氧化鋁生產尾礦防治煤矸石山自燃技術研究

李美雨

(山西兆豐鋁業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

氧化鋁生產尾礦防治煤矸石山自燃技術研究

李美雨

(山西兆豐鋁業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

簡述煤矸石山自燃的防治及氧化鋁生產尾礦綜合利用。就氧化鋁生產尾礦用于防治煤矸石山自燃進行理論研究和實驗。實驗證明，氧化鋁生產尾礦用于防治煤矸石山自燃，可以達到以廢治廢的目的。關鍵詞： 氧化鋁生產尾礦；煤矸石山；自燃；防治

煤炭作為主導產業(yè)的陽泉市被國家環(huán)保部列為京、津、冀大氣污染傳輸通道上的28個城市之一，對于煤矸石山自燃的預防、治理顯得尤為重要。

氧化鋁生產尾礦(也稱赤泥)被貯存在赤泥尾礦庫堆場，大量的尾礦堆存極易造成堆場及周邊地下水質堿化污染，地面植被及大氣環(huán)境遭受破壞。同時，占用土地資源、消耗大量資金，給氧化鋁生產企業(yè)帶來了巨大的壓力。

1 防治煤矸石山自燃的技術方法和現狀及存在的問題

1.1 防治煤矸石自燃技術和現狀

煤矸石自燃是世界上產煤國家一個嚴重的環(huán)境污染問題[1]。煤矸石的主要成分是煤層頂板及煤層夾層的炭質泥巖或含碳泥巖，并含少量黃鐵礦結構、碳屑及炭塊。由于黃鐵礦含硫，在常溫條件下，煤矸石自燃產生大量CO、SO2與H2S等有害氣體。公司先后經過了表面噴漿、深孔注漿、覆蓋碾壓法試驗,總結形成了碾壓覆蓋輔以局部注漿的綜合性治理技術,累計滅火面積20萬m2，覆蓋面積22萬m2，一定程度上制約了矸山自燃。但是，未能從根本上解決問題。從2000年開始，公司對矸山治理進行研究，找到了將煤矸石分層碾壓、表層覆土綠化的防治矸山自燃的新方法，使矸山生態(tài)恢復和綜合治理工作有了新的突破。

1.2 陽煤集團目前防治煤矸石自燃存在的問題

目前，陽煤集團主要采用0.7 m以上黃土覆蓋的方式改良煤矸石山的土壤基質[2]，雖然在矸石山治理方面取得了明顯的實效，但仍然存在以下方面的問題：

1) 一部分排矸區(qū)由于缺少土壤,干旱貧瘠,持水能力弱,易發(fā)生自燃，并產生高溫和排放有毒有害氣體。

2) 缺乏土壤改良。未經土壤改良的土壤逐漸酸化、溫度逐漸升高，復墾種植的植物存活難度較大。

3) 缺乏有效的管理措施。矸石山土壤保水、保肥、緩沖性能等都較差，栽培與管理必須并重，才能保證植物的成活率。管理的主要措施是保墑和施肥，最好能進行灌溉。

4) 復墾種植的植物護養(yǎng)成本較高，沒有任何經濟收益的投入難以保證長期維護管理。由于煤矸石風化物使復墾土壤貧瘠、缺水、呈酸性，立地條件差，還易受粉塵、SO2、SO3等浸蝕。

以上問題及煤矸石處置工程中存在的不當問題，容易造成矸石山污染“反彈”，乃至再次發(fā)生“自燃”。

2 赤泥綜合治理技術和現狀及存在的問題

2.1 國內外赤泥綜合利用技術和現狀

氧化鋁生產尾礦是鋁土礦提煉氧化鋁后排棄的廢渣(俗稱赤泥)，生產1 t氧化鋁要排出1.5 t赤泥。赤泥礦物成分復雜，主要礦物為文石和方解石，質量分數為60%～65%。赤泥的pH值約為10.29～11.83，含氟化物質量濃度4.89 mg·L-1～8.6 mg·L-1，屬于一般固體廢物。氧化鋁生產尾礦由于結合的化學堿難以去除，又含有氟、鋁及其他多種雜質等，因此，截至目前，對于赤泥的大規(guī)模綜合利用一直難以進行。赤泥的綜合利用，應著眼于廢物處理量大、制品附加值與技術含量高、兼具環(huán)境效益與經濟效益、有示范帶動效應的深層次利用途徑。在鞏固其用作建材原料、鋪路筑壩、工程回填、農業(yè)利用等傳統(tǒng)消納方式的基礎上，加強復合型功能材料的開發(fā)和推廣，并統(tǒng)籌考慮赤泥中有用物質的多級分批回收工藝，確保經濟可行，避免二次污染。

當前，用赤泥作環(huán)境修復材料處理廢氣、廢水及土壤的有機和無機污染，具有成本低、工藝簡單、以廢治廢等優(yōu)點。而對赤泥微觀結構、吸附過程、焙燒活化機理、改性工藝等方面的深入研究，將大力推進赤泥在環(huán)保領域中的應用范圍。

目前，在陽煤集團氧化鋁分公司赤泥庫內的氧化鋁尾礦累計堆積總量約250萬t，每年滿負荷生產時,產赤泥約170萬t/a。赤泥被貯存在赤泥尾礦庫堆場，大量的赤泥堆存造成堆場及周邊地下水質堿化污染，地面植被及大氣環(huán)境遭受破壞。

同時，占用土地資源、搬遷村莊、消耗大量資金，給氧化鋁生產企業(yè)帶來了巨大的壓力。特別是迫在眉睫的再建赤泥庫要求，使赤泥新的處置問題的解決十分緊迫。

因此，采取“以廢治廢”途徑，防止煤矸石山自燃和氧化鋁尾礦綜合利用，對煤矸石山和氧化鋁尾礦的處置項目進行改造是具有重要的現實意義。

2.2 氧化鋁尾礦綜合利用存在的主要問題

大量的赤泥堆積如山[3]，占用農田，還耗費較多的堆場建設和維護管理費用。同時，赤泥的含堿廢液還會嚴重污染環(huán)境。對于赤泥的處理，我們國家主要是筑壩堆存。目前，我國對赤泥的研究還不夠充分，對赤泥的利用率僅15%。

赤泥可用于建材市場作為配料使用。目前，已研制出利用赤泥、粉煤灰等加上一定的天然礦物添加劑制備出高性能藝術型清水磚，孔隙率達到40%～50%，抗折強度達到50 MPa～85 MPa。另外，還有以赤泥為主要原料，添加鉻礦渣、石英砂、工業(yè)純堿、長石等制得的以透輝石為主晶相，具有較高耐磨、耐腐蝕性和良好機械強度的微晶玻璃，主要用作結構材料。但是，由于其含堿較高，僅能作為輔料使用，消耗極少。

3 利用氧化鋁生產尾礦防治煤矸石山自燃技術原理

3.1 煤矸石物化性質

煤矸石主要成分為，30.32%高嶺石、27.14%伊利石、25.59%石英、11.52%方解石、5.43%黃鐵礦，工業(yè)分析含水率為1.07%、灰分為72.72%、全硫為5.53%。

煤矸石氧化產酸機理[5]，如式(1)。

(1)

煤矸石氧化產酸放出熱量，進一步促進煤矸石山自燃。

3.2 氧化鋁生產尾礦物化性質

氧化鋁生產尾礦主要礦物組成為68.89%水化石榴石、12.84%方鈉石、11.87%方解石、6.49%赤鐵礦；主要化學組成為，23.68% Al2O3、18.76%SiO2、14.04%Fe2O3、4.53%TiO2、15.95%CaO、8.28%Na2O；粒度組成為，D(4，3)-5.74 μm、D75-7.20 μm、D90-8.59 μm，比表面積為11.79 m2/g。

氧化鋁生產尾礦產堿機理分析：氧化鋁生產尾礦中堿性物質主要分為吸附堿和結合堿。其中，結合堿釋放較慢。氧化鋁生產尾礦對環(huán)境的危害主要是吸附堿，其質量濃度達到2 g/L～3 g/L，pH值13～14，因此對環(huán)境造成堿污染。

3.3 氧化鋁生產尾礦用于防治矸山自燃機理分析

氧化鋁生產尾礦用于治理矸山自燃首先是利用酸堿中和的化學原理，消除彼此對環(huán)境的危害，達到以廢治廢的目的。

其次，利用氧化鋁生產尾礦粒度較細的這一物理性質，將氧化鋁生產尾礦覆蓋在矸石上，隔絕矸石與氧氣的接觸，從而阻止矸山自燃。

4 赤泥覆蓋煤矸石實驗

4.1 氧化鋁生產尾礦覆蓋煤矸石實驗方案

在選定一礦矸石山某平地處堆放約100 t赤泥，其形狀和分布如圖1所示。

圖1 赤泥覆蓋煤矸石實驗

矸山高約8 m，赤泥覆蓋厚度約0.5 m，平地處赤泥經過推土機碾壓，斜坡處赤泥則直接覆蓋在矸石表面未經碾壓。

取原始赤泥、煤矸石，對氧化鈉含量、硫含量進行化驗。赤泥堆存覆蓋后，每周在赤泥與煤矸石結合面處取樣分析赤泥、矸石的化學固相成分，判斷矸石含硫量和赤泥含鈉量的變化。

4.2 氧化鋁生產尾礦覆蓋煤矸石實驗情況分析

從實驗現場情況來看，實驗初期的變化不明顯。但是，隨著時間的推移，在赤泥和煤矸石結合面處的赤泥由固結狀變?yōu)楹隣?。結合面處赤泥中氧化鈉含量和煤矸石中硫含量化驗數據如表1所示。

表1 煤矸石與赤泥化驗數據統(tǒng)計表 %

從表1數據可以發(fā)現，赤泥中氧化鈉含量、煤矸石中硫含量均隨著時間推移而減少。

5 結語

氧化鋁生產尾礦用于防治煤矸石山自燃在理論上完全可行，通過短期現場實驗數據可以發(fā)現，赤泥中的鈉和煤矸石中的硫有一定變化。但是，氧化鋁生產尾礦用于防治煤矸石山自燃技術要實現規(guī)?；瘧帽仨氉龊们捌诜罎B漏工作，在實施過程中需對周圍地表水和地下水體的酸性、堿性、矸石山周圍大氣環(huán)境中SO2、H2S等有害氣體進行監(jiān)測，確保其達到國家相關污染排放指標要求。

[1] 楊秀敏.胡桂娟.李寧,等.煤矸石山的污染治理與復墾技術[J].中國礦業(yè),2008，17(6)：34-36.

[2] 杜志剛,魏來聚,劉相國.陽泉煤矸石山自燃因素與特征及治理措施[J].煤礦環(huán)境保護,1997，11(5)：21-23.

[3] 曹瑛，李衛(wèi)東，劉艷改.工業(yè)廢渣赤泥的特性及回收利用現狀[J].硅酸鹽通報，2007，26(1)：143-145.

study on prevention of spontaneous combustion of gangue hill by alumina production tailings

LI Meiyu

(Shanxi Zhaofeng Aluminum Industry Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000, China)

Prevention and control of spontaneous combustion of gangue hill and comprehensive utilization of tailings from alumina production are expounded. The theoretical research and experiment on alumina production tailings for preventing and controlling spontaneous combustion of coal gangue hill have been carried out. The experiment shows that alumina production tailings can be used to prevent spontaneous combustion of gangue hill, so as to achieve the purpose of waste disposal.

tailings of alumina production; spontaneous combustion of gangue hill; preventing and controlling

2017-04-24

李美雨，男，1983年出生，2005年畢業(yè)于西安建筑科技大學，環(huán)境工程師。研究方向：環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.25

TD752

A

1004-7050(2017)04-0075-03

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