煤企煤矸石副產(chǎn)品再利用方法研究

沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院 陳朝中

一、引言

近年來，國(guó)家對(duì)于工業(yè)固體廢物的綜合利用領(lǐng)域越來越重視，隨著2018年5月國(guó)家工信部發(fā)布《工業(yè)固體廢物資源綜合利用評(píng)價(jià)管理暫行辦法》和《國(guó)家工業(yè)固體廢物資源綜合利用產(chǎn)品目錄》，該辦法旨在建立科學(xué)規(guī)范的工業(yè)固體廢物資源綜合利用評(píng)價(jià)機(jī)制，引導(dǎo)企業(yè)積極主動(dòng)地開展工業(yè)固體廢物資源綜合利用。該政策制度的實(shí)施推進(jìn)了國(guó)內(nèi)開展工業(yè)固體廢物綜合利用工作的實(shí)施，為相關(guān)工業(yè)固體廢物的綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力支持。

我國(guó)是全球煤炭開采量最大的國(guó)家，2017年原煤產(chǎn)量35.24億噸[1]，一般地，每生產(chǎn)1噸原煤，會(huì)產(chǎn)生0.15-0.2t煤矸石[2]，據(jù)此可知2017年煤矸石產(chǎn)生量為5.52-7.37億噸。目前，我國(guó)有大量煤矸石露天堆放，已經(jīng)形成2600余座煤矸石山，累積堆存量達(dá)50多億噸，占地20余萬畝[3]。

目前，我國(guó)煤矸石的主要利用方式包括煤矸石綜合利用發(fā)電、充填采空區(qū)、井下充填開采、沉陷區(qū)治理和土地復(fù)墾、生產(chǎn)利廢建材、填坑造地筑路等。這些利用方式在一定程度上提高了我國(guó)煤矸石的綜合利用率，但由于這些利用方法大都存在成本高、技術(shù)應(yīng)用范圍受限等問題，多依賴于國(guó)家政策的補(bǔ)貼支持，隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整，這樣的利用方式容易受到?jīng)_擊，風(fēng)險(xiǎn)較大，致使產(chǎn)業(yè)發(fā)展穩(wěn)定性不足。

現(xiàn)階段我國(guó)煤矸石綜合利用技術(shù)研究主要包括制備建筑材料、絮凝劑、土壤改良劑和高性能材料微晶玻璃等方面，其中煤矸石制備高性能材料技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。文章梳理了以上各類技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，以期為我國(guó)煤矸石綜合利用技術(shù)的研究提供參考。

二、煤矸石綜合利用技術(shù)研究概述

（一）煤矸石制備建筑材料

1.煤矸石制磚

煤矸石是制磚較好的原料之一，將其經(jīng)過破碎分選，去除有害顆粒后，根據(jù)發(fā)熱量進(jìn)行原料配比，得到的原料發(fā)熱量應(yīng)達(dá)到1680-2100kJ/kg，塑性指數(shù)應(yīng)達(dá)到10~13[4]。該技術(shù)流程如下，煤矸石經(jīng)破碎分選和配料達(dá)到以上要求，篩分、陳化堆放，由箱式供料機(jī)送入高細(xì)碎對(duì)輥機(jī)進(jìn)一步破碎，經(jīng)雙軸攪拌機(jī)進(jìn)入雙級(jí)真空磚機(jī)進(jìn)行造型，經(jīng)過切條機(jī)、自動(dòng)碼坯機(jī)，進(jìn)入隧道窯進(jìn)行干燥和燒成，燒成工藝需要嚴(yán)格按照燒成曲線來控溫，以保證焙燒的成品率。

煤矸石制磚技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是消耗廢渣量大，缺點(diǎn)是成品主要為燒結(jié)磚，工藝污染性大，資源消耗多，工人作業(yè)空間危害較大。

2.煤矸石制水泥

煤矸石可以代替一些粉煤灰作為水泥原料使用，從而降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。煤矸石一般具有較好的活性，當(dāng)其中三氧化二鋁和二氧化硅的含量之和達(dá)到70%，即可用來制備水泥熟料[5]。

煤矸石制備水泥的過程如下：將煤矸石進(jìn)行預(yù)均化，然后加入生料進(jìn)行配料，調(diào)節(jié)三氧化二鋁的適當(dāng)比例，采用低發(fā)熱量的煤矸石，并嚴(yán)格控制摻加量，其摻加量比例主要考慮窯的結(jié)皮量和阻力因素，一般要將煤矸石的含硫量控制在0.8%以內(nèi)[5]。

3.煤矸石制陶粒

煤矸石可以作為制備陶粒的原料使用，陶粒是一種球形體，具有蜂窩結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)越，表面積小，孔隙率高，廣泛應(yīng)用于石油化工、耐火材料等領(lǐng)域。

煤矸石制備陶粒的步驟包括配料、成核、成球、橫輥篩分、燒結(jié)成型等。將煤矸石與原料按一定比例配比后，用螺旋輸送機(jī)運(yùn)送至均化倉(cāng)，然后分別進(jìn)入成核機(jī)、成球機(jī)進(jìn)行成核、成球，最后經(jīng)皮帶系統(tǒng)和篩分處理后進(jìn)入燒成窯，得到的陶粒可作為輕骨料使用[6]。

（二）煤矸石制備絮凝劑

煤矸石中含有較高含量的三氧化二鋁和二氧化硅，是最適合制備絮凝劑的原料之一，也是當(dāng)前人們研究的熱點(diǎn)，主要技術(shù)研究情況如下。

1.利用煤矸石生產(chǎn)高效混凝劑技術(shù)

將煤矸石與原料配比后，進(jìn)入焙燒爐進(jìn)行活化，控制溫度在550℃-850℃，然后再進(jìn)行酸性浸出，控制溫度為100℃-140℃，然后對(duì)酸浸液加鐵鹽，調(diào)整溫度為100℃-120℃，生產(chǎn)出鋁鐵多核混合配體的高效混凝劑，該產(chǎn)品優(yōu)于聚羥基氯化鋁，其中三氧化二鋁與三氧化二鐵含量之和為30.2%[7]。

2.利用煤矸石生產(chǎn)氯化鋁和白炭黑技術(shù)

將煤矸石與原料配比后，利用碳酸鉀在700℃-1000℃下與煤矸石或粉煤灰的混合物進(jìn)行煅燒，使其形成易溶于酸的鉀霞石，經(jīng)硫酸浸取后形成含硫酸鋁和硫酸鉀的酸浸液（氧化鋁溶出率90%以上），進(jìn)一步形成硫酸鋁鉀而結(jié)晶，可制備結(jié)晶氯化鋁并副產(chǎn)硫酸鉀肥，酸浸過程中形成的尾渣為含高活性非晶相氧化硅，易溶于堿制備水玻璃，并進(jìn)一步加工成白炭黑，氧化硅含量為91%以上[8]。

3.利用煤矸石生產(chǎn)聚合雙酸鋁技術(shù)

將煤矸石與原料配比后，將煤矸石粉碎、煅燒、酸浸、第一次過濾、聚合、第二次過濾，得到液體聚合雙酸鋁，酸浸后的廢渣經(jīng)二次酸浸生產(chǎn)白炭黑，氧化硅含量超過85%[9]。

4.利用煤矸石生產(chǎn)聚合氯化鋁、聚合雙酸鋁及白炭黑技術(shù)

采用煤矸石選擇性破碎、混合酸浸、濾渣堿浸酸浸等組合技術(shù)，將煤矸石選擇性破碎，提高分選原料的氧化鋁和二氧化硅含量，采用鹽酸、硫酸混合酸對(duì)原料進(jìn)行酸性浸出，提高了鋁提取率并降低于酸耗，得到聚合雙酸鋁，純度為98.2%；對(duì)濾渣進(jìn)行堿浸、酸浸制取白炭黑，純度為90.1%；對(duì)原料進(jìn)行酸性浸出，對(duì)浸出液加入碳酸鈉調(diào)整溶液鹽基度80%，得到液體產(chǎn)品聚合氯化鋁，純度為99.1%[10]。

（三）煤矸石綜合利用其他技術(shù)

1.煤矸石制備土壤改良劑

將煤矸石和草木灰改性制備土壤改良劑也是煤矸石綜合利用的重要技術(shù)之一，將煤矸石活化后，加入草木灰進(jìn)行焙燒，利用草木灰催化活化煤矸石中的二氧化硅，使其中的硅元素更容易被植物吸收，為植物提供礦物質(zhì)，同時(shí)草木灰含有的鉀元素也是植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，將其與有機(jī)肥或風(fēng)化煤混合搭配，制備土壤改良劑，可有效改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[11]。

2.煤矸石制備微晶玻璃

將煤矸石和鐵尾礦作為主要原料制備微晶玻璃是近年來煤矸石綜合利用熱點(diǎn)技術(shù)之一，王長(zhǎng)龍等人研究了以上兩種原料制備CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃，當(dāng)原料中煤矸石含量為66%，原料中鐵尾礦含量為13%，Ca含量為11%，MgO含量為10%時(shí)，加入助溶劑CaF2（含量2%）和澄清劑（含量3%），在馬弗爐內(nèi)1500℃下煅燒并保溫5h，得到熔融漿體，將其倒入晶化爐內(nèi)，在650℃下保溫5h，降溫后，在馬弗爐中，697℃內(nèi)保溫2h，在分別幾個(gè)不同的溫度點(diǎn)下保溫2h，冷卻后獲得微晶玻璃，該微晶玻璃最佳條件下，抗彎強(qiáng)度為 216.49 MPa，耐酸性腐蝕為99.21%[12]。

三、結(jié)論

文章對(duì)煤矸石綜合利用技術(shù)進(jìn)行了梳理，分析了煤矸石制備建筑材料、絮凝劑、土壤改良劑和高性能材料微晶玻璃等技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。其中煤矸石制備絮凝劑、微晶玻璃等技術(shù)具有較好的技術(shù)效果，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，但仍然處于初期研究階段，在未來一段時(shí)期內(nèi)，還需要進(jìn)行更加深入的研究，尤其是針對(duì)煤矸石的特性和配比方面要多下功夫。