陳巖，王彩萍，趙少鵬，周明凱

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

煤矸石是煤炭開(kāi)采過(guò)程中夾帶的混雜巖體，包含一定數(shù)量的碳質(zhì)巖、粘土類礦物和硬度較大的石英砂巖、粉砂巖、碳酸巖等，且已成為我國(guó)堆存量最大的固體廢棄物之一［1］。煤矸石用途廣泛，不同的利用途徑對(duì)煤矸石粒度與熱值提出了不同的要求，兩者已成為影響煤矸石資源化利用途徑的關(guān)鍵參數(shù)，但是目前大多數(shù)應(yīng)用途徑均是通過(guò)循環(huán)破碎工藝和外摻其他原料，來(lái)對(duì)原狀煤矸石的粒度與熱值進(jìn)行調(diào)節(jié)，很少關(guān)注破碎煤矸石自身存在的“粒度”與“熱值”相互關(guān)系［2］。針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)展了破碎煤矸石粒度與熱值分布間關(guān)系的研究，為煤矸石的破碎分選提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用矸石為山西省朔州市某工業(yè)園區(qū)內(nèi)選煤廠外排洗矸，制磚矸石原料來(lái)自該園區(qū)內(nèi)煤矸石燒結(jié)磚廠，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，所用入爐煤樣來(lái)自該園區(qū)內(nèi)矸石電廠，其工業(yè)分析見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

取洗煤廠洗矸，用實(shí)驗(yàn)室小型環(huán)錘式破碎機(jī)進(jìn)行一次破碎，用不同孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩篩分分級(jí)，采用氧彈法測(cè)量每一粒級(jí)發(fā)熱量，再將篩出的4.75 mm以上粒級(jí)，用小顎破破碎，篩出4.75 mm以上粒級(jí)，留樣測(cè)量其熱值后，再用小顎破破碎，篩出4.75 mm以上粒級(jí)，留樣測(cè)量其熱值后重復(fù)以上操作。

取洗煤廠矸石，用不同孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩直接篩分分級(jí)，測(cè)量每一粒級(jí)發(fā)熱量。取一定破碎好的磚廠矸石樣和矸石電廠入爐煤樣，用不同孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，計(jì)算其顆粒級(jí)配，并測(cè)量每一粒級(jí)發(fā)熱量。

表1 制磚矸石原料主要化學(xué)成分Tab.1 The main chemical components of brick factory gangue

表2 矸石電廠入爐煤工業(yè)分析Tab.2 The fuel industry analysis of gangue power plant

2 實(shí)驗(yàn)室破碎煤矸石粒度與熱值分布

2.1 一次破碎試驗(yàn)

將洗煤廠外排矸石用小型環(huán)錘式破碎機(jī)進(jìn)行一次破碎，按1.2中的方法試驗(yàn)，結(jié)果如圖 1所示。

從圖1(a)可以看出，煤矸石破碎后不同粒級(jí)發(fā)熱量隨粒度減小而增大，原狀煤矸石5次取樣發(fā)熱量平均為1 120 kcal/kg，篩分分級(jí)后，粒徑4.75 mm以上平均熱值為695 kcal/kg，比原狀煤矸石降低37.9%，粒徑2.36 mm以下平均熱值為1 422 kcal/kg，比原狀煤矸石提高 27%，且比4.75 mm以上粒級(jí)提高105%。原狀煤矸石發(fā)熱量越高，破碎之后2.36 mm以下粒級(jí)發(fā)熱量比4.75 mm以上粒級(jí)增幅越大:最高為113%，其原狀煤矸石發(fā)熱量為1 279 kcal/kg;最低為57%，其原狀煤矸石發(fā)熱量為972 kcal/kg。從1(b)來(lái)看，4.75 mm以上低熱值粒級(jí)較少，平均約占23%，2.36 mm以下高熱值粒級(jí)平均約占40%。結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果，將破碎后的煤矸石合理分級(jí)，即可分選出不同熱值的產(chǎn)品，如高熱值煤矸石用于制備電廠燃料，低熱值煤矸石用于制備全煤矸石燒結(jié)磚等。

2.2 反復(fù)破碎試驗(yàn)

將2.1中篩出的4.75 mm以上粒級(jí)矸石按1.2中的方法處理，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤矸石反復(fù)破碎試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The test results of repeatedly crushed coal gangue

從表3結(jié)果來(lái)看，隨著破碎次數(shù)的增加，物料發(fā)熱量明顯下降，且變化逐漸減小。經(jīng)過(guò)一次破碎后4.75 mm以上粒級(jí)發(fā)熱量為573 kcal/kg，第二次破碎后為 432 kcal/kg，第三次則只有245 kcal/kg，比第一次破碎之后發(fā)熱量降低57%，第四次破碎之后發(fā)熱量變化很小。經(jīng)反復(fù)破碎后，4.75 mm以上粗粒級(jí)發(fā)熱量逐漸降低，說(shuō)明其中含碳量高、易碎礦物被不斷破碎，經(jīng)篩分后在篩下富集，篩上物發(fā)熱量則明顯降低［3］。

3 生產(chǎn)中不同破碎煤矸石粒度與熱值分布

3.1 洗煤廠矸石

洗煤廠矸石粒度在200 mm以下，將其用不同孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩直接篩分分級(jí)，測(cè)量每一粒級(jí)發(fā)熱量，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，不同粒級(jí)洗煤廠矸石隨粒度減小，發(fā)熱量逐漸增大，粒徑2.36 mm以下矸石發(fā)熱量最大，分別為1 342、1 237 kcal/kg，與50 mm以上發(fā)熱量 565、438 kcal/kg相比，分別增大138%與182%。之所以不同粒級(jí)洗煤廠矸石發(fā)熱量存在較大差異，是因?yàn)樵涸谌胂粗耙M(jìn)行破碎，夾在原煤中的矸石經(jīng)過(guò)初次破碎，其中硬度不同、熱值不同的巖石破碎程度也不一樣，經(jīng)過(guò)篩分，熱值高、易碎的巖石富集在細(xì)粒級(jí)，熱值低、難破的巖石富集在粗粒級(jí)［4］。

3.2 磚廠煤矸石

磚廠采用環(huán)錘破循環(huán)破碎工藝，將煤矸石制備成小于3 mm的顆粒，將磚廠破碎好的矸石樣，按1.2中的方法處理，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 磚廠矸石樣試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The test results of brick factory gangue

從表4可以看出，破碎好的矸石樣經(jīng)過(guò)篩分，不同粒級(jí)發(fā)熱量隨著粒度的減小逐漸升高，1.18 mm以上粒級(jí)發(fā)熱量?jī)H為634 kcal/kg，0.075 mm以下粒級(jí)發(fā)熱量達(dá)到 1 445 kcal/kg，增幅為128%。磚廠分級(jí)篩上大于3 mm超粒徑物料發(fā)熱量為689 kcal/kg，通過(guò)閉路循環(huán)返回破碎機(jī)，經(jīng)多次破碎后，熱值高、易碎的礦物不斷在細(xì)顆粒中富集，熱值低、難破的礦物則相對(duì)粒徑較大。然而制備全煤矸石燒結(jié)磚僅需發(fā)熱量450 kcal/kg左右，原狀煤矸石發(fā)熱量一般在900 kcal/kg，需加入50%的粘土來(lái)降低其發(fā)熱量，如果根據(jù)表4中試驗(yàn)結(jié)果，將部分發(fā)熱量高的細(xì)粒級(jí)篩出，則可以有效降低用于制磚的煤矸石熱值，進(jìn)而減少粘土用量，降低生產(chǎn)成本。

3.3 矸石電廠入爐煤

矸石電廠燃料制備是將按比例配好的煤與矸石混合物，通過(guò)“粗碎+篩分+細(xì)碎”工藝破碎至一定粒度以下，將制備好的入爐煤樣，按1.2的試驗(yàn)方法處理，結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，入爐煤的級(jí)配控制情況不穩(wěn)定，兩次取樣結(jié)果差異明顯，YH1粒徑偏細(xì)，4.75 mm 以下占 84.3%，YH2 為 65.2%;YH2 粒徑偏粗，9.5 mm以上超粒徑顆粒占13.4%，YH1僅為3.7%。且從熱量分布來(lái)說(shuō)，如圖3(b)，不同粒級(jí)發(fā)熱量隨粒徑減小而增大，4.75 mm以上粗顆粒主要為矸石，發(fā)熱量均在2 000 kcal/kg以下，2.36 mm以下細(xì)顆粒主要為煤粉，發(fā)熱量可達(dá)3 500 kcal/kg以上。入爐煤中粒度越小，發(fā)熱量越高，是因?yàn)樵谄扑檫^(guò)程中，矸石相對(duì)難破，多在粗粒級(jí)中富集，而易碎的煤則進(jìn)入細(xì)粒級(jí)。

煤與矸石粒度分布的不協(xié)調(diào)會(huì)造成鍋爐粉煤灰、爐渣的燒失量偏大，該電廠粉煤灰燒失量最高可達(dá)12%以上，平均為9.6%，爐渣燒失量最高將近6%，平均為3.5%，灰渣燒失量大，不僅造成能源的浪費(fèi)，而且影響了灰、渣的利用品質(zhì)。根據(jù)圖3的結(jié)果，矸石電廠燃料制備系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)根據(jù)煤與矸石破碎性能的不同，分別建設(shè)相應(yīng)的破碎系統(tǒng)，且煤粒易燃燒，矸石燃燒困難，應(yīng)保證入爐煤中煤粒較粗，矸石相對(duì)較細(xì)，這樣可有效協(xié)調(diào)煤與矸石的燃燒速率，提高鍋爐燃燒效率，同時(shí)改善灰渣利用品質(zhì)［5］。

綜上，不同破碎煤矸石均存在發(fā)熱量隨粒度減小而增大的負(fù)相關(guān)關(guān)系，據(jù)此可以考慮對(duì)煤矸石進(jìn)行破碎分選處理，實(shí)現(xiàn)其分層次高效利用:經(jīng)破碎分選出的高碳煤矸石熱值可用于制備矸石電廠燃料，既可減少煤炭用量，其粒度小、含石量低又可有效減少電廠鍋爐的磨損;又因煤矸石中Al2O3、SiO2含量高，分選出的低碳煤矸石熱量適中，將其用作磚廠或水泥廠原、燃料，可實(shí)現(xiàn)全煤矸石磚的燒制及部分代替砂巖生產(chǎn)水泥。

4 結(jié)論

1)不同方式破碎煤矸石，均存在不同粒級(jí)發(fā)熱量隨粒度變化而變化的現(xiàn)象，且粒度越小，發(fā)熱量越高;4.75 mm以上粗顆粒、低熱值煤矸石經(jīng)反復(fù)破碎，發(fā)熱量不斷降低，進(jìn)一步說(shuō)明煤矸石經(jīng)破碎篩分，其熱值會(huì)隨粒度變化重新分布。

2)破碎煤矸石粒度與熱值分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且細(xì)粒級(jí)比粗粒級(jí)發(fā)熱量至少提高1倍以上，據(jù)此可以將煤矸石進(jìn)行破碎分選處理。

［1］郭彥霞，張圓圓，程芳琴.煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化及其展望［J］.化工學(xué)報(bào)，2014，65(7):2444 －2453.

［2］鄧寅生，邢學(xué)玲，徐奉章，等.煤炭固體廢物利用與處置［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

［3］封金鵬.廣西合山礦務(wù)局煤矸石破碎分選試驗(yàn)研究［D］.南寧:廣西大學(xué)，2006.

［4］陳天虎，慶承松.山東某煤礦煤矸石選擇性破碎分選［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，18(1):182 －185.

［5］張興順，邢進(jìn)，唐濤.循環(huán)流化床鍋爐燃料破碎設(shè)備的選擇與應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2012，34(1):36 －40.