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        煤矸石及其資源化利用研究進(jìn)展

        2020-02-22 04:44:23楊依民孔德順
        云南化工 2020年4期
        關(guān)鍵詞:利用

        楊依民,孔德順

        (六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)

        據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國的煤矸石堆積量超過70億噸,煤矸石山超過2000座;這些煤矸石山的堆積不僅浪費(fèi)土地資源,而且堆放的過程中易發(fā)生自燃,在產(chǎn)生大量黑煙和CO2的同時會分解出少量的有機(jī)硫化物,并在空氣中反應(yīng)形成硫酸霧,而在雨水的長期沖刷下煤矸石中的重金屬等元素分解出來,進(jìn)入地表以及地下水,改變土壤成分、污染地下水[1-2],使土壤不適合綠色植物存活,對水環(huán)境造成破壞,最后經(jīng)過生物循環(huán)對人類的身體健康造成危害。

        1 煤矸石的性質(zhì)

        1.1 煤矸石的物理性質(zhì)

        煤矸石是一種與煤層共生的灰黑色巖石[3],其含碳量比普通煤炭低,但硬度高于煤炭的硬度,一般情況下多砂巖高于多頁巖的硬度,在4~5,而多頁巖的硬度在2~3。煤矸石被歸為沉積巖類,是因?yàn)樗怯啥喾N礦物構(gòu)成的混合物[4]。另外煤矸石的含水率在20%~25%,塑性指標(biāo)在2.5~3.5,耐火度在1250~1350℃,黏度約為1.1[5]。

        1.2 煤矸石的化學(xué)性質(zhì)

        煤矸石的主要化學(xué)組成為無機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)僅占極少的部分。無機(jī)質(zhì)主要為礦物質(zhì)和水,一般由無機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為氧化物組成,并含有極其微量的的稀有金屬(Ti、V、Co等)[6],而煤矸石中含有的有機(jī)質(zhì)主要以煤為主,并隨著含煤量的增加而升高,主要包括C、H、O、N、S等元素,通常情況下,含C量越高,煤矸石的發(fā)熱量越大。由于煤矸石含有較多的活性物質(zhì),其在一定條件下,會發(fā)生水解,形成板體。煤矸石的化學(xué)性質(zhì)一般呈中性或偏堿性,但是某些含水量較高的煤矸石,會呈強(qiáng)酸性,這是因?yàn)槊喉肥泻械囊徊糠只钚晕镔|(zhì)水解造成的[7]。

        2 煤矸石的資源化利用

        我國是產(chǎn)煤大國,我們的煤炭產(chǎn)量占全球煤炭總產(chǎn)量的1/2左右,煤炭在開采、洗選和加工過程中會產(chǎn)生大量的固廢煤矸石,煤矸石成為產(chǎn)量第二的工業(yè)固體廢棄物[8],而煤矸石的排放量與煤炭的產(chǎn)量具有一定的關(guān)系,大概和煤炭產(chǎn)量的10%~15%相當(dāng)。煤矸石同時具有“廢渣”和“礦物”兩種屬性,是因?yàn)槊喉肥怯啥喾N礦物組成的混合物,如此一來,解決煤矸石污染問題和煤矸石綜合應(yīng)用就成了煤矸石資源化利用的研究方向。

        2.1 煤矸石的分類

        煤矸石成分復(fù)雜并且由于產(chǎn)地的不同組成成分差距也比較大,這就造成產(chǎn)地不同的煤矸石的各項(xiàng)性質(zhì)也不相同,而對煤矸石綜合利用的各種方法對煤矸石的各項(xiàng)性質(zhì)的要求也不同;因此,對于煤矸石的資源化利用來說,對煤矸石進(jìn)行科學(xué)合理的分類具有至關(guān)重要的理論和實(shí)踐意義,其意義主要體現(xiàn)于最大程度的對煤矸石的綜合利用,并基于其分類依據(jù)對煤矸石進(jìn)行分類堆放,避免了煤矸石亂堆亂放對壞境的污染,為煤矸石的綜合利用提供了便利。

        2.2 提取有價元素

        煤矸石的主要礦物組成有:碳酸鹽類礦物、黃鐵礦、黏土類礦物、鋁土礦物、云母、石英、長石、碳質(zhì)和植物化石等。礦物以Al和Si為主要組成元素,除此以外還含有數(shù)量不等的Fe、Ca、Mg、S和P,以及微量的稀有金屬(如Ti、V、Co等),在煤矸石中的隨C含量的增加有機(jī)物的含量也隨之升高,其主要元素組成包括C、H、N和S等[9-10]。因此,分離出煤矸石中的有價元素并對其進(jìn)行高附加值的利用成為大量處理煤矸石的重要方式。

        連明磊等[11]以顆粒活性炭為活化傳熱介質(zhì)來解決活化煤矸石的問題,他們通過實(shí)驗(yàn)得出在微波功率為680W,活化時間為20min時,70目的活性炭和200目的煤矸粉的質(zhì)量比在高于2以后的Al、Fe的浸出率基本不變,且其Al、Fe的浸出率為750℃下焙燒2h的1.5倍左右。他們還運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的方法創(chuàng)建了顆?;钚蕴俊喉肥巯到y(tǒng)在不同微波場中的升溫模型,并通過實(shí)驗(yàn)探索分別建立了活性炭顆粒和煤矸石粉的“棗糕”動力學(xué)模型,其中活性炭的“棗糕”動力學(xué)模型方程為θA=0.8708-0.8708e-0.384t,而煤矸石的“棗糕”模型動力學(xué)方程為θB=1-1.808(-e-0.384t-0.384t)ln1.808,并在實(shí)驗(yàn)中模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)所測值擬合良好,這與傳統(tǒng)高溫焙燒的方法相比較,連明磊等采用的以活性炭顆粒作為活化傳熱介質(zhì)來輔助活化煤矸石的方法不僅大大縮短了活化時間(從2h縮短到24min),而且節(jié)約能源,還提高了有價元素的浸出率,從提取方面提高了煤矸石的利用率,提高了煤矸石的利用效果,促進(jìn)了煤矸石的資源化利用。

        聚硅酸硫酸鋁鐵相對于常規(guī)的絮凝劑來說,具有制備工藝簡單、制造成本低、制造效率高、污泥體積小、電中和作用強(qiáng)、礬花大易沉降、有良好的吸附架橋和沉淀網(wǎng)捕功能等優(yōu)點(diǎn),從一面世就在污水處理方面得到廣泛應(yīng)用。劉成龍等[12]以煤矸石為主要原料,通過酸浸得到含有鐵、鋁硫酸鹽的混合物,在混合物中加入一定量的雙氧水值得PAFS,再通過浸取廢渣得到活性硅酸鈉,最后將PAFS與活性硅酸鈉復(fù)合共聚得到PAFSS; 并且通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出最佳的實(shí)驗(yàn)方案:共聚溫度30℃,共聚時間15min,VPAFS∶VNa2Sio3=4∶1,wNa2Sio3=20%。該研究進(jìn)一步拓展了煤矸石的應(yīng)用途徑,并為PAFSS的制備提供了大量的廉價原料,降低了污水處理的成本,這對于煤矸石的綜合利用有著極大的促進(jìn)作用。

        2.3 煤矸石發(fā)電

        煤矸石發(fā)電也是對煤矸石利用的一種重要途徑,由于煤矸石含有煤及其他可燃物,故可當(dāng)作燃料來進(jìn)行發(fā)電。我國多采用煤矸石與煤泥、焦?fàn)t煤氣等低熱值燃料單獨(dú)或混合使用的方式,多采用大型循環(huán)流化床鍋爐[13]。煤矸石發(fā)電屬于低熱值發(fā)電技術(shù),一般將發(fā)電廠建在燃料地,如此一來,不僅解決了煤礦上用電緊張的局面,還避免了燃料的長途運(yùn)輸,防止煤矸石侵占土地,污染環(huán)境。煤矸石燃燒后產(chǎn)生的爐渣和廢灰具有比較好的化學(xué)活性,可作為其他煤矸石綜合利用方面的原料加以利用,避免了對環(huán)境的二次污染[14]。迄今為止,我國的煤矸石發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢良好,煤矸石發(fā)電技術(shù)趨于成熟,這對煤矸石的綜合利用是一個很大的進(jìn)步,在社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境方面產(chǎn)生了十分顯著的效益。

        2.4 煤矸石制建筑材料

        目前為止,對煤矸石利用最徹底的方法就是制作建筑材料,這也是我國對煤矸石應(yīng)用最廣泛的途徑。煤矸石制磚是使用煤矸石中含有的少量有機(jī)物的自燃,已達(dá)到節(jié)約原料煤的目的[15],由此可知煤矸石制磚需要未自燃過的煤矸石。煤矸石磚的各項(xiàng)性能與傳統(tǒng)的黏土磚相比更加具有優(yōu)勢[16],并且煤矸石含有的少量的有機(jī)質(zhì)的燃燒還可以為制造過程提供一定的熱量,達(dá)到了低熱值燃料資源化利用的目的,節(jié)約了能源消耗。部分煤矸石和黏土的成分相近,故可以代替黏土制造水泥,由于煤矸石中的三氧化二鋁含量較高,所以在制造過程中加入適量的石膏[17]。煤矸石制作建筑材料不僅可以降低建筑材料的制作成本,還可以消耗大量的煤矸石,減少煤矸石的堆積,避免土地的浪費(fèi),防止環(huán)境污染,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

        2.5 煤矸石填充采空礦區(qū)

        利用煤矸石就近填充被采空的礦區(qū),可以是大量的煤矸石在礦井下直接使用[18],減少煤矸石的運(yùn)輸,并且有效的解決了地表塌陷和沉降的問題,減少了煤矸石對方對土地的浪費(fèi),杜絕了其對大氣、土壤及地下水的污染[19]。

        3 結(jié)語

        開發(fā)更多煤矸石利用的新技術(shù),可以更大的促進(jìn)煤矸石的資源化利用,使煤礦企業(yè)的產(chǎn)業(yè)更加多元化,提高了煤礦企業(yè)承受風(fēng)險的能力;同時煤矸石的高附加值得利用還可以緩解煤矸石對環(huán)境及社會造成的壓力,在促進(jìn)社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等方面具有十分重要的意義。

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