1 前言

煤炭一直是我國的主要能源, 在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)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(diào)查表明, 截止 1984 年底, 我國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(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)安徽造福淮南的大好事。

本文在對準(zhǔn)南礦區(qū)煤矸石分析、調(diào)研的基礎(chǔ)上, 針對準(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)果見表 1。

由表 1 可見淮南礦區(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、 長石、 菱鐵礦、 黃鐵礦等。

從我院地質(zhì)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(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。說明淮南礦區(qū)煤矸石中的高嶺石為極無序或強(qiáng)無序, 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)狀與存在問題

建國以來, 特別是 70 年代, 我國對煤矸石綜合利用進(jìn)行了大量研究與技術(shù)開發(fā), 利用途徑歸納起來主要有以下幾個(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

目前我國的墻體材料產(chǎn)品中 95%是實(shí)心粘土磚, 現(xiàn)在全國有磚瓦企業(yè)約 11 萬個(gè), 生產(chǎn)粘土磚多達(dá) 7000 億塊, 占地 500 萬畝, 每年耗土量相當(dāng)于 110 萬畝土地, 實(shí)際毀田數(shù)十萬畝, 耗能達(dá) 7000 多萬 t 標(biāo)煤, 成為一個(gè)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(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

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, 但由于技術(shù)等問題, 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。

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。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)局科研所曾對煤矸石制氯化鋁做過研究, 淮南礦業(yè)學(xué)院化工系, 已對煤矸石制氯化鋁、 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。淮南煤矸石磚瓦廠, 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, 對各個(gè)廠家來說, 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, 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, 改變該地區(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, 對煤矸石的綜合利用有待進(jìn)一步挖掘。

參考文獻(xiàn)

[1]明忠.中國煤礦資源的綜合利用[J].世界煤炭技術(shù), 1990 ( 4) : 25

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[3]煤矸石磚編寫組.煤矸石磚[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社 1986

[4]建筑材料學(xué)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(yè)出版社, 1982

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