煤矸石及其综合利用

2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
自燃过的煤矸石
9
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石的来源及组成
来源：煤矸石与煤相伴而生，在煤的采掘和洗选 过程中，都会排出煤矸石，另外在煤矿的上、中 、底层的页岩挖掘煤层间的巷道时排出的砂岩、 石灰岩及其他盐类都属于煤矸石。 其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不 等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5 、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。 煤矸石的产生量约占我国工业废渣年排放总量的 1/4。一般每采1t原煤排矸石0.2t。据统计，煤矸 石每年以0.8×108～1.0×108吨的速度增加。
2 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
矿业废弃物的综合利用——煤矸石
矿业废弃物包括矿山开采和矿石冶炼生产过程中 产生的废物。其中矿山所产生的固体废物又分为 废石（包括煤矸石）和尾矿两大类，两者均以量 大、处理较复杂而成为环境污染的一大难题。 本节我们重点讲述煤矸石的一些内容
29
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
矸石山的 绿化
我国煤矸石利用率仅20%左右，大多数煤矿煤矸 石仍需堆积，新的煤矸石仍不断产出。因此，煤 矸石山的绿化是我国日前矸石山治理的有效途径 之一，它能防止或减轻矿区环境污染，恢复土地 资源和改善生态环境。山西西山煤电集团在用黄 土覆盖后的土地上造林造田，边缘地带种植防护 林，中间地带种植经济草本植物，同时建立蔬菜 大棚及养殖业。内蒙平庄矿业公司对矸石山治理 主要采取林草复垦，选择乔木松树，灌木沙棘、 草木、沙打旺，胡杨柴等立体结构复合混种，矸 石山周边地带造防护林带。
27 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
减少煤矸石的途径
（2）煤矿少出矸技术工艺：全煤巷开拓，采区巷 道全煤化等开拓方式和采煤工艺都能极大地减少 矸石的产生量，并减少采煤过程中混入的矸石量 。薄煤层半煤岩宽巷进技术，是将所出矸石充填 到巷道的一侧或两侧，德国、英国近年来逐渐应 用全煤巷开拓技术，一些煤矿己取消了排矸系统 。神华集团神东大柳塔矿采用煤层开拓大巷，岩 巷占5%左右，大大降低了出矸量。
20 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
煤矸石的资源化
4)生产化工原料：聚合铝、分子筛等。 与盐酸反应生成 （2A1Cl3.H2O），再生成聚铝。 5)用作农用肥料：钼、锌、锰、铜、硼等元素，可作 为农作物生长的刺激剂 6) 回收硫化铁：有的煤矸石含有较多的硫化铁，可 通过分选回收作为制取硫酸的原料。我国有七个选煤厂建 立了硫化铁回收车间，从煤矸石中回收硫化铁，总设计能 力为7.5×105t／a。
24
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石生产肥料
以煤矸石为载体可生产无机复合肥和微生物肥料 。据不完全统计，全国有微生物化肥厂50余座， 年生产能力40多万t，大部分以煤矸石为载体。 陕西渭北煤田煤矸石含有大量的炭质页岩和含炭 粉砂岩，其有机质含量一般在15%～25%之间， 并含有植物生长所必需的铜辟、钳、锰、钻等微 量元素和较强的吸收性能，适宜制肥料。西安煤 科分院矸制的以煤矸石为主要原料，经粉碎加入 改性物质，掺入适量氧、磷、钾和微量元素的全 养分矸石肥料和专用矸石肥料，有较好的增产效 果，用煤矸石制
10
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
表-1
煤矸石的化学组成（%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
Na2O+K2O
烧失量
51～65
16～36
1～7
1～4
2～9
1～2.5
2～17
主要矿物包括高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、 石灰石、硫化铁、氧化铝等。
11
2013年7月14日2时13分
21
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石的应用——煤矸石发电
对于含碳量较高、热值较高的煤矸石,可直接用于 矸石电厂发电。2004年底全国煤矸石或泥煤低热 值燃料电厂有230座,装机容量2MkW,年发电量约 12GkWh,占矿区 用电的30%,减少因堆积矸石占 地200ha 山东新汶协庄矿年产原煤2Mt,排放20多万t煤矸石 ,1994年投资6000多万元建12MW煤矸石热电厂, 从1995年底发电到目前已累计发电0.3GkWh,供 热50多万m ,消耗煤矸石40多万t。
16
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
矿业固体废物煤矸石堆积如山，占用大片土地，污 染周围环境
17
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
污染矿山环境
煤矸石中的黄铁矿在空气中易被氧化，放出热量 聚集，使煤矸石中所含碳质自燃产生SO2、C02 、CO等有毒有害气体。据有关资料，每平方米矸 石山自燃1昼夜可排放CO10. 8kg, S026. 5kg, H2S和NO22Kg等。 另外，煤矸石风化淋滤使煤 矸石中的有害物质进入土壤河流，造成水土环境 直接污染。地质环境改变预测评价和水文地质、 工程地质研究，俄罗斯莫斯科近郊煤矿区距矸石 堆底部50～60m远的土壤中，每100g土壤中铁含 量达146～160mg，铝含量达11～19mg，分别超 过允许值的3～4倍和1. 5倍，土壤被毒化。
18 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
煤矸石堆积导致河流阻塞
19
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石的资源化
1)回收能源：作为大型沸腾炉燃料供热或发电：热值 >8360kJ/kg。 1975年在四川永荣矿务局建立了中国第一座流化床煤 矸石电厂 。 2)生产建筑材料：煤矸石的成分中主要为粘土矿物。 水泥、烧结砖瓦、免烧砖瓦、空心砌块、建筑陶瓷、轻骨 料（陶粒）、岩棉等； 3)用作建筑材料：代替河砂、碎石等铺路、井下回填 、造地复垦。
25 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
煤矸石应用的问题
上述煤矸石的应用技术是降低煤矸石的堆积量、 减少污染、节能减排、提高经济效益的良好途径 。但也存在如下问题：这些方法消耗矸石的数量 较小，远远低于矸石的产出量，上述技术对矸石 的利用有一定前提条件，有的对发热量有要求， 有的对矸石的矿物成份及含量有要求，使得其应 用受到一定的限制。由于这些问题的存在，所以 在煤矸石资源化的同时更必须从减少矸石这个源 头着手，如果从上述两个方面双管齐下，可使得 煤矸石的危害从根本上得以解决。
26 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
减少煤矸石的途径
煤矿不出和少出矸石的清洁生产技术 （1）煤矿不出矸开采技术工艺。将煤炭在地下燃 烧气化，一次性转化为清洁的可应用的能源与化 工原料，实现煤炭地下无人无生产设备的洁净利 （ 用。山东新汶矿业集团2000年4月煤炭地下气化 技术工业性试验获得成功，地下所产煤气经过脱 硫、除尘等环节，直接输送到用户，产空气煤气8 万m 、水煤气4万m ，发热量相应为6280kJ和 14650kJ。此技术与传统开采工艺相比节省投资 78%，节约成本62%，提高工效3倍以上，煤的价 值提高10倍以上 。
13
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
（二）能量转换
1、煤矸石燃烧供热净热能分析 线性回归认为煤矸石供热所需最低发热量为
Qdw 4.18 482 201476KJ / Kg .
2、煤矸石燃烧发电净热能分析 线性回归认为煤矸石发电所需最低发热量为
Qdw 170962KJ / Kg .
矿业废弃物的综合利用
煤矸石（coal gangue ）
（2—34号成员制作）
1
Байду номын сангаас
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
引言
煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废弃 物。目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的 8％～20％，平 均约为 12％；已成为我国累计堆积量和占用场地最多的 工业废弃物。目前，全国煤矸石的总积存量约 45 亿 t，而 且仍在逐年增长，矸石山几乎成为我国煤矿的标志。同时 ，由于矸石中通常含有残煤、碳质泥岩、流铁矿、碎木材 等可燃物质，在长期露天堆积后，往往会产生自燃现象， 并排放出大量的 CO、CO2、SO2、H2S、NO 和 CmHn 等有害气体，给周边环境带来了一系列的危害 。如果煤 矿开采给环境造成的破坏得不到有效的整治，必将带来严 重的后果，因而煤矿的清洁生产是煤炭开采业的发展方向 ，也是煤矿企业的根本出路。
14
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
能量转换
对煤矸石燃烧热能转化分析表明， 无论是供热还是发电，其最低发热量为 1709-2020kJ/kg之间。
15
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石的危害
1 占用土地 煤矸石堆场多位于井口附近，大多紧邻居民区， 由于排放物侵占大量耕地、林地，使我国人均耕 地面积本来就很少的状况更是雪上加霜。根据不 完全统计，我国现存的煤矸石已经达到了45亿t之 多，占地约3 500k㎡以上，并且还以400．2h㎡ ／a的速度在增长。
6
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
矸石的化学成分
一）未燃煤矸石的化学成分 1、硬质黏土类矿物 2、水云母类矿物 二）自燃煤矸石的化学成分 1、自燃温度较高：石英、赤铁矿等 2、自燃温度偏低：高岭石、水云母
7
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
8
山东电力高等专科学校
煤矸石制建材
对低发热量的煤矸石可用于制砖，如丰城矿务局 先后建成了3个矸石砖厂，总规模达3700万块/a， 年耗煤矸石1万t以上，年产值720万元，年利润达 150万元。 若利用煤矸石代替粘土作生产水泥的 熟料，生产普通硅酸盐水泥，对1000t/d熟料水泥 生产线，每年可消耗煤矸石7.5万t，若以3000t/d 规模建厂，则年耗矸石量可达22万吨以上。
应用学科：
• 电力（一级学科）；燃料（二级学科）
定义2：
• 与煤层共生、伴生的顶板和围岩，其石化程度较高、含有机质较 低，可作为低热值燃料和建筑材料加以利用。
应用学科： 资源科技（一级学科）；能源资源学（二级学科）
5 2013年7月14日2时13分 山东电力高等专科学校
堆积在地面的煤矸石
28
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
减少煤矸石的途径
填沟造地，充填塌陷区，减少矸石占地 地处荒山 丘陵地区的矿井，采用填沟造地，可减少煤矸石 对农田的占用。神东公司大柳塔煤矿井下及洗煤 外排矸石，按规划设计分区征用沟壑地排矸，在 沟口建起拦渣坝，集中排放，填沟造地，上覆黄 土碾压，植树种草，使其矸石山堆场变成平整林 地。晋城无烟煤矿业集团各矿建专门排矸巷道(兼 通风巷)和排矸井，矸石直接提升到地面堆放于荒 山沟，填满后上部推平覆土造地。
3
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
目录
煤矸石的定义 煤矸石的来源及组成 煤矸石的燃烧和能量转换 煤矸石的危害 煤矸石的资源化 煤矸石的应用 减少煤矸石的途径
4
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
煤矸石的定义
定义1：
• 煤炭生产过程中产生的岩石统称。包括混入煤中的岩石、巷道掘 进排出的岩石、采空区中垮落的岩石、工作面冒落的岩石以及选 煤过程中排出的碳质岩等。
山东电力高等专科学校
煤矸石的燃烧和能量转换
（一）燃烧设备
（二）能量转换
12
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
（一）燃烧设备：沸腾炉
研究认为煤矸石受热相变化，两个温度活性区为 ： 600-950℃ 中温活性区 1200-1700℃ 高温活性区 沸腾炉调节温度850-1050 ℃，非常适合燃用煤矸 石。
22
2013年7月14日2时13分
山东电力高等专科学校
山东省新汶矿业煤矸石发电
山东省新汶矿业集团华丰煤矿利用废弃的煤矸 石发电，每发一度电的成本与原煤发电相比便宜 七分钱，年消耗煤矸石15万吨、节能创效2400万 元，每年可以减排二氧化碳110224吨、二氧化硫 1518吨。
23
2013年7月14日2时13分