煤矿固体废物_煤矸石的资源化利用_冯朝朝

2 煤矸石的来源与化学组成
2.1 煤矸石的来源
煤矸石的主要来源有：①露天剥离以及井筒和
巷道掘进过程中开凿排出的矸石；②在采煤和煤巷
掘进过程中，由于煤层中夹有矸石或削下煤层底
板，使运到地面上的煤炭中含有矸石；③煤炭洗选
过程中排出的矸石，其生产情况见表 1。
表 1 煤矸石的来源及生产情况
煤矸石来源
露天迁采剥离 及井筒和巷道 掘进排出的矸
以下的钛，其耐磨、抗腐蚀及高温强度等机械性能 泥，其中用的较多的即包括煤矸石。利用煤矸石代
大大提高，因此，深受用户欢迎。但由于钛的来源十 替黏土可烧制各种水泥，如普通硅酸盐水泥、少孰
分困难，价格昂贵，致使含钛合金成本高昂。充分利 料或无孰料水泥，用高铝煤矸石还可烧制特种水泥。
用煤矸石中的硅铝钛，直接用于制取硅铝钛合金， 4.4.2 生产轻骨料
煤矸石的处理与利用可以达到保护耕地的目 的，减少占地，保护耕地是关系到我国粮食安全和 保证 13 亿人吃饭的一件大事。煤矸石资源化利用 还可以减轻甚至消除煤矿矿区生态污染，尤其是减 轻矿区大气污染和地下水污染。
1 固体废物的排放现状
随着工农业的发展，城市人口的增加，人民生 活水平的提高，人们在生产过程和社会生活中所排 放的固体废物越来越多。根据中国环境年鉴统计，中 国 1985 年工业固体废物的产生量为 4.8 亿 t，1990 年增加至 5.8 亿 t，平均年增长 3.9%。工业固体废物 中，以煤矸石和粉煤灰所占比例最大，以 1995 年为 例，全国总共产生工业固体废物 6.5 亿 t，其中煤矸 石占 1.5 亿 t，粉煤灰占 1.0 亿 t，两者合计约占总量 的 40%[1]。
4.2 从煤矸石中生产硅铝系合金
杂质后，煤气进入燃烧器[3]。
硅铝系合金广泛应用于冶金、交通运输、建筑、 4.4 煤矸石用于生产建筑材料
矿山机械和农业机械等众多行业，约占铝消费总量 4.4.1 生产水泥
的 1／3。硅铝铁合金是炼钢生产中的脱氧剂，在钢
水泥工业是大量消耗燃料的工业，为了节约燃
铁生产中起着重要的作用。在硅铝系合金中加入 0.3% 料有人主张利用一切含有可燃物质的废渣烧制水
煤矸石在露天堆放过程中，经降水淋溶后，促 进煤矸石中有害重金属的活性，部分被溶解并随降 水形成地表径流进入土壤，污染了水源和农作物， 当人们饮用、食用重金属含量高的水和蔬菜瓜果 时，就容易引发疾病。 3.3 对矿区土壤的损害
煤矸石山对矿区土地的破坏主要有 2 个途径， 一是煤矸石山风蚀扬尘，向周围的地方降落，如东 荣矿区处于煤矸石山的下风向，距矸石山 500 m，降 尘量为 818.4 t/a·hm2，距矸石山 200 m 处为 62.4 t/a· hm2，降尘中含有各种重金属元素，严重污染土壤， 同时，降尘阻碍植物的光合作用；二是降尘进入土 壤后，破坏了土壤中重金属的本底值和平衡关系， 同时也破坏土壤的养分[1]。
5 结论
煤矸石有许多利用途径，应根据各地煤矸石的 化学成分的不同，选择最佳的利用方法。主要对煤 矸石回收煤炭、硫和氧化铝、冶炼硅铝系合金做了 详细介绍。当然，煤矸石用于生产农业肥料、工业保 温材料和过滤材料等，都是很有发展前途的产业，应
利用煤矸石生产硅铝钛合金，首先要制得硅钛
氧化铝，然后补充加入氧化铝进行冶炼。
矿能解离 80%左右,破碎至 1 mm 以下几乎全部解离。
星散状分布的黄铁矿很少，多呈 0.2 mm 立方体单晶，
嵌布于网状岩脉中很难与脉石分开。黄铁矿回收方
法和工艺流程原则上是从粗到细把黄铁矿破碎成
单体解离，先解离，后回收，分段解离，分段回收。常
第8期
冯朝朝，等：煤矿固体废物—煤矸石的资源化利用
其意义就不言而喻了。
轻骨料是为了减少混凝土的相对密度而产生
4.2.1 硅铝铁合金
的一种多空骨料，它比一般卵石、碎石的密度小得
生产硅铝铁合金，一般对煤矸石化学成分的要 多。国外用煤矸石生产轻骨料的工艺分为两种，一
求：Al2O3 为 35%~55%，SiO2 为 20%~35%，Fe2O3 为 种是用烧结机生产烧结型的煤矸石多空烧结料；另
0 前言
矿山环境是指以人为主体，矿山所在地及其周 围一定范围内的空气、阳光、土壤、生物和地质及其 构造（岩石、地层特点和稳定性等）状况。矿业在其 开采、加工、运输过程中，会对自然环境造成较大的 破坏，而煤矸石就是其中污染比较严重的一类固体 废物。
开发利用煤矸石具有环保和经济两重意义。① 矸石作为废弃物，长期以来给人类带来了不可忽视 的 公 害 。矸 石 山 可 以 说 是“ 三 废 ”（废 渣 、废 气 和 废 水）俱全的污染源；矸石山占有了大量耕地，自燃时 大量排放有害气体，下雨后更使得有害物随水流出 或渗入地下水，污染大气、农田和江河湖泊，影响人 们的健康；②煤矸石作为资源，它既是劣质燃料，又 是建材和其他一些工业的原料，是为人民造福的财 富。
4.1.2 回收黄铁矿
黄铁矿是化学工业和化肥工业的重要原料。我
国已探明的煤系黄铁矿储量大约 16.4 亿 t，占全国黄
铁矿保有储量的一半以上。赋存在煤中的黄铁矿，
经过洗选后大部分富集于洗矸中。
洗矸中黄铁矿以块状、脉状、结核状及星散状 4
种形态存在。其中前 3 种以 2~50 mm 大小不等、形
态各异的结核体常见，矸石破碎至 3 mm 以下，黄铁
4 煤矸石的综合利用
4.1 从煤矸石中回收有用矿物 有些矸石中（如洗矸和煤巷掘进排矸）含有一
定数量的煤、煤矸连生体和碳质页岩；有些是高铝 矸石、石灰岩矸石，黄铁矿也常富集在洗矸中。对于 这类煤矸石可以采用适当的加工方法回收有用矿 物，提高品位作原料或燃料使用。矸石中的矿物能 否加以回收，主要取决于技术和经济上的可行性。 4.1.1 回收煤炭
4.2.2 硅铝钛合金
生产硅铝钛合金，要求所用的煤矸石含有一定
量的 TiO2，其化学成分大致如表 3 的范围[2]。
表 3 煤矸石的化学成分
成分 Al2O3 SiO2
TiO2 Fe2O3 Na2O MgO 烧失量
含量/% 20~30 50~60 0.5~1.5 1~5 0.5~5 0.5 10~15
主要化学成分
SiO2 40%～70%、Al2O3 15%～30% SiO2>70% Al2O3>40% CaO>30%
矸石的岩石类型
黏土岩矸石 砂岩矸石
铝质岩矸石 钙质岩矸石
3 煤矸石对矿区环境的污染
3.1 对矿区大气环境的污染 煤矿开发和利用，使矿区的大气环境质量严重
下降，矿区空气污染日趋恶化，煤矸石山就是重要 的空气污染源。煤矸石在提升、运输、堆放过程中， 会形成一种粉尘颗粒，在风速达 4.8 ms 时，颗粒就 会飞起并悬浮于大气中。据实测，在距矸石山下风 方面 500 m 处，总悬浮颗粒浓度可达 0.8 mg/m3。粉 尘中含有很多对人体有害的元素，如 Hg、Cd、Cr、Cu、 As、Mn、Zn、Al 等。小于 5 μm 的颗粒会被人吸入肺 部，导致各种疾病，如：气管炎、肺气肿、尘肺等。大 于 5 μm的颗粒也会留在人的鼻腔中，导致鼻腔感染， 若进入眼中，会引起各种眼疾。 3.2 对矿区水体的影响
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采用的是跳汰—摇床联合工艺回收黄铁矿。
有给料口加入到煤气发生炉，一次鼓风机的风流沿
4.1.3 提取氧化铝
管道经炉底的塔形炉箅进入炉内，同时，适量水蒸
煤矸石中富含氧化铝，采用化学方法进行浸取， 气通过管道同一次风混合送入发生炉，制成混合煤
可以获得纯净的氧化铝产品。
气。混合煤气经管道进入油水分离器，净化并分出
洗矸石
分级振动筛 准25 mm
缓冲水仓
人工手选胶带
水力旋流器
－
＋
振动脱水筛 准1 mm
－
＋
中块煤 矶子石 大矸石 （25~50 mm）
再洗煤
再洗碎矸 （0~25 mm）
图 1 矸石再洗系统工艺流程示意
洗矸由胶带运至缓冲仓，再从缓冲仓由胶带送
至 准25 mm 分级振动筛。大于 25 mm 的借人工手选
15%~30%。生产工艺如图 2 所示：
一种是用回收窖生产膨胀型煤矸石陶粒。目前，我
煤矸石
铁矾士Leabharlann Baidu
钢屑
烟煤
国生产煤矸石轻骨料尚处初级阶段，主要用回转窖 烧制煤矸石陶粒，其工艺流程主要包括破碎、磨细、
破碎 计量 掺和 成团 熔烧 浇注成模 产品 加水搅拌、造粒成球、干燥、焙烧、冷却等工序[4]。
图 2 冶炼硅铝铁合金生产工艺流程
煤炭洗选排矸量，约占煤矸石总排放量的 30%。 洗矸发热量大多为 2.09~6.28 MJ/kg，常被作为矸石 电厂的沸腾炉燃料。有些矿从洗矸中回收煤炭，取 得了良好的经济效益。
利用洗矸中发热量较高的矸石，采用水力旋流 器从洗矸中回收煤炭，具有显著的经济效益和社会 效益。矸石再洗系统工艺流程如图 1 所示。
石
采煤过程煤巷 产生的矸石
选矸煤厂产生 的选矸
所占比例/%
45
35
20
2.2 煤矸石的化学组成 矸石的化学组成是评价矸石特性、决定利用途
收稿日期:2009-10-19;修订日期:2010-05-15 作者简介:冯朝朝（1988-），男，山西晋城人，现为中国矿业大学矿业工程学院学生。
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煤炭技术
第 29 卷
国固体废物污染的现状、煤矸石的来源、化学组成、污染情况，重点介绍了对煤矸石的综合利用，包括回收煤炭、黄
铁矿、氧化铝等有用矿物和提取硅铝系金属。
关键词:固体废物；煤矸石；资源化利用；回收矿物；硅铝系金属
中图分类号:TD849
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2010）08-0005-03
Mine Solid Waste - Utilization of Coal Gangue
FENG Chao-chao, HAN Zhi-ting, ZHANG Zhi-yi, LIU lei
（College of Mining Engineering，China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116，China）
Abstract:With economic development, more and more serious solid waste pollution, coal gangue, coal -mine, one of the most serious solid waste pollution. This paper describes the status of China's solid waste pollution, coal gangue sources, chemical composition, pollution, focusing on the comprehensive utilization of coal gangue, including the recovery of coal, pyrite, alumina and other useful minerals and extraction of Si-Al-metals. Key words:solid waste; gangue; utilization; recovery of minerals; Si-Al-group metals
胶带选出中块煤、矶子石后进入矸石仓，运往矸石
山废弃；小于 25 mm 的进入缓冲水仓，形成水、矸石
混合体，由渣浆泵打入水力旋转器。经水力旋转器
分选后，其底流和溢流分别进入中间隔开的振动筛
脱水，产出再洗煤和碎矸石。
矸石经过再洗，把洗矸中的煤生产成再洗煤，减 少了煤炭资源的损失。再洗煤成分约为 35%~45%[2]。
第 29 卷第 8 期 2010 年8 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.29,No.08 August,2010
煤矿固体废物—煤矸石的资源化利用
冯朝朝, 韩志婷, 张志义, 刘 磊
（中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）
摘 要:随着经济的发展，固体废弃物的污染越来越严重，煤矸石是煤矿固体废物污染最严重之一。主要介绍了我
径、指导生产的重要指标。通常所指的化学成分是
矸石煅烧所产生的灰渣的化学成分，一般由无机化
合物（矿岩）转变成的氧化物，尚有部分烧失量。如：
化学成分的种类和含量随矿岩成分不同而变化，因
此可以用氧化物含量的大小来判断矸石中矿岩成
分和矸石类型等。化学成分和矸石类型的关系可见
表 2。
表 2 化学成分和矸石类型的关系