淮南矿区煤矸石综合利用与途径
1 前言
煤炭一直是我国的主要能源, 在国民经济发展中占有十分重要的地位, 随着煤炭的开采, 伴随有大量矿山废弃物—— —煤矸石。调查表明, 截止 1984 年底, 我国积存的煤矸石量已达 1300Mt( 13 亿吨) 以上, 占地约 63.4 平方公里( 95000 亩) , 每年还要排放近 130Mt( 1.3 亿吨) , 不仅占去大量农田, 而且污染水源、 空气, 破坏生态平衡, 给人类带来灾害。如何综合利用煤矸石, 已是当前人们急需解决的课题之一。淮南作为煤炭能源基地, 煤矿开采已有几十年历史, 1977 年底已积存煤矸石 1224 万吨, 占地 74 万平方米 ( 1106 亩) , 目前积存煤矸石约有 3000万吨, 每年新排矸石在 200 多万吨, 主要集中分布在谢家集、八公山方圆 10 公里之内和新区潘集地区, 而且随着新建矿井增加, 排矸量逐年增加, 合理处理和综合利用煤矸石是建设安徽造福淮南的大好事。
本文在对准南矿区煤矸石分析、调研的基础上, 针对准南矿区煤矸石特点及现有技术水平, 提出了三种综合利用煤矸石方案, 供参考。
2 淮南矿区煤矸石特点
煤矸石是夹在煤层内的以及煤系地层内的多种岩石的混合物。各矿井的地质条件不同, 因而煤矸石的成分变化较大, 为合理有效利用煤矸石, 应对各矿井的煤矸石进行分析化验。经化验得知, 淮南矿区煤矸石灰分(Ad)为 54.5~87.9%, 全硫含量大部分低于 1.0%, 发热量 (Qgr, ad) 大部分高于 2.0MJ/kg, 一般在 3.3~11.3MJ/kg之间。近期采样的化学成分分析结果见表 1。
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由表 1 可见淮南矿区煤矸石属中铝矸石, 其 K 值(K=SiO2 克分子数/Al203 克分子效)列于表 2。
淮南矿区煤矸石中以粘土岩为主, 矿物成分除高岭石、 蒙脱石、 水云母外, 还有少量石英、 长石、 菱铁矿、 黄铁矿等。
从我院地质系对淮南潘集十三煤底板高岭石型粘土岩的研究可知, 高岭石含量为 60%, 其差热曲线在 529C, 出现吸热谷, 在 970C出现放热峰, 而且在 970C前有一微弱的吸热谷。说明淮南矿区煤矸石中的高岭石为极无序或强无序, 结晶度较差, 比表面积大, 反应活性较高, 有利于制取化工产品。
3 淮南矿区煤矸石综合利用现状与存在问题
建国以来, 特别是 70 年代, 我国对煤矸石综合利用进行了大量研究与技术开发, 利用途径归纳起来主要有以下几个方面:
( 1)作为能源, 主要有煤矸石造气和沸腾燃烧锅炉。
( 2)作为建筑材料: 主要生产砖、 瓦、 水泥等。
( 3)提取化工产品, 如氯化铝、 明矾以及镓等化学产品和稀有元素。
( 4)直接分离, 如回收硫铁矿。
( 5)直接利用, 如铺路、 充填废井、 化工填料及农药、 化肥载体等。
淮南矿区煤矸石综合利用也做了不少工作, 下面加以介绍。
3.1 煤矸石制砖
目前我国的墙体材料产品中 95%是实心粘土砖, 现在全国有砖瓦企业约 11 万个, 生产粘土砖多达 7000 亿块, 占地 500 万亩, 每年耗土量相当于 110 万亩土地, 实际毁田数十万亩, 耗能达 7000 多万 t 标煤, 成为一个破坏耕地、 消耗能源的大户。为此, 国家制定了一系列限制粘土砖, 发展新型墙体材料的政策。
“十五” 期间, 煤矸石生产新型墙体材料将进入一个高速发展阶段, 配合城市限制使用粘土砖和煤矿产业结构的调整, 一些城市和矿区将煤矸石生产新型墙体材料—承重和非承重空心砖作为发展的重点。
前面提到淮南矿区煤矸石属于粘土岩类, 再加上含有大约 3.0Mj/kg发热量, 是代替粘土, 生产内燃砖的极好原料。淮南矿区煤矸石制砖始于 60 年代, 70 年代有了大发展, 进入 80 年代后, 制砖工艺又有了改进, 改轮窑等为隧窑。淮南各矿煤矸石制砖厂情况汇于表 3
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3.2 煤矸石生产水泥
正在建设、 发展中的煤、 电、 化城市—— —淮南, 水泥需要量相当大。目前年产 10 万吨以上水泥厂就有 3 家, 有两家已用煤矸石代替粘土(或矾土)作为水泥生产掺和料。 用煤矸石作原料生产水泥优点主要有:①代土;②节煤, 因煤矸石易烧性好, 实际热耗可降低, 若生产特种水泥, 由于煤矸石耗量大, 节煤效果更显著;③无废渣, 因用作生产水泥的煤矸中全部灰分均转变成水泥的有效组分;④提高水泥产量, 由于煤矸石带入的部分热量, 加强了生料预热, 减轻了烧成带的热负荷, 加上配煤矸石后物料易烧性好, 烧成温度亦有所降低, 诸因素均可达到增产之效。
3.3 煤矸石的沸腾燃烧
对于发热量为 8.0MJ/kg左右煤矸石是沸腾燃烧的良好燃料, 在 70 年代后期, 淮南亦建成了煤矸石电厂, 和煤矸石沸腾锅炉, 取得了一些成绩, 但由于技术等问题, 煤矸石电厂已停止运行。
3.4 其他
淮南煤矸石利用除了上述之外, 目前利用范围有:①利用自燃后的矸石替代黄沙, 如谢三矿将自燃后矸石筛选, 破碎替代黄沙。 ②生产陶瓷, 淮南陶瓷厂已有多年历史。 ③生产耐火材料。 ④用作铺路、充填塌陷区等等。⑤作为化工原料, 制备 4A分子筛, 取代洗衣粉中磷助剂。
4 淮南矿区煤歼石综合利用途径
我们从前面的分析与调查研究看出, 淮南矿区煤矸石主要属于结晶度较差的、 铝含量中等的粘土岩类, 发热量在 2~13MJ/kg 范围内, 并有一些煤矸石加工处理装置及一定的技术基础。根据上述特点, 提出三种淮南矿区煤矸石综合利用途径的模式, 供大家商讨。
4.1 建立煤矸石沸腾燃烧—— —发电供热—— —化工综合体
由于淮南矿区煤矸石硫含量低, 发展沸腾锅炉燃烧十分有利。 而低热值燃料沸腾燃烧又是当前国家计委重点推广的节能措施之一。 但是, 众所周知, 由于煤矸石可燃成分较少, 灰分高, 燃烧后的残渣若不充分利用又会造成二次污染, 影响了沸腾燃烧的推广应用。为了克服缺点, 我们推荐图 1 所示的利用模式。
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这种模式能否实现工业化呢?据目前所掌握的资料, 我们认为是完全可以实现的。其原因有三: (一)领导已重视, 淮南矿务局领导十分重视煤矸石综合利用, 计划准备上沸腾然烧—— —发电、 供热装置, 及拟建煤矸石制氯化铝等化工产品的化工厂, 只要将二者统筹考虑是可行的; (二) 原料适合, 来源广泛, 淮南己有三家选煤厂, 每年都要排出大量选矸。 还有些矿井排出的矸石发热量也高达 7.5MJ/ kg, 完全可作为沸腾锅炉燃烧。 同时, 从我们实验室对部分矸石进行化学成分分析和酸浸实验表明, 其 A1203 含量可达 32.79%, 浸出率达 86.6%; (三)工艺成熟, 煤矸石沸腾燃烧发电, 提取化工产品, 在国内已有大规模生产装置, 如煤矸石电厂煤炭系统有几十家, 淮南也搞过。从煤矸石生产氯化铝等化工产品南票矿务局也有十几年的生产历史, 淮南矿务局科研所曾对煤矸石制氯化铝做过研究, 淮南矿业学院化工系, 已对煤矸石制氯化铝、 4A分子筛等化工产品做了较深入细致的工作, 实验室小试基本结束, 结果令人满意, 中试已完成。 孔集矿正在申请建 4A分子筛厂。
4.2 建立煤矸石生产砖瓦—— —水泥—— —空心砌块等建材集团
煤矸石用作建筑材料, 是其综合利用中的主要方面。它用量大, 利用彻底。淮南煤矸石砖瓦厂, 水泥厂、 具有相当生产规模, 但是由于各厂家分散, 联系较少, 工程技术人员总数少, 又分散在几十家, 对各个厂家来说, 技术力量相当薄弱, 因此, 成立建材集团, 发挥集团优势, 将工程技术人员集中调配, 同时加强科研与科学管理, 对各砖瓦厂, 水泥厂使用的矸石样进行化验分析, 根据其发热量及矿物组成进行科学配方, 以提高产品质量, 同时, 可以将自燃后的矸石与水泥或沸腾炉渣等生产空心砌块, 或混凝土砌块等。目前, 免烧砖在淮南已广泛地被开发和使用, 节约了大量的农田。
4.3 煤矸石填充废井、 塌陷区、 铺路与造地复田
淮南矿务局矿区已有七、八十年的开采历史, 目前报废矿井、 塌陷区已有多处, 利用煤矸石填充废井、 塌陷区, 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, 即可植树、 种庄稼, 这样不仅解决了当前处理煤矸石的难题, 而且还能覆土造地。煤矸石还可以用于熄灭矿火, 如徐州某矿利用煤矸石替代粘土熄灭矿火时, 发现了意外好处, 即明显减缓设备腐蚀现象。
据报道, 晋城矿务局近几十年对煤矸石造地复田进行了大量工作, 取得了一些经验。淮南矿区东部、 九龙岗、 大通地区, 可以利用煤矸石填充废井。而蔡家岗地区, 若用发热量低的煤矸石填充废井塌陷区或铺路, 既可消灭矸石山, 又可扩大耕地, 届时, 定会减轻蔡家岗地区大气污染, 改变该地区环境面貌, 也是一条有效的综合利用途径。
总之, 在淮南矿区煤矸石的利用一直受到有关方面的重视, 并且取得了一定的成效, 对煤矸石的综合利用有待进一步挖掘。
参考文献
[1]明忠.中国煤矿资源的综合利用[J].世界煤炭技术, 1990 ( 4) : 25
[2]南票矿务局编.综合利用煤矸石[M].北京: 煤炭工业出版社, 1978
[3]煤矸石砖编写组.煤矸石砖[M].北京: 煤炭工业出版社 1986
[4]建筑材料学研究院水泥研究所等编著.煤矸石水泥及建筑制品[M].北京: 中国建筑工业出版社, 1982
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