代替部分黏土生產(chǎn)水泥原料，取得了節(jié)煤、降低成本等效果。前西德化學(xué)工業(yè)協(xié)會倡導(dǎo)了“廢物交換”制度并得到迅速發(fā)展，其與荷蘭、奧地利、盧森堡、比利時等簽訂了合作協(xié)定，北歐的瑞典及挪威等國，也建立了煤矸石等廢物互換及技術(shù)交流組織。目前許多國家將這一組織形式作為成功經(jīng)驗推廣，并取得了國際合作。3.2國內(nèi)煤矸石利用概況中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，隨著經(jīng)濟的飛速復(fù)蘇，尤其是近十幾年來地礦行業(yè)跨越式發(fā)展，在煤炭開采和生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生了大量的廢棄物-煤矸石，長期堆積不僅浪費土地資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。對其綜合利用既保護環(huán)境，又可以實現(xiàn)變廢為寶。20世紀(jì)中期我國就開始利用煤矸石，但在當(dāng)時還沒有將其作為一種資源，綜合利用開發(fā)從20世紀(jì)70年代后期才逐漸興起，通過社會的呼吁以及多方研究的努力，如今取得了一定的經(jīng)驗和成果，陸續(xù)興辦起煤矸石電廠、水泥廠、陶瓷廠、磚瓦廠等綜合利用項目及工程，己經(jīng)有了比較成熟的經(jīng)驗。煤矸石綜合利用途徑受鋁硅比值、碳硫含量等因素的影響而異，研究表明：高嶺石質(zhì)煤矸石含豐富鋁資源和大量高嶺土等可利用的其他礦物組分，被稱為具有綜合利用價值的“可再生資源”。此種煤矸石通過粉碎研磨、表面改性等深加工，可生產(chǎn)有機高分子聚合物填料，取代或部分取代昂貴的炭黑，作為橡膠的補強填充劑；硅質(zhì)煤矸石中Si、C相對合理混合，而且比例也較好，具有合成SiC等天然物質(zhì)組成和微細(xì)顆?；旌蠗l件，因此可將其應(yīng)用到SiCH業(yè)生產(chǎn)中，實現(xiàn)硅質(zhì)煤矸石合成SiC，以及制成陶瓷材料。我國煤矸石利用己有20多年歷史，可其資源化以及綜合化利用才剛開始。近年來全國煤矸石產(chǎn)生及利用情況基本實現(xiàn)了由儲向用為主的轉(zhuǎn)變，逐步形成了一整套具有中國特色的廢物資源化理論和技術(shù)。同時，也在不斷發(fā)展高科技化、大附加值的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。4煤矸石資源化再利用途徑用于生產(chǎn)建材制品。早在20世紀(jì)80年代，我國就開始了煤矸石的建筑材料利用研究，如生產(chǎn)水泥、制作矸石磚等,并取得了一定的成果。目前，利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料已成為煤矸石最大的利用途徑。煤矸石和粘土的化學(xué)成分相近，一般含SiO2(40%?60%)、Al2O3(15%?30%)以及CaO、Fe2O3等可代替粘土提供硅質(zhì)和鋁質(zhì)成分。同時，還可利用煤矸石所提供的熱量來代替部分燃料，因此可以作為水泥生產(chǎn)的原燃料。用作水泥原燃料的煤矸石其生產(chǎn)工藝過程與生產(chǎn)普通水泥基本相同：將原燃料按一定比例配合,磨細(xì)成生料,燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的熟料，再加入適量石膏和混合材料,磨成細(xì)粉而制成水泥。因煤矸石經(jīng)自燃或人工煅燒后具有一定活性，可摻入水泥中作活性混合材，與熟料和石膏按比例配合后入水泥磨磨細(xì)。煤矸石的摻入量取決于水泥的品種和標(biāo)號，在水泥熟料中摻入15%的煤矸石，可制得325#?425#普通硅酸鹽水泥，摻量超過20%時，按國家規(guī)定為火山灰硅酸鹽水泥;利用煤矸石制磚，主要包括生產(chǎn)燒結(jié)磚和做燒磚混合燃料，生產(chǎn)煤矸石燒結(jié)磚的工藝與粘土制磚基本相似，只是增加了煤矸石的破碎工序煤矸石磚以煤矸石為主要原料，一般占坯料質(zhì)量的80%以上，有的全部以煤矸石為原料，有的外摻少量粘土。煤矸石經(jīng)破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、焙燒制成煤矸石磚。焙燒時基本上無需再外加燃料。利用煤矸石制備水泥和燒結(jié)磚技術(shù)要求低，工藝操作簡單，經(jīng)濟效益高，是煤矸石建材化利用的兩種重要途徑，既可減輕煤矸石對土地的侵占和對生態(tài)環(huán)境的二次污染，又可節(jié)約大量粘土、石灰石資源以及一定量的煤炭資源，同時也滿足了高速發(fā)展的基礎(chǔ)建設(shè)對建材的需求，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。因此，利用煤矸石生產(chǎn)水泥和燒結(jié)磚已成為消除各礦區(qū)矸石山，減少煤矸石累積的重要舉措。利用煤矸石供熱發(fā)電。煤矸石含一定數(shù)量的固定碳和揮發(fā)分，一般燒失量在10%?30%,發(fā)熱量達(dá)45?12.55MJ/kg。因此，以其為低熱值燃料進(jìn)行供熱發(fā)電，不僅可緩解礦區(qū)能源緊張的局面，產(chǎn)生的爐渣還可以制造各種建材，從而可達(dá)到調(diào)整礦區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，節(jié)約能源，減少污染的目的。截止2005年，全國共有煤矸石、煤泥發(fā)電廠190余個，發(fā)電量占礦區(qū)用電的30%以上，每年發(fā)電消耗煤矸石約2000余萬t。用于建筑工程煤矸石內(nèi)所含可燃物質(zhì)和菱鐵礦在焙燒過程中析出氣體起膨脹作用，同時其中又含有大量硅鋁物質(zhì)，因此是生產(chǎn)輕骨料的理想材料。用這種輕骨料配制的輕質(zhì)混凝土質(zhì)量輕、吸水率低、強度高、保溫性能好，可用于建造大垮度橋梁和高層建筑物。用它作鋼筋混凝土樓板,在配筋相同的情況下，跨度可由4m增至7m,保溫和防火性能也有改善，造價可降低10%。用作填筑材料。煤矸石作填筑材料主要是指充填溝谷、采煤塌陷區(qū)等低洼區(qū)的建筑工程用地,或用于填筑鐵路、公路路基等，以及用于回填煤礦采空區(qū)及廢棄礦井。可利用煤矸石充填采煤塌陷區(qū)和露天礦坑復(fù)墾造地造田，復(fù)墾種植技術(shù)。對處于開發(fā)早期，尚未形成大面積沉陷區(qū)或未終止沉降形成塌陷穩(wěn)定區(qū)的礦區(qū)，可采用預(yù)排矸復(fù)墾。應(yīng)推廣利用煤矸石充填溝谷等低洼地作建筑工程用地、筑路等工程填筑技術(shù)。矸石復(fù)墾土地作為建筑用地時，應(yīng)采用分層回填，分層震壓方法充填矸石，以獲得較高的地基承載能力和穩(wěn)定性。利用煤矸石作為復(fù)墾采煤塌陷區(qū)的充填材料，既可使采煤破壞的土地得到恢復(fù)，又可減少煤矸石占地,減少煤矸石對環(huán)境的污染。用于生產(chǎn)農(nóng)肥及改良土壤。以煤矸石和廉價的磷礦粉為原料基質(zhì)，外加添加劑等，可制成煤矸石微生物肥料，這種肥料可作為主施肥應(yīng)用于種植業(yè)。作為微生物肥料載體的煤矸石，要求是：灰分W85%,水分＜2%,全汞含量W3mg/kg,全碑含量W30mg/kg,全鉛含量W100mg/kg,全鎘含量W3mg/kg,全鉻含量W150mg/kg；煤矸石中的有機質(zhì)含量越高越好。磷礦粉的全磷含量應(yīng)＞25%。此外，利用煤矸石的酸堿性及其中含有的多種微量元素和營養(yǎng)成分，還可將其用于改良土壤,調(diào)節(jié)土壤的酸堿度和疏松度，并可增加土壤的肥效。具體實施時，要查明土壤的化學(xué)成分和性質(zhì)，并在其中摻入一些有機肥料。其他再利用途徑。我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，許多礦床多為復(fù)合性、伴生礦。煤矸石中常含有大量的有益礦物[6],因此，可通過對煤矸石中礦物的回收制備化工原料。對于含硫量大于6%的煤矸石(尤其是洗矸)，如果其中的硫是以黃鐵礦的形式存在,且呈結(jié)核狀或團塊狀，則可采用洗選的方法回收其中的硫精礦。粗選設(shè)備主要是跳汰機、旋流器等，精選設(shè)備有搖床等。選出硫精礦后的尾礦可用作制磚和水泥的原料。對于煤矸石中的大塊硫鐵礦石,也可采用手選回收。對于煤矸石中含硫量較高的礦區(qū)，在開采煤炭時，應(yīng)在可能的條件下，將高硫煤矸石與煤及其他矸石進(jìn)行分采、分運、分貯;利用煤矸石中含有的大量煤系高嶺巖，可制取氯化鋁、聚合氯化鋁、氫氧化鋁及硫酸鋁。對煤矸石原料的一般要求是：高嶺石含量在80%以上,SiO2含量為30%?50%,Al2O3含量在25%以上,Al/Si大于0.68,Al2O3浸出率大于75%,Fe2O3小于15%、氧化鈣及氧化鎂的含量均小于0.5%。在進(jìn)行提取時應(yīng)創(chuàng)造條件對這類煤系高嶺巖與煤層進(jìn)行分采、分運，或從煤矸石中分選出來。利用酸溶-鹽基度調(diào)整法、酸溶-結(jié)晶氯化鋁法，可制得聚合氯化鋁、氯化鋁、氫氧化鋁以及副產(chǎn)品白炭黑、水玻璃等。5存在問題與應(yīng)用前景資源枯竭和環(huán)境污染是煤炭工業(yè)面臨的兩大挑戰(zhàn)，而煤系固體廢棄物的資源化再利用，一方面可緩解資源枯竭所帶來的經(jīng)濟壓力，另一方面可解決煤系固體廢棄物堆積引起的次生環(huán)境問題。但我國在煤系固體廢棄物資源化再利用方面還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：①以煤為主要能源的電力工業(yè)的發(fā)展對煤系固體廢棄物的利用開發(fā)重視程度不夠，資源化再利用水平相對落后；②對煤系固體廢棄物資源化再利用的基礎(chǔ)研究薄弱，目前利用水平還僅限于一些技術(shù)含量低的產(chǎn)品,對高附加值的研究基礎(chǔ)薄弱;③地區(qū)發(fā)展不均衡，在能源相對短缺的華東、西南地區(qū)，煤系固體廢棄物資源化再利用發(fā)展較快，而在煤炭資源相對豐富的地區(qū)，煤系固體廢棄物資源化再利用發(fā)展較慢。煤系固體廢棄物資源化再利用應(yīng)大宗量利用為重點，將煤矸石發(fā)電、粉煤灰煤矸石建材及制品、復(fù)墾回填等大宗量利用煤系固體廢棄物技術(shù)作為主攻方向，積極發(fā)展高科技含量、高附加值的綜合利用技術(shù)和