酸刺沟煤矿煤矸石综合利用试验研究

分类号：____________ 密　　级：______________ ＵＤＣ：____________ 单位代码：______________ 硕士学位论文 论文题目：增量聚类算法的与实现 学　　　　号：_________________________ 作　 　者：_________________________ 专 业 名 称：_________________________ 2012年4月25日 内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目： 　　　　　 作者：_________________________ 指 导 教 师： 单位： 协助指导教师： 单位： 　　　　　　　 单位： 论文提交日期：2009年 06月 01日 学位授予单位：内 蒙 古 科 技 大 学 增量聚类算法的设计与实现 Study on utilizing the coal gangue in Suancigou coal mine 研究生姓名：王淑玲 指导教师姓名：孟海东 内蒙古科技大学信息工程学院 包头014010，中国 Candidate：Shu-Ling WANG Supervisor：Hai-Dong MENG School of Information Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA 独　创　性　说　明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：___________ 日期：____________ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名：___________ 导师签名：___________ 日期：__________ 摘　要 酸刺沟煤矿是由伊泰集团控股建立的一个现代化大型矿井，设计生产能力1200万吨/a，由于煤层复杂，含矸量大，矿井年排出煤矸石可达200万吨以上，占原煤产量的20%以上。煤矿配套电厂京泰电厂，设计燃用煤矿洗煤厂的煤矸石，但在实际的生产运行中，由于煤矿所产煤矸石不能满足电厂锅炉的需要，因此，目前电厂未能利用煤矸石来发电。对于酸刺沟煤矿和京泰电厂来说，实现对煤矸石的综合利用，是一个双赢的选择。 应用化学分析方法对酸刺沟煤矿煤矸石的常量化学成分进行了分析，发现其中的主要成分是二氧化硅、氧化铝；此外还有少量的氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、二氧化钛、氧化硫等。运用X射线衍射法对酸刺沟煤矿的煤矸石进行了矿物成分的分析，结果显示矸石样品中主要矿物成分为高岭石，矸石样品中含有少量的杂质主要是石英或者是方解石。根据伊泰集团酸刺沟煤矿煤矸石理化性能分析结果，以及结合国家政策和当地建筑材料市场情况，确定了酸刺沟煤矿煤矸石综合利用途径主要是用来生产烧结承重墙体砖和烧结陶粒，并进行了试验研究。 在试验研究中，酸刺沟煤矿煤矸石烧结实验共确定了4个配方，煤矸石的含量分别是65%、70%、75%、80%，粘土含量分别是35%、30%、25%、20%，最后根据煤矸石烧结砖的成型难易度，选择了四个配方中成型难度较大的2号配方：即粘土25%、煤矸石75%的配方的产品进行了产品检测，包括外观、抗折、抗压强度，抗冻、干燥压缩、石灰爆破、泛霜、吸水率和饱和系数试验，试验结果证明其抗折、抗压以及抗冻强度都达到了强度等级为15级的煤矸石砖的，并且检测的其它指标也都得到了煤矸石砖的相关标准。煤矸石生产陶粒试验共确定了5个配方，煤矸石的含量分别是65%、70%、75%、80%、85%，粘土含量分别是35%、30%、25%、20%、15%，实验室试验采用人工模拟成球盘进行造球，经多次烧结试验确定了最佳烧结温度为1000~1100℃。最后对陶粒产品进行了性能检测，根据检测结果可知检测产品均为轻粗集料，且该陶粒为优等品。 最后提出了酸刺沟煤矿煤矸石生产烧结承重砖和陶粒的工艺，并对该项目进行了技术、经济、推广应用前景的分析。 关键词：煤矸石，综合利用，烧结砖，烧结陶粒 Abstract Suancigou coal mine established by Yitai Group is a large modern mine with a design production capacity of 12 million t/a. Over 2 million tons of coal gangue accounted for more than 20% of coal production is discharged. Jingtai power plant, which designed for fueling the coal gangue of the coal preparation plant, can not apply the coal gangue to generate electricity, because the coal gangue does not meet the need of the power plant. For Suancigou coal mine and Jingtai power plant, it is a win-win choice to achieve the comprehensive utilization of coal gangue. The chemical composition of the coal gangue in Suancigou coal mine was analyzed by using the chemical analysis, from the results of which, we found that the main components are SiO2 and Al2O3 and the other small amounts such as CaO, MgO, K2O, Na2O, TiO2, SO3, etc. We determined that the means of the comprehensive utilization of coal gangue is to produce sintered wall brick and sintered ceramsite, according to the analysis of physical and chemical properties of the mine gangue in Suancigou coal mine and, as well as with national policies and the local building materials market conditions. And then the experiments were carried out in the laboratory. We analyzed the mineral compositions of the coal gangue by X-ray diffraction method and found that the mainly mineral composition of it is kaolinite and a small amount of impurities are mainly quartz or calcite. In the sintered tests, we identified four formulations, in which the contents of the coal gangue is respectively 65%, 70%, 75%, 80% and the contents of clay is respectively 35%, 30%, 25%, 20%. In according to the molding difficulty of the sintered brick, we had a series of quality inspecting tests of the products produced by the formulation 2 such as appearance, flexural, compressive strength, freezing, drying compressed, lime blast, pan-cream, water absorption and saturation coefficient test,etc. The test results showed that the flexural, compressive strength and frost have reached the intensity level of 15 gangue brick standards, and testing of other targets have also been associated gangue brick standard. In the sintered ceramsite tests, we identified five formulations, in which the contents of the coal gangue is respectively 65%, 70%, 75%, 80%, 85% and the contents of clay is respectively 35%, 30%, 25%, 20%, 15%. In the lab tests, we made out the ball body using the artificial disc and defined the optimum sintering sintering temperature as 1000-1100°C after lots of the sintered experiments. At last, the performances of the ceramsite were detected, and then we found that all the products were light coarse aggregate and were quality goods. In the end, we proposed the manufacture technical scheme of using the coal gangue in Suancigou coal mine to manufacture the sintered wall brick and the sintered ceramsite, and analyzed the project’s prospects of technology, economy and application and dissemination. Key words: coal gangue; comprehensive utilization; sintered brick; sintered ceramsite 目 录 - 1 -摘　要 - 2 -Abstract - 6 -1 绪论 - 6 -1.1 课题的提出 - 6 -1.2 选题的必要性 - 7 -1.3 选题的意义 - 7 -1.4课题主要工作 - 8 -1.5 课题研究主要方法 - 9 -2 国内外煤矸石综合利用现状 - 9 -2.1 国外综合利用现状 - 9 -2.2 国内综合利用现状 - 12 -2.3目前我国煤矸石利用中存在的问题 - 12 -2.3.1 煤矸石综合利用总体水平不高 - 12 -2.3.2 地区发展不平衡 - 12 -2.3.3 优惠政策落实难 - 12 -2.3.4 缺乏资金渠道 - 12 -2.3.5企业经营管理体制落后 - 13 -2.4 本章小结 - 14 -3 煤矸石样品选取与理化性质研究 - 14 -3.1概述 - 14 -3.2 矿物组成 - 19 -3.3 煤矸石的化学组成特征 - 19 -3.4 本章小结 - 20 -4 煤矸石综合利用途径分析与选择 - 20 -4.1 煤矸石资源直接利用 - 20 -4.1.1 煤矸石制砖 - 22 -4.1.2煤矸石发电 - 22 -4.1.3煤矸石陶粒 - 23 -4.1.4 煤矸石肥料 - 23 -4.2 煤矸石资源深加工利用 - 23 -4.2.1橡胶和塑料的功能型填料 - 24 -4.2.2用于造纸、涂料、油漆等 - 24 -4.2.3开发铝系列化工产品 - 24 -4.2.4生产系列沸石分子筛 - 24 -4.3 煤矸石综合利用途径的选择 - 25 -4.4 本章小结 - 26 -5 利用煤矸石生产烧结承重砖和陶粒试验研究 - 26 -5.1 煤矸石烧结砖 - 26 -5.1.1影响煤矸石砖力学性能和耐久性能的主要因素 - 27 -5.1.2试验用原材料选取与理化特性分析 - 28 -5.1.3 酸刺购煤矿煤矸石烧结实验及产品检测 - 32 -5.2 利用煤矸石生产陶粒试验研究 - 32 -5.2.1煤矸石陶粒项目研究的意义和必要性 - 32 -5.2.2 煤矸石陶粒主要生产工艺流程和设备 - 33 -5.2.3实验室配方设计与试验 - 34 -5.2.4 陶粒性能检测 - 35 -5.3 本章小结 - 36 -6 生产烧结承重砖和陶粒工艺方案选择 - 36 -6.1总图运输 - 36 -6.2生产工艺方案选择与比较 - 36 -6.2.1煤矸石蒸养砖与煤矸石烧结砖生产工艺比较 - 38 -6.2.2生产工艺方案确定与工艺流程 - 44 -6.3 本章小结 - 45 -7 项目的技术经济分析与推广应用前景 - 45 -7.1 技术可行性分析 - 45 -7.2 经济效益分析 - 45 -7.2.1基础数据 - 46 -7.2.2 财务评价 - 47 -7.2.3评价结论 - 47 -7.3 推广应用前景 - 47 -7.3.1国内外发展概况 - 48 -7.3.2产品市场竞争能力 - 48 -7.3.3产品市场销路调查 - 49 -7.4 本章小结 - 50 -8 结论与展望 - 51 -参 考 文 献 - 53 -致 谢 1 绪论 1.1 课题的提出 酸刺沟煤矿是由伊泰集团控股建立的一个现代化大型矿井，设计生产能力1200万吨/a，由于煤层复杂，含矸量大，矿井年排出煤矸石可达200万吨以上，占原煤产量的20%以上。煤矿配套有坑口电站——京泰发电有限责任公司（简称京泰电厂或电厂），设计燃用煤矿洗煤厂的煤矸石和洗中煤、以及洗出的煤泥，可综合利用资源、减少对原煤的需求，变废为宝。但在实际的生产运行中，由于煤矿所产煤矸石灰分偏大、发热量过低，且混有大量的高岭岩和砂岩、不能满足电厂锅炉的需要，因此，目前电厂未能按照设计要求，利用煤矸石来混烧发电。但随着今后生产的不断推进，煤矸石的排放量会越来越大。这样大量的煤矸石不仅侵占大量土地、增加煤矿的生产成本，而且随着公众环保意识的提高，可能引发一系列自然和社会问题，因此，如何解决酸刺沟煤矿的煤矸石的综合利用问题成为煤矿生产方和配套电厂越来越关注的紧迫课题。 从作为煤炭开采、洗选过程中的废弃物的角度考虑，一方面，矸石排放需征用大量的沟地，污染水质、自燃后生成的有害气体，构成了对生态和环境的双重破坏，处理不当，还可造成泥石流、滑坡等事故；同时用于征地、运输、后期环境治理费用逐年增大，另一方面，由于年产量大，几年后就面临无地可征、无沟可排的被动局面。而国定的政策是：煤矸石综合利用要坚持“因地制宜，积极利用”的指导思想，实行“谁排放、谁治理”、“谁利用、谁受益”的原则。将资源化利用与企业发展相结合，资源化利用与污染治理相结合，实现经济效益、环境效益、社会效益的统一。因此煤矸石的处理迫在眉睫。 从另一个角度而言，只有错放的资源，没有无用的垃圾，煤矸石的综合利用既符合国家的环保政策又适应着低炭经济的理念。一方面、煤矸石是一种低热值燃料，煤矸石中含有丰富的可供开发和利用的矿物组分；另一方面，国内外在煤矸石的治理和资源化综合利用方面取得了许多令人瞩目的成就。但要指出的是，在利用过程中，普遍存在着资源利用不充分、经济效益不明显等问题，有时还存在严重的二次污染。因而有针对性的选择利用途径也成为利用的重要课题。 1.2 选题的必要性 煤矸石(Tonstein)由德国地质学家GBischof在对石炭系煤层中粘土岩的研究过程中首先提出。从广义上讲，煤矸石是煤矿生产过程中产生的废渣，包括岩石巷道掘进时产生的掘进矸石，采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里采出来的矸石，以及洗煤厂生产过程中排出的洗矸石。一般把采煤过程和洗煤厂生产过程中排出的矸石叫煤矸石。 随着煤炭生产的不断扩展，煤矸石的产生量与日俱增，按原煤产量的15%计，每年煤矸石至少增加3亿吨，历年积存下来的煤矸石已超过40亿吨，而且仍在继续增加。这样大量的煤矸石不仅严重影响生态环境、侵占大量的土地和农田，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下发生自燃排放大量的有害气体，污染大气环境。 煤矸石对环境影响主要表现在以下几个方面[15-18]： （1）影响土地资源的利用：煤矸石的大量堆放一方面占用大量土地面积，另一方面还在影响着比堆放面积更大的土地资源，使得周围土地变得贫瘠不被利用。 （2）空气污染：长期堆放的煤矸石由于空气氧化而很容易自燃而排放出大量SO2、H2S、CO、氮氧化物和CO2等气体，由于风化作用表面风化成粉尘，在风的作用下这些粉尘悬浮，造成大气污染。 （3）水和土壤污染：煤矸石受到降雨的喷淋或长期处于浸渍状态，会使其中有害成分，尤其是一些有毒重金属如铅、镉、汞、砷、铬等溶解进入水体或渗入土壤，严重影响水体环境和土壤环境，且通过食物链危害人体健康。 （4）滑坡与泥石流：煤矸石山堆积过高，坡度过大，就容易形成滑坡。当降雨等作用使煤矸石山的含水量达到饱和状态，就有可能形成泥石流，造成附近土地被淹。 煤矸石作为“废料”危害很大，但是煤矸石本身作为一种非金属矿产资源，对其进行合理开发利用，找一条较好的利用途径，变废为宝，不仅有利于改善环境，也有助于提高煤矿企业经济效益。 1.3 选题的意义 保护环境是国家的基本国策，随着国家环保执法力度的不断加大，人们对环境质量要求的提高，解决煤矸石污染环境的问题越来越突出；因此，如何综合利用煤矸石、变废为宝，越来越得到人们的重视。煤矸石综合利用符合国家产业政策和环保措施，符合国家节能减排和发展循环经济战略的需要，能有效地促进资源的综合利用，缓解资源约束和环境压力，促进经济社会可持续发展[8,19-20]。 对于酸刺沟煤矿和京泰电厂来说，实现对煤矸石的综合利用，是一个双赢的选择。首先，可以有效地解决煤矸石的堆放问题，消化煤矸石对环境的不良影响，缓解煤矿的环保压力；当前，煤价不断上涨，电厂成本压力越来越高，利用煤矸石来混烧发电，可以减少电厂对煤炭的需求量，有效地降低电厂的运营成本，提高盈利水平和竞争能力；目前，国家对煤矸石综合利用项目有政策支持和一定的税收减免政策，煤矿和电厂均可享受这些政策和优惠措施；解决煤矸石的综合利用，可以有效降低煤矿和电厂的综合运营成本，拓宽煤矿和电厂的盈利来源和产业链，促使矿区和电厂的经济、环境和社会协调发展，实现良好的经济效益、环境效益和社会效益。 1.4课题主要工作 （1）总结目前国内外煤矸石利用的现状和技术途径，并对煤矸石利用中存在的问题进行分析； （2）明确煤矸石的形成机理，了解矿物组成、化学成分等煤矸石的理化特性； （3）根据理化特性分析结果，明确其Al2O3、SiO2等所含比例，为其下一步的综合利用提供技术依据； （4）根据目前煤矸石综合利用途径和技术，结合酸刺沟煤矿和京泰电厂的实际情况，在明确酸刺沟煤矸石特性的基础上，提出合理有效的利用方案和途径，为其商业化应用做好铺垫。 1.5 课题研究主要方法 本文拟在目前煤矸石综合利用现状的基础上，利用理论分析、实验室研究、现场分析等手段，运用采矿工程、矿产资源综合利用、材料化学等基础学科的知识，通过实验室分析并结合生产具体情况，全面论证酸刺沟煤矿煤矸石的综合利用方案的可行性，提出有效实施方案。重点研究酸刺沟煤矿煤矸石的各项理化特性和酸刺沟煤矿煤矸石的综合利用途径。 本文研究内容及研究方法如下： （1）酸刺沟煤矿煤矸石理化特性的分析 对样品进行分析测试，包括化学分析、X射线衍射分析、微量元素分析等，由此详细了解煤矸石的化学成分和矿物组成，对样品进行理化特性的分析是整个研究工作的基础。 （2）酸刺沟煤矿煤矸石综合利用途径的研究 根据酸刺沟煤矿煤矸石的理化特性研究结果提出煤矸石的综合利用途径为利用煤矸石生产烧结承重砖和陶粒。确定生产烧结承重砖和陶粒的最佳工艺参数制作产品并对产品进行各种性能检测。 2 国内外煤矸石综合利用现状 2.1 国外综合利用现状 世界各国都很重视煤矸石的处理和利用，将其称为“新资源”。 法国、英国、美国、波兰、芬兰等国家普遍利用煤矸石发电以及生产建筑材料。英国煤管局在1970年成立了媒矸石管理处；波兰和匈牙利联合成立了海尔得克斯矸石利用公司，这些机构是专门从事煤矸石处理和利用的[1-2]。 原苏联在顿巴斯、库兹巴斯、卡拉干达等产煤地区广泛选用煤矸石作原料，采用挤出法或半干法成型，生产实心或空心砖。苏联建工研究所介绍，利用煤矸石制砖，燃料消耗可以减少80％，产品成本降低19％~20％。 法国目前有500多个煤矸石山，堆存量达10亿吨。根据矸石矿物成分、化学成分和工程特性分别应用到不同方面。主要用于发电，作为建筑材料制砖和生产水泥以及用红矸充填潮湿甚至沼泽地积水塌陷坑。近些年来，用红矸作为筑路石料[2]。 英国煤炭局在全国共管辖着191个矿井，矸石山有800个，煤矸石量已达16亿吨。煤管局所强调的目标是：尽可能缩小地表煤矸石堆对环境的影响，有地进行土地恢复和更新，煤矸石山占地面积约0.9亿m2，其中有0.2亿m2己进行复田。此外，还利用煤煤矸石生产建材[3]。 波兰研究了以煤矸石为主要原料生产砖制品和空心砌块的工艺[4]；匈牙利经过10年的努力，取得生物复田工艺专利。该项目的最成功之处在于可在没有表土层的情况下，仅用一个生长期就能使煤矸石覆盖层变成肥沃的土壤。目前该项技术正在向全世界推广[5]。 近年来，许多国家大力发展煤矸石轻骨料。生产工艺主要有2种：一是利用含碳量较高的煤矸石，采用烧结机生产轻骨料，原苏联、波兰、英国等国家都选用这种方法；另一种是采用回转窑生产烧胀陶粒，法国、比利时等国家采用这种生产工艺。煤矸石的含碳量对轻骨料的质量影响很大，采用烧结机工艺，含碳量在10％左右，可以大大降低燃料消耗；采用回转窑工艺，对含碳量有较严格的要求，以2％为宜。法国、比利时采用含碳量4％、10％的煤矸石。膨胀前在脱碳窑中除去多余的碳。 2.2 国内综合利用现状 我国采煤历史悠久，煤矸石综合利用已有几十年的历史。近年来，随着煤矿环保工作的深入开展和科学技术进步，煤矸石应用领域在逐步拓宽，加工技术日趋成熟，煤矸石的利用率也不断提高，1990年煤矸石利用率为20%，1995年提高到30.5%， 2000年上升到40%，走出长期徘徊不前的局面。 我国在煤矸石综合利用方面取得了一定的成绩和经验，煤矸石发电是煤矸石综合利用社会、环境、经济效益相统一的最有效途径，也是煤矿发展煤矸石综合利用的重中之重，并已形成一定规模[6-8]。原国家经贸委、国家科技部还颁布了《煤矸石综合利用技术政策要点》，指出要“大力发展煤矸石发电”，将利用煤矸石发电确定为综合利用煤矸石的主攻方向之一。煤矸石利用的主要途径有：发电、制砖、生产陶粒、路面基材、煤矸石肥料以及生产煅烧高岭土用于涂料、填料以及一些化工产品的开发等[9-14]。为了进一步提高煤矸石的利用价值，相关企业可以利用科技创新，争取开创一条上下游衔接的煤矸石产业链，可用质量好的煤矸石生产煅烧高岭土等非金属矿物，或生产瓷质砖；用质量稍差的煤矸石发电或烧制墙体砖；余下的残渣用来制造水泥，生产免烧新型墙体材料或制造土壤改良剂，再用剩余的残渣来复垦塌陷地；暂时利用不了的煤矸石山可采取生物工程治理措施进行绿化，营造出优美的矿区环境。通过这样一条产业链，煤矸石的资源价值得以最大限度地发挥，避免了单纯利用原生煤矸石可能带来的二次污染。目前国内的最成熟的方案和煤矸石利用率最高的项目为制备矸石砖及建筑轻集料，其它利用项目尚处于探索阶段，主要原因是由于各地矸石成分不同，研究工作开展的少。 综合以上和相关技术领域专利、文献等的检索，总结目前国内外煤矸石综合利用的主要领域，煤矸石综合利用主要表现在以下方面，如图1-1所示。 图1.1 煤矸石综合利用主要途径 随着我国工业技术水平的发展和社会对新产品的要求，煤矸石资源化综合利用，应该在上述利用的基础上，依靠科技进步，开发煤矸石石资源化综合利用新技术、新方法、新产品，尤其是开拓具有高科技含量、高附加值深加工产品，并使其产业化。这样，在满足社会需求的同时，培育了衰老矿山或资源枯竭型煤矿城市经济转型接续产业，增加新的经济增长点，创造更多的就业机会，以取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。 2.3目前我国煤矸石利用中存在的问题 2.3.1 煤矸石综合利用总体水平不高 主要表现在技术装备落后，企业规模小，发展后劲不足，竞争能力弱等方面。目前煤矸石综合利用技术装备水平达到国际20世纪90年代先进水平的比例还不足20 %，一些技术含量高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。企业规模普遍偏小，如全国煤矸石砖厂的平均生产能力不足1000 万块标准砖，且品种单一，不能适应市场需要；产品附加值低，竞争能力较差。随着市场经济体制的建立这一问题将日趋显现，一些企业在市场竞争中步履维艰，发展后劲严重不足。 2.3.2 地区发展不平衡 在能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，如华东地区、西南地区，煤矸石综合利用率一般在60%以上，高于全国平均水平18个百分点，其中山东73%，四川62%，重庆65%。而在煤炭资源相对丰富的地区，煤矸石综合利用发展较慢。 2.3.3 优惠政策落实难 目前，国家已经出台的优惠政策，在某些地区还存在落实难的问题，尤其是对煤矸石发电在上网、电价、调峰等方面的优惠政策，由于涉及部门利益等原因，一些地区落实起来比较困难，难就难在项目审批难、并网发电难、政策落实难，严重挫伤了企业开展煤矸石综合利用的积极性。 2.3.4 缺乏资金渠道 各地区普遍反映，煤矸石综合利用项目在资金上得不到保证，投入严重不足。目前国家没有专项资金扶持，原有的煤矸石综合利用专项资金已被取消，而新的融资渠道还没有形成，特别是商业银行对煤矸石综合利用贷款条件苛刻，企业筹措资金困难，一些煤矸石发电、煤矸石建材项目难以落实，给煤矸石的扩大利用带来不利影响。 2.3.5企业经营管理体制落后 目前，煤矸石电厂和某些煤矸石建材企业不是独立核算单位，而是隶属于生产矿井的二级法人或生产车间，这种经营管理体制不能实行自主经营，自我发展，不能正常还贷付息。实践证明：不适应市场经济要求，严重影响煤矸石电厂或建材企业的积极性。 2.4 本章小结 煤矸石是一种固体废弃物，又是一种宝贵的资源。本章首先讲述了煤矸石在国外综合利用现状，其次阐述了煤矸石在国内的综合利用现状，最后讲述了目前我国煤矸石利用中存在的问题。 3 煤矸石样品选取与理化性质研究 3.1概述 煤矸石是指煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含碳岩石及岩石，是指煤矿建设生产过程中所排放出的固体废弃物的总称。煤矸石的来源主要有以下三个方面： （1）岩石巷道掘进时产生的煤矸石，通常称为原矿石，占煤矸石的60%~70%。主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。 （2）采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里所产生的煤矸石，占煤矸石的10%~30%。煤层顶板常见的岩石包括泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩；煤层底板的岩石多为泥岩、页岩、黏土岩、粉砂岩；煤层夹矸的岩石有黏土岩、碳质泥岩、粉砂岩、砂岩等。 （3）煤炭分选或洗选过程中产生的煤矸石，又被称为洗矸石，约占煤矸石的5%。其中主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿等组成。 3.2 矿物组成 研究区煤矸石矿物组成主要为粘土矿物、石英、方解石等矿物，还有少量黄铁矿、碳酸盐等伴生矿物。 为了详细了解伊泰集团酸刺沟煤矿煤矸石的矿物组成，此次研究对矸石样品进行了X射线衍射分析，分析图谱见图3.1~图3.9。 图3.1 伊泰集团酸刺沟煤矿4号矸石X射线衍射图谱 图3.2 伊泰集团酸刺沟煤矿4号矸石X射线衍射图谱 图3.3 伊泰集团酸刺沟煤矿4号矸石X射线衍射图谱 图3.4 伊泰集团酸刺沟煤矿6号矸石X射线衍射图谱 图3.5 伊泰集团酸刺沟煤矿6号矸石X射线衍射图谱 图3.6 伊泰集团酸刺沟煤矿6号矸石X射线衍射图谱 图3.7 伊泰集团酸刺沟煤矿洗矸X射线衍射图谱 图3.8伊泰集团酸刺沟煤矿洗矸X射线衍射图谱 图3.9 伊泰集团酸刺沟煤矿洗矸X射线衍射图谱 对上述图谱进行详细分析可知，图3.1~3.3均为酸刺沟煤矿4号矸石的衍射图谱，其主要的特征峰就是高岭石的特征峰，图3.1的4号矸石样品中含有较多的石英，图3.2的4号矸石样品中含有少量的石英，图3.3 的4号矸石样品中含有较少的石英和方解石。图3.4-3.6均为酸刺沟煤矿6号矸石的衍射图谱，其主要的特征峰就是高岭石的特征峰，图3.4的6号矸石样品中含有较少的石英，图3.5的6号矸石样品中含有较多的石英，图3.6的6号矸石样品中含有较少的石英和很少的方解石。图3.7-3.9均为酸刺沟煤矿洗矸的衍射图谱。图3.7和图3.9的主要特征峰就是高岭石的特征峰，图3.8的主要特征峰为方解石的特征峰，图3.7的洗矸样品中含有较少的石英和方解石，图3.8的洗矸样品中含有很少的石英，图3.9的洗矸样品中含有较少的石英。 3.3 煤矸石的化学组成特征 研究区矸石样品的具体化学组成见表3.1。 从矸石样品的化学成分分析可知，研究区矸石主要化学成分有SiO2、Al2O3，此外还有少量的CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、P2O5、SO3等。 表3.1 伊泰集团酸刺沟煤矿煤矸石化学成分分析 样品 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 P2O5 SO3 LOS 4矸 34.53 26.98 0.33 0.19 0.11 0.19 0.16 0.92 0.02 0.16 36.21 6矸 43.97 31.96 0.29 0.17 0.10 0.26 0.19 0.58 0.03 0.03 21.77 洗矸 37.89 28.44 0.46 0.47 0.08 0.27 0.34 0.86 0.05 0.13 29.75 3.4 本章小结 本章着重分析了伊泰集团酸刺沟煤矿的煤矸石的理化性质，主要包括以下几点： 1、用化学分析方法对酸刺沟煤矿煤矸石的常量化学成分进行了分析，发现其中的主要成分是SiO2、Al2O3；此外还有少量的CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、SO3等。 2、运用X射线衍射法对酸刺沟煤矿的煤矸石进行了矿物成分的分析，结果显示矸石样品中主要矿物成分为高岭石，矸石样品中含有少量的杂质主要是石英或者是方解石。 4 煤矸石综合利用途径分析与选择 煤矸石综合利用， 不外乎是煤矸石发电、生产建材等大宗量利用和高科技、高附加值的深加工利用。物质组成特点决定了煤矸石资源是直接利用还是可以深加工利用。 4.1 煤矸石资源直接利用 煤矸石直接利用不仅消耗煤矸石量大，有利于高效快速解决其堆存造成的环境问题，而且技术难度相对较低，没有高投资风险，多种利用技术方法已经成熟，具有丰富的工业化生产经验。 4.1.1 煤矸石制砖 我国煤矸石制砖从20世纪60年代开始至今，已积累了丰富的实践经验，产品也逐步多样化，从实心砖到空心砖、低标号砖到高标号砖，形成了不同规格的系列产品。而且，在全煤矸石砖的基础上，还研制了非烧结砖、炻器砖、锦光墙地砖等。煤矸石制砖的工艺和设备与传统粘土烧结砖基本相同。以煤矸石代替粘土，利用煤矸石自身的发热量内燃，节约了外加燃料，可做到制砖不用土，烧砖不用煤或少用煤。同时，煤矸石砖的产品质量可以达到甚至超过传统粘土砖的质量标准。 为加大煤矸石利用量，减少占地和保护环境，国务院和有关部门已多次发出通知，要求充分利用煤矸石资源，大力推广煤矸石制砖，限制粘土砖生产，还颁布了利用煤矸石制砖减免增值税和所得税等优惠政策。由此可见，利用煤矸石制砖是节土、节煤、保护环境的有效途径，符合国家政策要求。 国家经贸委、国家科技部颁布的“煤矸石综合利用技术政策要点”指出要“大力发展煤矸石空心砖等新型建筑材料”，并将煤矸石烧结砖确定为综合利用煤矸石的重要方向。 并非所有煤矸石都可以作为制砖原料，煤矸石的物质组成和物理理化学性能对空心砖质量有着极大影响，必须满足一定的条件才能成为制砖的合格原料。 1、岩性 煤矸石的岩性类型主要是泥质页岩、碳质页（泥）岩、粉砂质页（泥）岩、泥质粉砂岩及粉砂岩，有时还有砂岩、灰岩等。泥质页岩质软，易风化，易粉碎。碳质页（泥）岩易风化，易粉碎，风化程度仅次于泥质页岩。粉砂质页（泥）岩较坚硬，较难风化，也较难粉碎。砂岩质地坚硬，难风化，难粉碎。灰岩坚硬，性脆，难风化，较难粉碎。 泥质页岩型和碳质页（泥）岩型煤矸石是制砖的最好原料，粉砂质页（泥）岩型煤矸石次之。灰岩型甚至含碳酸盐矿物较多的其他岩性类型煤矸石不能成为制砖原料。砂岩型煤矸石需要与泥质和碳质页岩合理配料，达到适宜的粒度和焙烧温度曲线，才能生产出合格的空心砖。 2、煤矸石的物理性能 （1）硬度：用以制砖的煤矸石，其普氏硬度系数应低于4，且相对稳定为最佳。硬度及其变化范围对原料加工影响比较大，关系到破碎设备选型和粉料粒度组成，并影响制品的质量。 （2）粒度：粒度组成直接影响制品原料的可塑性、收缩率和烧结性。粒度细，可塑性好，成品结构细密，强度高；但粒度过细，砖体收缩率大，干燥敏感系数高，设备要求高；电耗及成本大；粒度过粗，砖体塑性低，成型困难，砖机磨损严重，燃烧不充分，影响制品强度和抗冻性能，外观粗糙。对煤矸石的粒度要求是成型泥条不裂，切出砖坯棱角完整，烧好的砖面光滑，满足强度要求。一般粉碎粒度控制在3mm以内，0.5mm以下的应超过60%。煤矸石制坯前必须进行粉碎处理。粉料的粒度级配对原料工艺性能、产品合格率、产品质量均产生较大的影响。通常煤矸石空心砖和多孔砖的粉料粒度控制范围为：2.0~1.0mm，10%~14%；1.0~0.3mm，36%~40%；<0.3mm，45%~50%。如用煤矸石烧结高质量的饰面砖和多孔薄壁制品，其物料粒度应控制在1mm以下为好。有的煤矸石塑性指数较高，泥质煤矸石遇水崩裂，粗粒变成泥状，其粒度应予放宽。 （3）可塑性：煤矸石的可塑性直接影响砖坯成型和干燥质量。塑性高时，砖坯裂缝减少，强度高，但必然增加干燥与焙烧管理难度。塑性低时，成型困难，制品强度低。因此，需要通过改变原料粒度组成，适量掺入其他制剂或原料，加热搅拌，改变陈化时间等措施来控制煤矸石原料可塑性。 （4）发热量：煤矸石砖是靠坯体内可燃物燃烧来进行焙烧的。煤矸石发热量的高低会引起砖体的变形或粘结、欠火或无法烧结。研究表明，适合于制砖的煤矸石的最佳热值应为1.67~2.09MJ/kg。煤矸石砖超内燃焙烧会影响产品产量，降低产品质量。为改变这种状况，须用低热值、无热值的煤矸石、页岩、粘土等进行合理配料，使配合料的发热量控制在最佳热值水平。而对于低热值煤矸石，则应掺入煤粉等较高热值的物料，使之达到最佳热值，也可用外投燃料来补充。 （5）含水率：由于采运或贮存方式的不同，煤矸石的自然含水率也不同。含水率的高低会影响破碎设备的选型或带来粉尘污染，增加生产工艺的复杂性和技术管理难度。可通过原料晾干，增加贮存时间，干燥或多次加水搅拌的方法改变含水率，满足制砖的要求。 3、煤矸石的化学性能 煤矸石的主要化学成分是SiO2、Al2O3，其他常见的成分有Fe2O3、CaO、MgO、SO3等。SiO2含量越多，塑性越低，强度越高；含量越少，强度越低。Al2O3含量越多，塑性、耐火度和强度越高；含量越少，强度越低。Fe2O3含量越多，烧成温度低，强度下降。CaO含量过多，会引起坯体变形，制品开裂，危害很大。MgO含量过多，会引起制品泛霜和膨胀，制品质量不稳定。氧化硫（SO3）含量过多引起制品体积膨胀、泛霜，崩溃松散。特别值得重视的是：煤矸石含硫量过高，不仅影响砖的质量，还会造成严重环境污染。 4.1.2煤矸石发电 煤矸石发电是大宗量直接利用煤矸石的有效途径。《煤炭工业“十五”计划和2015年规划》中强调，要“积极发展中煤、煤泥和煤矸石电厂，加强煤矿开发过程中的环境保护。到2005年全行业煤矸石（煤泥）年利用率达到当年排放量的80%（8000万t左右）”，主要措施是利用煤矸石发电。 目前，全国煤矿已建成运行的煤矸石发电厂有100多个。发展煤矸石电厂是我国实施可持续发展战略，加强环境保护，实现资源的有效配置和利用以及煤炭行业、产业、产品结构调整的必然选择。 按照《煤矸石综合利用管理办法》，含碳煤矸石的燃料发热量小于12550kJ/kg时，主要用途有：发热量大于7500kJ/kg直接用作循环流化床锅炉燃料，其灰渣生产建材。发热量低于7500kJ/kg者可掺加煤泥、洗中煤后用于煤矸石发电厂。 除岩巷掘进所排放的废石外，煤矸石通常或多或少含煤，还往往含有以黄铁矿出现的硫化物，使得煤矸石发火点多为280℃左右，比煤的发火点约低80℃。煤矸石的发热量在3350~6280kJ/kg，经过人工筛选后最大可达16700kJ/kg。显然，利用煤矸石的热能进行发电是大有作为的。 4.1.3煤矸石陶粒 煤矸石陶粒属轻骨料，具有轻质高强、保温性能好、抗震防火等特点，广泛用于建筑材料。同时，用煤矸石制陶粒还具有工艺简单、设备投资较小、产品销路好等特点，是部分煤矸石开发利用的重要方向。 1、煤矸石陶粒的原料 已有研究成果表明，高膨胀性能陶粒的原料化学组成合理范围为：SiO2≤60%，Al2O3为14%~20%，CaO+MeO≤7%，Fe2O3+FeO约6%~10%，R2O+Na2O为3%~%5。由此可见，碳质页岩型和泥质页岩型煤矸石是比较合适的原料。它们不仅化学组成合理，而且通常具有良好的烧胀性能。 4.1.4 煤矸石肥料 化肥为提高农作物的产量起到了十分重要的作用，但长期过多地施用化肥易造成土壤板结影响作物生长，并给生态环境带来严重危害。另外，化肥生产还是一种高耗能产业，随着世界能源的紧缺及其价格的上涨，化肥生产成本在不断提高，化肥的价格也随之上扬。 碳质页（泥）岩是煤矸石的重要岩性类型，其有机质含量可达15%~20%，并还有植物生长所需的 B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn 等微量元素，此外还含有一定量的 N、P、K，具有较大的吸收容量。因此，施于田间可以增强土壤肥力，改善土壤结构，使土壤疏松、透气、保墒，使作物增产，还可保持2~3年之肥效。 因为煤矸石具有上述特性，以煤矸石作复合肥料在国外早已得到推广应用。近年来，我国许多研究单位也开展了煤矸石肥料研制，并取得了可喜的成绩。经田间试验，均有明显增产效果。迄今已有多个品种实现工业化生产，获得了良好的经济效益和社会效益。 4.2 煤矸石资源深加工利用 煤矸石作为一种资源，煤矸石直接利用无疑存在着附加值低、经济效益较为低的弊端。尤其是杂质含量较低，以粘土矿物为主要组成矿物的煤矸石，经深加工处理，可开发出优质的涂料、填料、分子筛物料、白炭黑和铝系列化工产品，能充分发挥资源效益，也可获得更高的经济效益。对于优质煤矸石，应优先开发深加工产品，以达到充分利用资源、提高企业效益的目的。 煤矸石经过特定的深加工处理，这些煤矸石可开发出多用途产品，比直接整体利用具有更高的资源、经济和社会效益。 4.2.1橡胶和塑料的功能型填料 煤矸石用于填料有两种不同的加工方法：一是直接粉碎到一定粒度（未煅烧）经表面改性处理后作填料，另一种是粉碎煅烧再经表另面改性处理后作填料。两种不同的加工方法对原料的要求不尽相同，前者要求含有机物成分较高，后者则要求粘土矿物含量要高。 从组成上看，煤矸石含有大量的非金属矿物，这些非金属矿物具有独特的物化性能，加工后可作为功能性填料。如铝含量高的煤矸石，经加工可作为阻燃型填料。同时，在未经灼烧的煤矸石粉中含有大量的有机成分，这些有机成分含有多种不同性能的官能团。这些官能团有利于矸石粉在有机高聚物中的稳定均匀分散，并在表面改性中提供更多的作用点，从而增强粉体的填充功能。 煤矸石粉所含的有机组分对改善粉体与高聚物本体材料之间的相容性与分散性起着至关重要的作用。而这是许多其他非金属矿资源所不具备的，也是煤矸石粉作为填料的重要优势所在。越来越多的试验研究表明，煤矸石粉对橡胶具有补强作用，在替代部分补强炭黑之后，试样仍能达到部颁优质品标准。同时，煤矸石粉填料还可增加试样耐磨性和耐腐性。 4.2.2用于造纸、涂料、油漆等 煤系煅烧高岭土以其特有的假六方片晶结构、高孔隙率等特点，使其具有光散射率高、遮盖力好等优点，能提高涂料层的覆盖能力，可改进油墨的固着速度和印刷适性，提高印刷纸的平滑度、光泽度。而且经过煅烧改性后具有高白度，广泛地应用于陶瓷、造纸、涂料、油漆、橡胶、塑料填料等行业，为各工业部门带来了理想的使用效果。 4.2.3开发铝系列化工产品 湖南煤矸石含有大量的SiO2和Al2O3，除部分含碳量较高的煤矸石外，二者的总含量占85%~95% ，甚至更高。经化学活化处理后与其他原料配合可制得铝盐系列化学品、硅系列化学品或硅铝系列化学品。 4.2.4生产系列沸石分子筛 部分高岭石质煤矸石的铁、钛等有害杂质元素含量低，并容易去除，是许多沸石分子筛品种合成的理想原料。经煅烧活化后，只需补加部分物料进行成分和配方调整，即可经水热转化合成型沸石等。因此，合成沸石分子筛也是煤矸石深加工利用的重要方向。 4.3 煤矸石综合利用途径的选择 煤矸石开发利用的程度取决于多种因素，在市场经济中，开发出来的产品能给企业带来显著的经济效益是其推广应用的前提条件，但同时开发利用程度也受到技术条件和社会因素的制约。为了保护有限的粘土资源，国家及当地政府部门已出台了有关政策，限制使用粘土烧结砖，而鼓励使用煤矸石及其它工业废渣生产建筑材料。利用煤矸石生产承重墙体砖和烧结陶粒砌块主要用于取代目前建筑市场上使用的粘土烧结砖和混凝土砌块。据我们对鄂尔多斯市及周边地区近几年来使用承重墙体砖的调查，平均每年使用粘土烧结砖15亿块，目前还没有其它建筑材料来取代粘土烧结砖，根据酸刺沟煤矿煤矸石情况，年可生产煤矸石承重墙体砖2亿块，仅占该地区所用粘土砖的八分之一。另外利用煤矸石生产烧结陶粒也将为市政工程建设提供优质产品。因此，无论从国家政策上讲，还是从产品质量和数量上讲，煤矸石承重墙体砖和烧结陶粒的销售都是没有问题的。 在对伊泰集团酸刺沟煤矿煤矸石理化性能分析的基础上，以及结合国家政策和当地建筑材料市场情况，确定了酸刺沟煤矿煤矸石综合利用途径主要是用来生产烧结承重墙体砖和烧结陶粒。 4.4 本章小结 本章首先讲述了煤矸石资源直接利用的途径：煤矸石制砖、煤矸石发电、煤矸石陶粒、路面基材以及煤矸石肥料；其次阐述了煤矸石资源深加工利用途径：煤矸石用于橡胶和塑料的功能性填料，用于造纸、涂料、油漆等，开发铝系列化工产品，生产系列沸石分子筛。最后根据伊泰集团酸刺沟煤矿煤矸石理化性能，以及结合国家政策和当地建筑材料市场情况，确定了酸刺沟煤矿煤矸石综合利用途径主要是用来生产烧结承重墙体砖和烧结陶粒。 5 利用煤矸石生产烧结承重砖和陶粒试验研究 5.1 煤矸石烧结砖 煤矸石烧结砖是指以煤矸石、水、粘结剂为原料，按适当比例进行搭配，经均匀搅拌，加压成型和烧结后，具有一定的强度和耐久性的墙体建材。煤矸石砖的试验研究主要是根据影响煤矸石砖的力学性能和耐久性能的主要因素，通过试验和分析找出如何根据不同的煤矸石理化特征，寻找最佳配方，并最大限度地利用有效因素和克服不利因素。在原材料配方和生产工艺流程最经济的前提下，最大限度地提高煤矸石砖的力学性能和耐久性能。 5.1.1影响煤矸石砖力学性能和耐久性能的主要因素 5.1.1.1影响煤矸石砖力学性能的主要因素 煤矸石砖的力学性能主要由强度（特别是抗压强度）来体现；强度也是工程对材料的基本要求。煤矸石砖的抗压强度也是其性能最基本、最具有代表性的指标。试验研究表明：影响煤矸石砖抗压强度的最主要因素为：原材料的级配，粘结剂类型与掺量和砖的密实程度。 1）原村料级配对抗压强度的影响 原材料的级配是指煤矸石砖中各种原料颗粒的粗细所占比例，配制煤矸石砖的理想原料类似于配制混凝土对骨料的要求，应该具有较好的粒径级配，通过试验证明增加原材料中细粒的含量可提高煤矸石砖的强度，反之，煤矸石砖的强度随着细粒原料含量的增加而增加，进一步地试验表明，原料中含有一定数量的特细灰（<200目），对提高煤矸石砖强度是有益的。 2）粘结剂掺量对抗压强度的影响 影响煤矸石砖抗压强度的另一个因素是粘结剂的掺量，在其它条件给定的前提下，粘结剂掺量越高，成型越容易，煤矸石砖的抗压强度也越高。试验表明，单位粘结剂掺量所获得的抗压强度随粘结剂掺量的增加而渐趋降低。困此在生产不同标号的煤矸石砖时，都应通过试验来寻找不同粘结剂掺量时，煤矸石砖强度的增加值，以求得到抗压强度与粘结剂掺量的比值最大，同时也找出了最经济的配方。 3）密实度（干容重）对抗压强度的影响 煤矸石砖各种原料经搅拌后，是一种处于松散状态的混合物，完全不具有强度，只有将其压实，使原料颗粒紧密连接，才能保证煤矸石砖应具有的强度，试验证明煤矸石砖的干容重越大，抗压强度越高，在其它条件相同时，干容重与抗压强度呈正相关关系。 因此，为了提高砖的抗压强度，应考虑如何提高干容重，影响煤矸石砖干容重的因素有：挤压功能，含水量和原料级配，对于同一种原材料，挤压功能愈大，含水量越小