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煤矸石的经济效益和社会效益,你能想到吗?
浏览: 发布日期:2019-04-10

一、煤矸石及其分类

1、什么是煤矸石?煤矸石综合利用指什么?

煤矸石:是在煤矿建井、开拓掘进、采煤和洗选煤过程中产生的干基灰分>50%的岩石。是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。

煤矸石综合利用:是指利用煤矸石进行井下充填、发电、生产建筑材料、回收矿产品、制取化工产品、筑路、土地复垦等方面。

2、煤矸石排放量

2015年我国煤炭产量占世界煤炭消费量的一半,煤矸石相占煤炭产量的10%-15%。2015年煤矸石排放总量达到7.76亿吨、综合利用量4.8亿吨计,每年约新产生2.7亿吨-3.5亿吨煤矸石。据统计,我国煤矸石已累计堆存50亿吨以上。

3、煤矸石对环境的影响

煤矸石在运输、堆放过程中会产生扬尘;煤矸石自燃排放的有害气体;煤矸石对水体环境的影响主要有物理污染和化学污染二种情况;煤矸石堆积侵占大量耕地、林地;煤矸石的堆积可引起泥石流、坍塌、滑坡和地面塌陷等重力灾害。

4、煤矸石的分类

国家标准(GB/T29162-2012)规定煤矸石分类名称的冠名顺序以全硫含量、灰分产率、灰成分分类依次排列。其编码为XXX或者XXX(X)。

▼按全硫含量分类

▼按灰分产率分类

▼按灰成分分类

二、煤矸石的理化特性1、煤矸石的化学组成

煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物。

无机质主要为矿物质和水,构成矿物质成分的元素多达数十种之多,一般以SiO2、A12O3为主要成分,另外含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O3等无机物,以及微量的稀有金属(如钛、钒、钴等)。

有机质随含煤量的增加而增高,它主要包括碳、氢、氧、氮和硫等。

我国煤矸石的主要化学成分一般以SiO2和A12O3为主,SiO2的含量一般在40%~60%之间,但也有极少达80%以上。A12O3含量波动在15%~40%之间,但在高岭土和铝质岩为主的煤矸石中可达40%以上。矸石中CaO含量一般都很低,只有少数矿的矸石可当为石灰石利用,Fe2O3含量绝大部分<10%。

2、煤矸石的矿物组成

煤矸石中主要矿物成分有高岭石、伊利石(水云母)、绿泥石、蒙脱石、多水高岭石、地开石、海泡石、白云母、黑云母、长石(钾长石、斜长石)、石英、蛋白石、方解石、白云石、菱铁矿、菱镁矿、黄铁矿、赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铝土矿及微量元素等。

▼不同国家煤矸石的矿物组成

▼我国部分地区典型煤矸石矿物组成

与世界其他国家相比,我国煤矸石中高岭石含量(10%~67%)丰富,石英含量中等(15%~35%)。

高岭石活性易于激发,为其进一步资源化利用提供了便利。

3、煤矸石的物理性质

(1)力学性能

岩石的风化程度和硬度决定了煤矸石的力学性能,岩石的风化愈重,岩石的力学性质愈差;反映在粒度上,粒度越大,强度越大,这是由于强度高的岩石(如砂岩)不易破碎,保持较大的粒度,而强度较低的页岩、粘土岩易破碎,保持较小的粒度。

煤矸石的强度变化范围很大,抗压强度在30~470kg/m²之间。

(2)密度和堆积密度

煤矸石密度在2100kg/m³~2900kg/m³之间,堆积密度在1200kg/m³~1800kg/m³;自燃煤矸石堆积密度在1300kg/m³~900kg/m³范围。

(3)吸水率和塑性指数

煤矸石吸水率在2.0%~6.0%范围,塑性指数3.0~15.0。自燃煤矸石吸水率在3.0%~11.60%范围。

(4)多孔性

自燃煤矸石比未自燃煤矸石具有更多的孔隙,且孔隙结构十分复杂,孔径大小变化幅度较大。

4、煤矸石的燃烧特性

煤矸石的燃烧过程是从挥发分的着火燃烧开始的,挥发分的析出过程制约着煤矸石的燃烧过程。煤矸石挥发分析出过程就是热分解反应过程,具有热分解反应过程的基本特征,主要受化学动力控制。

煤矸石中挥发分含量越高,燃烧越剧烈,且由于挥发分的燃烧占主要地位,其综合燃烧性能越好;煤矸石的挥发分含量比较高,固定碳含量小,其后期燃烧性能比较好,比较容易燃尽。

燃烧放热分为两个阶段:在燃烧前期,挥发分剧烈燃烧,有明显的放热峰,燃烧后期没有明显的放热峰;煤矸石在燃烧低温段(约700℃以下)的反应级数为1.5左右,活化能较低,在高温段(约700℃以上)反应级数为2.0左右,活化能较高。

三、国内煤矸石综合利用现状

▲煤矸石资源再利用途径

(1)能源领域

我国煤矸石发电的历史始于20世纪70年代,四川永荣矿务局和江西萍乡矿务局首先开展煤矸石发电的工业化试验。

2013年,国内煤矸石等低热值燃料发电机组总装机容量达2800万kW,单机容量从6-300兆瓦等级都有,年利用煤矸石1.4亿吨,年发电量1600亿kW·h。

煤矸石发电企业也面临着两个挑战,一是发电企业大都处于微利运行状态,企业经济效益有待提高;二是发电企业着锅炉渣和飞灰处理、烟尘监测与控制技术难度高等巨大环保压力。

(2)建材领域

包括生产煤矸石砖、代替粘土生产水泥、制备陶瓷、作混凝土轻骨料等。

我国自20世纪60年代就在四川、辽宁等地开展了煤矸石制砖的工业化试验,1964年,四川永荣矿务局建成国内第一座利用煤矸石为原料的砖厂。2012年达到年生产6亿块标砖的生产能力,每年消耗煤矸石约190万吨。我国全煤矸石烧结砖技术装备也达到国际先进水平。免烧砖、砌块有了长足发展。

煤矸石用于代替黏土作为生产水泥的原料,在实际生产中的掺加量仍然很低。国内外在煤矸石生产水泥方面仍停留在如何充分激发煤矸石的水泥化活性以提高其掺加量等应用开发阶段。

▲煤矸石烧结砖

▲煤矸石砌块

▲煤矸石陶粒

(3)工程填料

包括煤矸石筑路、造地复垦、回填采空区和塌陷区等。煤矸石筑路、回填等方面的利用也是煤矸石综合利用的重要途径之一。

安徽省在该方面开展较早。如1973年,淮北矿务局张庄煤矿和朱庄煤矿利用煤矸石充填塌陷区造地,并在其上建起职工住宅。

2011年我国充填采空区、塌陷区、筑基修路、土地复垦等利用煤矸石达到2.15亿吨。

煤矸石用作工程填料不需要增加成本、且用量大,给煤矿带来较好的经济效率,缺点是粗放利用,不能很好实现资源综合有效利用。

▲煤矸石山作为路基材料

▲煤矸石山造地复垦

▲修复后的常村煤矿煤矸石山

(4)化工产品领域

煤矸石中含有多种元素,特别是稀有元素,其化学成分中含量最高的是SiO2和Al2O3。煤矸石化工用途主要有三类:一是通过各种不同的方法提取煤矸石中的某一种稀有元素,如Ga、Se、Ti、Co等;二是回收煤矸石中的有益矿产品,如高岭土、硫铁矿等;三是生产含硅、铝、硫等无机化工产品,如合成碳化硅、制备分子筛、制取白炭黑、聚合氧化铝、硅铝铁合金等。

用煤矸石生产化工产品可解决传统技术不足,使其资源化再利用,是煤矸石重要的高值化利用的途径。

▲煤系高岭石

▲煤矸石制备的沸石

▲硅酸铝(陶瓷)耐火纤维针刺毯

(5)农业领域

利用煤矸石生产有机复合肥、微生物肥料或土壤改良剂。

采用煤矸石制肥,主要是根据煤矸石含有较丰富的有机碳(有机质),施入土壤后,可使土壤中的有机质含量大大增加。同时,作为煤矸石肥料主要原料的煤矸石本身含有丰富的微量元素,特别是农作物生长所必须的Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素,这就保证了农作物生长期过程中对微量元素的需要。

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