淮南礦區煤矸石綜合利用與途徑
1 前言
煤炭一直是我國的主要能源, 在國民經濟發展中占有十分重要的地位, 隨著煤炭的開采, 伴隨有大量礦山廢棄物—— —煤矸石。調查表明, 截止 1984 年底, 我國積存的煤矸石量已達 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) , 不僅占去大量農田, 而且污染水源、 空氣, 破壞生態平衡, 給人類帶來災害。如何綜合利用煤矸石, 已是當前人們急需解決的課題之一。淮南作為煤炭能源基地, 煤礦開采已有幾十年歷史, 1977 年底已積存煤矸石 1224 萬噸, 占地 74 萬平方米 ( 1106 畝) , 目前積存煤矸石約有 3000萬噸, 每年新排矸石在 200 多萬噸, 主要集中分布在謝家集、八公山方圓 10 公里之內和新區潘集地區, 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安徽造福淮南的大好事。
本文在對準南礦區煤矸石分析、調研的基礎上, 針對準南礦區煤矸石特點及現有技術水平, 提出了三種綜合利用煤矸石方案, 供參考。
2 淮南礦區煤矸石特點
煤矸石是夾在煤層內的以及煤系地層內的多種巖石的混合物。各礦井的地質條件不同, 因而煤矸石的成分變化較大, 為合理有效利用煤矸石, 應對各礦井的煤矸石進行分析化驗。經化驗得知, 淮南礦區煤矸石灰分(Ad)為 54.5~87.9%, 全硫含量大部分低于 1.0%, 發熱量 (Qgr, ad) 大部分高于 2.0MJ/kg, 一般在 3.3~11.3MJ/kg之間。近期采樣的化學成分分析結果見表 1。
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由表 1 可見淮南礦區煤矸石屬中鋁矸石, 其 K 值(K=SiO2 克分子數/Al203 克分子效)列于表 2。
淮南礦區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、 長石、 菱鐵礦、 黃鐵礦等。
從我院地質系對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, 出現吸熱谷, 在 970C出現放熱峰, 而且在 970C前有一微弱的吸熱谷。說明淮南礦區煤矸石中的高嶺石為極無序或強無序, 結晶度較差, 比表面積大, 反應活性較高, 有利于制取化工產品。
3 淮南礦區煤矸石綜合利用現狀與存在問題
建國以來, 特別是 70 年代, 我國對煤矸石綜合利用進行了大量研究與技術開發, 利用途徑歸納起來主要有以下幾個方面:
( 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: 主要生產磚、 瓦、 水泥等。
( 3)提取化工產品, 如氯化鋁、 明礬以及鎵等化學產品和稀有元素。
( 4)直接分離, 如回收硫鐵礦。
( 5)直接利用, 如鋪路、 充填廢井、 化工填料及農藥、 化肥載體等。
淮南礦區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
目前我國的墻體材料產品中 95%是實心粘土磚, 現在全國有磚瓦企業約 11 萬個, 生產粘土磚多達 7000 億塊, 占地 500 萬畝, 每年耗土量相當于 110 萬畝土地, 實際毀田數十萬畝, 耗能達 7000 多萬 t 標煤, 成為一個破壞耕地、 消耗能源的大戶。為此, 國家制定了一系列限制粘土磚, 發展新型墻體材料的政策。
“十五” 期間, 煤矸石生產新型墻體材料將進入一個高速發展階段, 配合城市限制使用粘土磚和煤礦產業結構的調整, 一些城市和礦區將煤矸石生產新型墻體材料—承重和非承重空心磚作為發展的重點。
前面提到淮南礦區煤矸石屬于粘土巖類, 再加上含有大約 3.0Mj/kg發熱量, 是代替粘土, 生產內燃磚的極好原料。淮南礦區煤矸石制磚始于 60 年代, 70 年代有了大發展, 進入 80 年代后, 制磚工藝又有了改進, 改輪窯等為隧窯。淮南各礦煤矸石制磚廠情況匯于表 3
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3.2 煤矸石生產水泥
正在建設、 發展中的煤、 電、 化城市—— —淮南, 水泥需要量相當大。目前年產 10 萬噸以上水泥廠就有 3 家, 有兩家已用煤矸石代替粘土(或礬土)作為水泥生產摻和料。 用煤矸石作原料生產水泥優點主要有:①代土;②節煤, 因煤矸石易燒性好, 實際熱耗可降低, 若生產特種水泥, 由于煤矸石耗量大, 節煤效果更顯著;③無廢渣, 因用作生產水泥的煤矸中全部灰分均轉變成水泥的有效組分;④提高水泥產量, 由于煤矸石帶入的部分熱量, 加強了生料預熱, 減輕了燒成帶的熱負荷, 加上配煤矸石后物料易燒性好, 燒成溫度亦有所降低, 諸因素均可達到增產之效。
3.3 煤矸石的沸騰燃燒
對于發熱量為 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, 但由于技術等問題, 煤矸石電廠已停止運行。
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生產陶瓷, 淮南陶瓷廠已有多年歷史。 ③生產耐火材料。 ④用作鋪路、充填塌陷區等等。⑤作為化工原料, 制備 4A分子篩, 取代洗衣粉中磷助劑。
4 淮南礦區煤殲石綜合利用途徑
我們從前面的分析與調查研究看出, 淮南礦區煤矸石主要屬于結晶度較差的、 鋁含量中等的粘土巖類, 發熱量在 2~13MJ/kg 范圍內, 并有一些煤矸石加工處理裝置及一定的技術基礎。根據上述特點, 提出三種淮南礦區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—— —發電供熱—— —化工綜合體
由于淮南礦區煤矸石硫含量低, 發展沸騰鍋爐燃燒十分有利。 而低熱值燃料沸騰燃燒又是當前國家計委重點推廣的節能措施之一。 但是, 眾所周知, 由于煤矸石可燃成分較少, 灰分高, 燃燒后的殘渣若不充分利用又會造成二次污染, 影響了沸騰燃燒的推廣應用。為了克服缺點, 我們推薦圖 1 所示的利用模式。
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這種模式能否實現工業化呢?據目前所掌握的資料, 我們認為是完全可以實現的。其原因有三: (一)領導已重視, 淮南礦務局領導十分重視煤矸石綜合利用, 計劃準備上沸騰然燒—— —發電、 供熱裝置, 及擬建煤矸石制氯化鋁等化工產品的化工廠, 只要將二者統籌考慮是可行的; (二) 原料適合, 來源廣泛, 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熱量也高達 7.5MJ/ kg, 完全可作為沸騰鍋爐燃燒。 同時, 從我們實驗室對部分矸石進行化學成分分析和酸浸實驗表明, 其 A1203 含量可達 32.79%, 浸出率達 86.6%; (三)工藝成熟, 煤矸石沸騰燃燒發電, 提取化工產品, 在國內已有大規模生產裝置, 如煤矸石電廠煤炭系統有幾十家, 淮南也搞過。從煤矸石生產氯化鋁等化工產品南票礦務局也有十幾年的生產歷史, 淮南礦務局科研所曾對煤矸石制氯化鋁做過研究, 淮南礦業學院化工系, 已對煤矸石制氯化鋁、 4A分子篩等化工產品做了較深入細致的工作, 實驗室小試基本結束, 結果令人滿意, 中試已完成。 孔集礦正在申請建 4A分子篩廠。
4.2 建立煤矸石生產磚瓦—— —水泥—— —空心砌塊等建材集團
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。淮南煤矸石磚瓦廠, 水泥廠、 具有相當生產規模, 但是由于各廠家分散, 聯系較少, 工程技術人員總數少, 又分散在幾十家, 對各個廠家來說, 技術力量相當薄弱, 因此, 成立建材集團, 發揮集團優勢, 將工程技術人員集中調配, 同時加強科研與科學管理, 對各磚瓦廠, 水泥廠使用的矸石樣進行化驗分析, 根據其發熱量及礦物組成進行科學配方, 以提高產品質量, 同時, 可以將自燃后的矸石與水泥或沸騰爐渣等生產空心砌塊, 或混凝土砌塊等。目前, 免燒磚在淮南已廣泛地被開發和使用, 節約了大量的農田。
4.3 煤矸石填充廢井、 塌陷區、 鋪路與造地復田
淮南礦務局礦區已有七、八十年的開采歷史, 目前報廢礦井、 塌陷區已有多處, 利用煤矸石填充廢井、 塌陷區, 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, 發現了意外好處, 即明顯減緩設備腐蝕現象。
據報道, 晉城礦務局近幾十年對煤矸石造地復田進行了大量工作, 取得了一些經驗。淮南礦區東部、 九龍崗、 大通地區, 可以利用煤矸石填充廢井。而蔡家崗地區, 若用發熱量低的煤矸石填充廢井塌陷區或鋪路, 既可消滅矸石山, 又可擴大耕地, 屆時, 定會減輕蔡家崗地區大氣污染, 改變該地區環境面貌, 也是一條有效的綜合利用途徑。
總之, 在淮南礦區煤矸石的利用一直受到有關方面的重視, 并且取得了一定的成效, 對煤矸石的綜合利用有待進一步挖掘。
參考文獻
[1]明忠.中國煤礦資源的綜合利用[J].世界煤炭技術, 1990 ( 4) : 25
[2]南票礦務局編.綜合利用煤矸石[M].北京: 煤炭工業出版社, 1978
[3]煤矸石磚編寫組.煤矸石磚[M].北京: 煤炭工業出版社 1986
[4]建筑材料學研究院水泥研究所等編著.煤矸石水泥及建筑制品[M].北京: 中國建筑工業出版社, 1982
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