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煤矸石的分级分质技术研究

发布时间:2020-12-12  作者:恒安

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煤矸石的分级分质技术研究

姚永建1,张辉2,黄建军2,孟凡军2,纪世博1,王娣1,任大亨1,舒新前1

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院;2.淮北新宇工贸有限责任公司)

我国国民经济经过过去40年的高速发展,各种资源尤其是矿产资源消耗极大,许多矿产资源不得不大量进口,对外依存度严重。2017年,我国进口铁矿石https://www.titan-biz.com亿t,对外依存度超过70%;进口铝土矿6855万t,对外依存度超过50%。与此同时,多种工业固体废弃物大量排放和堆存,尤其是煤矸石的堆存量十分巨大。据《中国资源综合利用年度报告(2014)》中数据显示,2013年我国煤矸石总产生量接近https://www.titan-biz.com亿t,总利用率不到70%;截止到2015年,我国堆存的煤矸石累计约46亿t,占压土地https://www.titan-biz.com万hm2以上,并且每年仍在持续增加。煤矸石大量堆存不仅占用宝贵的土地,而且是对宝贵资源的巨大浪费。

煤矸石含有丰富的铝、铁、镓、锗、钛等金属,若能加以提取利用,不仅可以在一定程度上缓解我国相应资源短缺,而且可以实现煤矸石的高效资源化利用,进而有效进行煤矸石减量。目前,我国对于煤矸石的利用主要是发电、建材、原料和填埋,这些利用方式更多是为了处理煤矸石而进行的大宗利用,从利用现状看,当前呈现的突出问题是缺乏集煤矸石的高利用率与高附加值于一体的利用途径,解决此问题的关键是对煤矸石进行合理地分级分质。基于煤矸石中常见矿物在物理化学性质方面的差异,可以把煤矸石分成矿物组成和性质不同的部分,然后将其分别用于能源、化工、建材、农业等领域。这样不仅能进一步消除煤矸石产生的环境污染问题,还能在很大程度上提升煤矸石的利用价值,符合可持续发展战略要求,有利于构建环境友好型社会。

1 煤矸石的组成

https://www.titan-biz.com 煤矸石的矿物组成

煤矸石中常见的矿物有:粘土类矿物、碳酸盐类矿物、铝土矿、黄铁矿、石英、云母、长石、炭质和植物化石。煤矸石主要由高岭石(抗酸碱、绝缘、耐火度高、硬度2~https://www.titan-biz.com、密度https://www.titan-biz.com/cm3左右)、蒙脱石(层状结构、硬度2~https://www.titan-biz.com,密度2~https://www.titan-biz.com/cm3)、石英(具压电性、耐火度高、不溶于酸、硬度7、密度https://www.titan-biz.com/cm3)、伊利石(层状结构、硬度1~2、密度https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com/cm3)、石灰石(不溶于水和醇、硬度3、密度https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com/cm3)、长石(对酸有较强稳定性、硬度6~https://www.titan-biz.com、密度https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com/cm3)、铁矿石(有磁性、硬度https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com、密度https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com/cm3)和一些稀有金属的氧化物组成。

https://www.titan-biz.com 煤矸石的化学组成

煤矸石的化学成分是随岩石种类和矿物组成变化的,它是评价煤矸石性质、决定其利用途径的重要依据。其化学成分主要是SiO2,Al2O3和C,除此之外还包含Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等,煤矸石的化学成分见表1。我国主要类型煤矸石化学组成见表2。

2 煤矸石的分级分质

https://www.titan-biz.com 煤矸石分级分质概念

煤矸石中常见矿物在物理化学性质方面存在着差异,这为煤矸石的分级分质奠定了基础。煤矸石的分级是基于煤矸石中不同矿物破碎后分别赋存于一定的粒度级别,采用筛分方法可以将煤矸石分成具有不同矿物组成和性质的粒度级,实现煤矸石的分级;分质是基于煤矸石的物理化学性质差异,采用相应的分选技术,将煤矸石分成组成和性质不同的部分,分别用于能源、建材、化工、农业、新材料等领域,从而达到合理有效地利用。

https://www.titan-biz.com 煤矸石分级分质技术

https://www.titan-biz.com 根据固定碳含量

固定碳含量可以在一定程度上反映出煤矸石的成分。对煤矸石进行工业分析:在105℃左右除去煤矸石中的水分,然后在密封的马弗炉中于850℃加热7min,除去煤矸石中的挥发分,剩余部分为焦炭。在干燥的冷却器中冷却后,称量焦炭的质量,然后把焦炭在800±20℃下灼烧至恒重,冷却再次称其质量,灼烧失去的质量即为煤矸石中固定碳的含量。固定碳含量>20%为一类煤矸石。用于发电供暖;生产农业肥料(肥效久)和微生物肥料;改良土壤。固定碳含量4%~20%为二、三类煤矸石。用于建材(替代部分黏土;减少燃料使用);生产陶粒等轻骨料。固定碳含量小于4%为四类煤矸石。用于填埋、铺路、回填、等以减少土地开挖。

https://www.titan-biz.com 根据粒度

在通常情况下,物料破碎时,硬度较大的矿物不易破碎,硬度较小的矿物则易于破碎。利用煤矸石矿物间机械强度的差异,选择合适的方式可对其进行选择性破碎,从而得到不同粒度和矿物组成的煤矸石。破碎后,黏土类矿物粒度较小,砂岩、硫铁矿等矿物的粒度较大。煤矸石破碎机主要有颚式破碎机、对辊式破碎机、反击式破碎机、环锤式破碎机、冲击式破碎机等型式。经过分析对比,初步认为冲击式破碎机更适合于煤矸石的破碎。煤矸石进一步细粉碎可以采用立式磨、棒式磨、球磨机、单边笼式粉碎机、双边笼式粉碎机、柱磨机等。一般来说,破碎粒度越细,设备的造价也越贵。实际生产中,要根据煤矸石利用途径对粒度的要求,结合煤矸石的特点和设备的技术性能,选择合理的破碎设备。

常见的筛分设备有:滚筒筛、滚轴筛、齿辊筛、振动筛、直线筛、香蕉筛、琴弦筛、布料筛分器等,其中滚轴筛和振动筛使用较多。振动筛对于较为干燥和松散的物料有较好的处理效果,而对于湿粘物料的处理却差强人意,因此限制了振动筛分设备的应用范围。混轴筛占地小、噪音低、不易堵塞、筛分效率高,但其传动系统较为复杂,且每一根旋转轴都需要动力来源,造成了滚轴筛加工制造要求高,使用维护成本较大的缺点。各筛分设备的性能如表3。

煤矸石按粒度进行分级利用:小于https://www.titan-biz.com发电、供暖,灰渣活性提高,用于建材、化工原料https://www.titan-biz.com~8mm破碎至3mm以下生产全煤矸石烧结砖破碎至https://www.titan-biz.com以下煅烧后用于水泥砂浆8~20mm破碎至https://www.titan-biz.com以上制作煤矸石集料混凝土大于20mm大块纯矸石剔除以保护破碎设备,用于筑路、回填。

https://www.titan-biz.com 根据密度

目前应用较多的是重介质分选法和跳汰分选法。重介质分选的基本原理是阿基米德原理,利用煤矸石中矿物组分之间密度的差异,选择合适的重液类型,调整适合的密度将煤矸石按密度分离开来。重介质分选方法是严格按密度分选的,煤矸石颗粒粒度和形状只影响分选的速度,所以重介质分选精度高、效率高、适用范围广。跳汰分选法利用上下脉动水流使入选矿物按密度分层和分离,主要分为定筛法和动筛法两种。定筛法适用于小粒度的矿物,但不宜过小;动筛法适用于粒度大、粒度范围大、密度大的矿物。

煤矸石按密度进行分质后利用:低密度矸石小于https://www.titan-biz.com/cm3成分以煤为主,用于矸石电厂或一般火电厂,燃烧后用于建材、化工、农业等,以减少二次污染;中密度矸石https://www.titan-biz.com~https://www.titan-biz.com/cm3成分以硅铝化合物为主,用于制备Al2O3-SiC复相材料(方法成熟),代替黏土用于建材,用作化工原料,因灰熔点高,可制耐火材料;高密度矸石大于https://www.titan-biz.com成分以黄铁矿和高附加值金属化合物为主,用于提取黄铁铜,提取稼、锗、钛等具有战略价值的矿产。

https://www.titan-biz.com 根据Al2O3和Al2O3/SiO2

相同矿物组分的煤矸石具有相似的化学成分,通过对不同矿物组分的煤矸石有代表性地进行化学成分分析,可以筛选出所需Si/Al比的煤矸石去加以利用。高岭石岩类煤矸石以高岭石类矿物为主,低铁的可制备煅烧高岭土粉,用于造纸、涂料、填料等,一般的用作化工原料;一般黏土岩类煤矸石以黏土类矿物为主,可替代黏土生产烧结砖、硅酸盐水泥等;砂岩类煤矸石低铝高硅,Al2O3<20%,SiO2>60%,可用于制备高硅玻璃、提取稀有元素、回填、筑路。

3 结 语

煤矸石由于产地、产生途径等不同,在矿物组分上会有一定差异,导致煤矸石的机械强度、密度等物理化学性质不同,为煤矸石的分级分质提供了依据。对煤矸石进行分级分质,有利于将煤矸石分别应用于能源、建材、化工、新材料、农业等领域,从而实现煤矸石的能源、资源、材料利用,取得良好的经济、社会和环境效益,为我国可持续发展提供重要的资源保障。以往关于煤矸石的分选,主要集中在低热值煤的回收,有部分研究提出了煤矸石分选的可能性,但是缺乏规模化应用。关于煤矸石分级分质的理论基础和技术体系尚待完善,若要实现煤矸石的精准分级分质,还需全面研究煤矸石中各组分间的性质差异,探讨合理的工艺技术,优化分级分质方案,形成煤矸石分级分质体系。

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