煤矸石提取氧化铝
煤矸石提取氧化铝活化过程的研究
- 50 -第35卷第2期 非金属矿 Vol.35 No.2 2012年3月 Non-Metallic Mines March, 2012煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出的一种混杂岩体，煤矸石产生量约占煤炭开采量的10%~15%。
目前我国贮存煤矸石超过40亿吨、占地近2万公顷。
煤矸石一般露天堆放，经日晒、雨淋、风化、分解，产生大量酸性水或含重金属的离子水，下渗损害地下水质，外流导致地表水污染，近1/3的煤矸石由于硫铁矿和含碳物的存在发生自燃，产生有害有毒气体，严重污染环境，还会产生滑坡和泥石流等自然灾害[1]。
煤矸石是以铝硅酸盐为主的铝矿资源，含有丰富的铝硅元素[2]，但煤矸石本身无活性，结构、晶相稳定，所以常温煅烧下氧化铝溶出率低[3]，在高温下煤矸石微观结构中各微粒产生剧烈的热运动，脱去矿物中结合水，致使硅氧四面体和铝氧三角体不能充分聚合成长链，形成大量自由端的断裂点，质点不再按照一定规律排列，形成处于热力学不稳定状态玻璃相结构，使烧成后的煤矸石含大量活性氧化硅和氧化铝[4-5]，其与碳酸钙反应，生成易溶于碳酸钠的铝酸钙盐，经脱硅、碳分等得到纯度较高的氧化铝。
1 实验部分煤矸石提取氧化铝活化过程的研究任根宽（宜宾学院 化工系，四川 宜宾 644007）摘 要 铝、硅主要以高岭土形式存在于煤矸石中，活性非常低，在高温下煤矸石微观结构中各微粒产生剧烈的热运动，形成处于热力学不稳定状态玻璃相结构，可使烧成后的煤矸石中含有大量活性氧化铝，达到活化目的。
本实验以萤石为助剂、煤粉为还原剂，采用石灰石烧结法活化煤矸石。
实验表明，最佳活化条件为：石灰饱和系数KH 0.8、萤石用量1%、煤粉的加入量1.5%、煅烧温度1260 ℃、烧成时间90 min 。
此条件下煤矸石中氧化铝的溶出率高达89.5%。
关键词 煤矸石 溶出率 活化 氧化铝中图分类号：TD849+.5 文献标识码：A 文章编号：1000-8098(2012)02-0050-03Study on Activation Process of Extraction of Alumina from Coal GangueRen Genkuan(Department of Chemical Engineering, Yibin University, Yibin, Sichuan 644007)Abstract The kaolin form of aluminum-silicon in coal gangue has low activity, each particle of microcosmic structure of coal gangue causes violently hot movement under high temperature, the glass phase structure of unsteady state in thermodynamics forms, and increases the activity of alumina in coal gangue, achieves activation. The conditions of activation of coal gangue is studied with limestone sintering method, with fluorite as assistant and fine coal as reducing agent. The experimental results show that the conditions of activation were obtained as follows ：KH 0.8, dosage of fluorite 1%, fine coal 1.5%, calcination temperature 1260 ℃, calcination time 90 min. Alumina leaching efficiency of 89.5% was achieved in gangue under this condition.Key words coal gangue leaching efficiency activation alumina收稿日期：2012-01-101.1 主要原料与试剂 煤矸石，取自山西大同煤矿，其主要化学成分(%)为：SiO 2，47.23；Al 2O 3，33.57；Fe 2O 3，1.56；CaO ，1.82；MgO ，1.05；其它，1.91；烧失量，l2.86。
硫酸提取煤矸石中氧化铝的研究
硫酸提取煤矸石中氧化铝的研究绪论煤矸石是煤炭开采、洗选过程中产生的废弃物，也是现阶段我国排放量最大的工业固体废弃物之一，被视为气、液、固三害俱全的“工业废料”。
目前，我国煤矸石堆积总量已超过40亿t，形成矸石山1500多座，而且仍在逐年增长。
大量堆积的煤矸石不仅污染水质和大气，还占用了越来越多的耕地，对生态和环境构成了双重破坏。
现阶段，煤矸石主要用来制砖，生产水泥，有的直接用于填埋，占煤矸石平均质量分数25%左右的氧化铝资源却没有得到合理的利用。
因此对煤矸石有用元素的提取及综合利用，将能在资源节约，环境保护，节能减排和增收节支方面产生显著的社会，经济和环境效益。
1 煤矸石的前期研究按国家标准GB/T 1574-2007煤灰成分分析方法分析煤矸石主要组分的含量其结果如下表：煤矸石经高温煅烧后，颜色为灰白色。
以下为原料和几个煅烧温度下的衍射图图1 煤矸石的原料衍射图图2 750℃煅烧后的煤矸石的衍射图图3 850℃煅烧后的煤矸石的衍射图图4 1050℃煅烧后的煤矸石的衍射图由图1可以看出煤矸石原料中各个晶型都比较稳定，主要是高岭石和石英两种晶体，不具备反应活性，750℃煅烧后的煤矸石出现馒头峰，峰型开始变多，这说明高岭石已经分解，具有了反应活性，1050℃煅烧后从衍射图上可以看出有强度很弱的莫来石特征峰，说明此时已有少量的莫来石结晶析出。
破碎粉磨过的煤矸石通过高温煅烧会使其表面微观结构发生变化，会使结构膨胀，微孔增多，表现出良好的化学活性。
其中的32O Al 可以酸浸出来 经过暑假所做的正交实验和单因素实验得到了氧化铝溶出的最优条件： 实验条件 在最优条件下反应32O Al 的溶出率可以达到81%，再加入第一次加入酸量的一半来与过滤后的滤饼反应，即煤矸石经过两级反应，32O Al 的溶出率可以达到91%。
这说明煤矸石中绝大多数的氧化铝是可以通过酸浸这种方法来实现溶出的 。
2．考察反应中脱铁我们把酸浸分为两步，先用硫酸按上述最优条件反应，然后滤液再加煤矸石进行脱铁吸附。
潞安矿区煤矸石用于氧化铝提取的研究
潞安矿区煤矸石用于氧化铝提取的研究燕可洲;郭彦霞;张俊才;章清;程芳琴【摘要】以潞安矿区所产煤矸石为研究对象,对该区16种煤矸石样品的工业成分、化学成分以及矿物成分进行了理化性质分析.在此基础上,采用盐酸酸浸法浸取煤矸石中的氧化铝.结果表明,在800℃煅烧活化后,氧化铝的平均溶出率可达到62.4％以上,消纳1 000 kg煤矸石可得到131.6 kg氧化铝,同时产生500 kg SiO2含量约为83.9％的酸浸硅渣,使SiO2得到富集,可进一步用于制取白炭黑等硅产品,加大煤矸石的资源化利用.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2014(037)004【总页数】6页(P85-90)【关键词】煤矸石;理化性质;氧化铝;二氧化硅【作者】燕可洲;郭彦霞;张俊才;章清;程芳琴【作者单位】山西大学资源与环境工程研究所,030006 太原;山西大学资源与环境工程研究所,030006 太原;山西潞安集团技术处,046204 长治;山西潞安集团技术处,046204 长治;山西大学资源与环境工程研究所,030006 太原【正文语种】中文【中图分类】TD849+.50 引言我国煤炭资源丰富，在煤系地层中含有大量可供顺便开采、综合利用的共伴生矿产，其中煤矸石作为一种潜在的资源产生于煤炭的开采和洗选过程.据不完全统计，目前全国累积堆放的煤矸石约45亿t，而且堆积量每年以1.5亿t～2.0亿t的速度增加.[1]大量的煤矸石堆存不仅侵占土地，而且产生严重的环境污染.[2]为解决这一问题，自20世纪60年代起，许多国家开始重视煤矸石的处理和利用.利用途径主要有回收煤炭、发电、制砖和生产水泥等.[3]然而，由于利用途径单一，煤矸石的年综合利用率仅占当年产生量的60%[4]，总体而言，煤矸石的堆存量仍逐年增加.因而，开发新的利用方法，是解决煤矸石堆存和污染问题的重要途径.从煤矸石中提取氧化铝是煤矸石综合利用的重要途径之一[5-10]，得到了广泛关注.目前已有工业化试验，如山西省柳林县煤矸石综合利用示范园内开展年消纳5万t煤矸石的工业化试验.这些研究为特定地区所产煤矸石提供了利用的新方向，对促进当地煤系资源高附加值工业的发展具有重要价值.但由于不同地区煤矸石常因形成条件和开采条件不同而具有差异较大的理化性质，对于其他地区的煤矸石利用并没有代表性.本研究在综合调查潞安矿区地质条件和煤系资源赋存层位的基础上，对该区所产煤矸石的工业成分、化学成分以及矿物成分进行分析，得出该区煤矸石的理化性质特点，并在此基础上考察潞安矿区煤矸石用于提取氧化铝的潜力，探索适应于该矿区煤矸石特点的高值化利用技术，为提高该矿区所产煤矸石的消纳量和综合利用能力作出指导.1 实验部分1.1 样品采集潞安矿区位于沁水盆地东翼，北以西川断层为界与武夏矿区相接，南以长治和晋城市行政边界为界，与晋城矿区毗邻，东以15号煤层露头为界，西以15号煤层1 500 m埋深为界，南北长44 km～77 km，东西宽约63.1 km，总面积约4 015 km2.[11]矿区范围内涵盖长治、屯留、襄垣和武乡四个勘探区，规划矿井10处，生产矿井8处，即石圪节矿、五阳矿、漳村矿、常村矿、王庄矿、屯留矿、司马矿和高河矿.潞安矿区煤系基地为奥陶系灰岩，主要含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组.区内共发育煤层6层～17层，总厚度为140.42 m～201.58 m，一般厚度为170.60 m，其中主力煤层是二叠系山西组3号煤层和石炭系太原组15号煤层.[12] 根据潞安矿区内8个生产矿井的地理位置分布，再综合考虑各矿井煤矸石产出方式的影响，在矿区范围内合理设置采样点.将实验采得的煤矸石样品按照矿井位置在潞安矿区范围内以自北向南的顺序进行编号，共计16个样品(前8个为采掘矸样品，后8个为洗选矸样品).1.2 实验方法1.2.1 样品预处理方法将采集的样品在避免污染的条件下，放置于阴凉、通风处自然风干，然后用QM-3SP2行星式球磨机(南京大学仪器厂)磨碎至80目以下，封于自封袋中保存.1.2.2 分析与表征方法1) 矿物组成分析：利用D8 ADVANCE X射线衍射仪(德国BRUKER AXS公司)对各实验样品和添加样品(每个样品加入10% ZnO作为标准样品)的矿物组成进行定性和定量分析，测试条件为2.2 kW Cu靶，扫描范围10°～80°，扫描步长0.02°，扫描速度0.2 s/步.2) 化学成分分析：采用PW 4400型X射线荧光分析仪(荷兰帕纳科)对各实验样品进行元素组成分析.3) 工业成分分析：采用SDTGA5000型工业分析仪在空气干燥基条件下对各实验样品的水分、灰分和挥发分进行测定，并通过计算得到其固定碳含量.4) 氮、硫元素分析：采用Vario EL CUBE型元素分析仪测定各实验样品中N和S 元素的含量.5) 热值分析：采用CT 5000A型多用热量测定仪进行分析，将各实验样品置于充氧的弹筒中燃烧，由燃烧后水温的升高计算试样的发热量.1.2.3 氧化铝提取方法实验样品在GM28智能箱式控温炉中煅烧活化，设置升温速率为20 ℃/min，在800 ℃下恒温2 h后，冷却至室温；活化后的煤矸石用20%盐酸浸取2 h，酸浸温度为20%盐酸和水的共沸点(106 ℃)，固液比为1∶3，反应完成后固液分离；在pH=4.5～5.0时，采用EDTA与铝离子络合，以PAN为指示剂，用硫酸铜标准滴定溶液回滴过量EDTA溶液的方法分析滤液中铝离子的含量；根据滤液中铝离子的含量以及XRF分析所得煤矸石原料中Al2O3的含量计算其溶出率.wAl2O3=式中：wAl2O3为煤矸石中氧化铝的溶出率，%；w1，Al2O3为实验用煤矸石煅烧前氧化铝的质量分数，%；m为实验用煤矸石煅烧前的质量，g；cEDTA和cCuSO4为滴定用EDTA和硫酸铜溶液的浓度，mol/L；VEDTA和VCuSO4为滴定消耗EDTA和硫酸铜溶液的体积，mL；V为酸浸后所得滤液的体积，mL；V1为用于滴定分析的滤液体积，mL.煤矸石主要由硅、铝和碳组成，在煅烧过程中碳质基本完全燃烧，酸浸过程中除一定量铝进入滤液外，其余铝及硅均保留在酸浸渣中.因此，根据煤矸石样品中氧化铝和氧化硅的含量及酸浸过程中氧化铝的溶出量可以初步估算出酸浸滤渣中氧化硅经富集后的含量.式中：wSiO2为酸浸滤渣中氧化硅的质量分数，%；wAl2O3为煤矸石中氧化铝的溶出率，%；w1，SiO2和w1，Al2O3为实验用煤矸石煅烧前氧化硅和氧化铝的质量分数，%.2 结果与讨论2.1 理化性质2.1.1 工业分析及元素分析表1为潞安矿区采集煤矸石样品的工业分析及N和S元素分析结果.由表1可以看出，其水分质量分数大部分都在1%以下；灰分质量分数普遍较高，采掘矸中灰分质量分数较稳定，在86.7%左右，洗选矸中灰分质量分数变化比较大，在35.3%～78.1%范围内波动，煤矸石中含有较多的无机矿物质，且采掘矸中的含量明显高于洗选矸中的含量；固定碳是煤矸石发热量的重要来源，其含量与灰分含量相反，采掘矸中固定碳质量分数较少，发热量较低，均在4.0%和6.0 MJ/kg以下，稳定在2.5%和5.4 MJ/kg左右，而洗选矸中固定碳质量分数和发热量较高，且变化比较大，在9.2%～53.1%和7.3 MJ/kg～19.4 MJ/kg范围内波动；挥发分质量分数比较接近，在10%左右，在释放的挥发性物质中危害比较严重的有氮氧化物和硫氧化物，氮元素和硫元素的质量分数各占0.3%左右，在利用过程中对环境的影响不大.表1 潞安矿区煤矸石的工业分析及元素分析(ad)Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal gangue in Lu’anGroup(ad)Samplew/%MAVFCNSQ/(MJ·kg-1)Mining coalgangue10.9086.039.543.530.330.235.7021.0991.577.700.000.130.254.7331.0 587.868.982.110.210.315.3140.8278.7711.189.230.200.307.2851.0089.078.1 11.820.200.285.2360.8587.768.912.480.220.345.4170.8887.139.242.750.240. 275.4980.8786.878.983.280.280.295.63Washing coalgangue90.7878.079.6111.540.310.247.91100.6835.3310.9453.050.690.3919. 37110.9876.659.0513.320.260.228.64120.7866.2312.0820.910.490.8910.501 30.7662.2811.5025.460.500.3011.75140.6460.5111.3127.540.490.3512.3315 0.7971.6510.9816.580.480.329.30160.7669.2710.2819.690.510.3410.162.1.2 化学组成分析通过X荧光分析方法测得煤矸石中各化学元素的含量，结果见表2. 由表2可以看出，除10号样品中SiO2和Al2O3的质量分数为19.5%和11.3%以外，其余样品中SiO2和Al2O3的质量分数在30.7%～49.9%和16.4%～23.1%范围内波动，平均值约为43.2%和21.7%；Al2O3/SiO2含量接近高岭石的理论值，物质的量比在0.5左右.Fe2O3，K2O和CaO质量分数变化在1.9%～4.3%，0.9%～2.4%和0.3%～1.8%之间，与其他地区煤矸石相比较属于较低水平.其他化学成分如TiO2和MgO等的质量分数均不高，都在1.0%以下.表2 潞安矿区煤矸石的化学元素组成Table 2 Chemical compositions of different coal gangue in Lu’an GroupSampleChemicalcomposition/%SiO2Al2O3Fe2O3K2OTiO2CaOMgOZrO2BaORb2OSrOY2O3 MnOZnOCr2O3NiOAl2O3/SiO2Loss/%Mining coalgangue145.8022.203.792.370.800.720.510.030.140.010.030.010.090.010.040 .090.4823.36249.4021.413.882.870.770.570.670.020.070.010.020.000.040.01 0.070.040.4320.15346.4123.412.332.240.760.340.390.030.110.010.020.000.0 50.000.060.050.5023.80444.3423.121.941.870.741.870.270.020.070.010.060. 000.040.000.070.040.5225.54547.3721.832.982.500.770.510.400.030.070.01 0.020.000.050.010.070.050.4623.40647.2923.052.152.110.750.450.330.030.0 70.010.030.000.100.000.090.100.4923.44741.0923.002.401.970.820.730.340. 040.080.010.030.010.040.010.000.040.5629.40848.4423.052.150.900.880.46 0.200.030.040.000.030.000.030.010.000.030.4823.74Washing coalgangue942.5320.234.271.940.761.310.570.030.100.010.020.010.100.010.000 .100.4828.021019.4611.272.510.870.731.820.200.020.080.000.040.000.000.0 00.050.000.5862.951146.5021.592.672.470.712.190.540.020.070.010.020.000.050.010.050.050.4623.051249.8821.213.742.520.720.940.600.030.110.010. 020.000.070.010.000.070.4320.071330.7216.392.711.460.831.690.240.030.1 00.010.060.000.050.010.070.050.5345.591435.2622.783.481.231.090.930.22 0.080.040.010.030.010.000.010.020.000.6534.831537.0921.192.541.440.862. 610.340.060.070.010.130.000.040.010.000.040.5733.571636.4520.863.282.2 30.851.240.280.070.060.010.050.000.020.010.010.030.5734.55煤矸石在煅烧过程中的烧失物主要是由黏土类矿物结构水的脱失逸出、混入物的分解以及碳质等有机质的烧失所产生的.[13]该区煤矸石在煅烧过程中的烧失量变化主要与其中所含碳质含量有关，采掘矸的烧失量在20.2%～29.4%范围内变化，平均值为24.1%，洗选矸的烧失量在20.1%～74.2%范围内变化，波动幅度较大.2.1.3 矿物成分分析第88页表3是潞安矿区采集煤矸石样品的XRD定量与定性分析结果.由表3可知，该区所产煤矸石中同时存在晶相和非晶相两类物质，晶相物质主要是石英(SiO2)、高岭石(Al2(Si2O5)OH4)、埃洛石(Al2(Si2O5)OH4·2H2O)、坡缕石(MgAlSi4O10(OH)·4H2O)和顽火辉石((Mg，Fe)SiO3)；非晶相物质主要是水分、碳质和风化物等.采掘矸中晶相组分和非晶相组分比例较稳定，晶相组分占总组分的55.6%左右；洗选矸的晶相组分和非晶相组分比例变化比较大，晶相组分占总组分的18.7%～48.5%.由此可知，采掘矸较洗选矸含有较多的晶相物质.对各种煤矸石的晶相组分进一步分析，结果表明，该矿区煤矸石样品均由黏土岩类、砂岩类、砾岩类、碳酸岩类、石灰岩类和铝质岩类等多种沉积岩组成.石英和顽火辉石分别属于砂岩类和砾岩类，因其抗风化能力很强，不易分解，所以在矸石中大量存在.高岭石、埃洛石及顽火辉石作为煤矸石中主要的含铝矿物，同属于黏土类矿物，是煤矸石中含量较高的一类矿物.埃洛石和高岭石除堆积方式和含水性有所不同外，晶体结构较为相似，且埃洛石在常温常压下，当外界干燥、温度不饱和时，便能失去一部分水而转化成变埃洛石，甚至高岭石，所以在性质上有很多相似性，说明该矿区煤矸石具有高岭岩的特征，统一属于煤系高岭岩.[13]高岭石和埃洛石在煤矸石中的含量仅次于石英的含量，洗选矸中除了10号样品中高岭石和埃洛石的总含量较低，在7.3%(质量分数)以外，其余样品中高岭石和埃洛石的总含量均在10%以上，采掘矸中高岭石和埃洛石的总含量约为19.9%，洗选矸中高岭石和埃洛石的总含量约为12.7%.高岭石和埃洛石结构稳定，在一定温度下煅烧可形成处于热力学不稳定状态的玻璃相结构，从而使得其中大量氧化铝更易溶出.[14-16]高岭石和埃洛石是潞安矿区煤矸石中的主要含铝矿物，这在一定程度上表明该矿区的煤矸石可用于氧化铝的提取.煤矸石中高岭石的结晶完整程度在一定程度上影响煅烧活化效果.对潞安矿区各实验样品进行了X射线衍射分析，采用Hinckley结晶指数(HI)[17]表示煤矸石中高岭石的结晶度，结果见表3.根据刘钦甫等[18]对华北石炭-二叠纪煤系高岭岩中高岭石结晶度所划分的等级可以看出，该矿区所产煤矸石的结晶程度差异较大，其中10号属有序型，12号、13号、15号和16号属较无序型，其余样品均属无序型.这主要与煤矸石中高岭石的形成环境有关，即在酸性环境中更利于煤系高岭岩的发育.[19]不同来源煤矸石中高岭石的HI指数有所差异，洗选矸中高岭石较采掘矸中高岭石具有更高的HI指数，表现为结晶更有序，这也导致洗选矸比采掘矸的煅烧活化效果要差.表3 潞安矿区煤矸石的矿物组成(%)Table 3 Mineralogical composition of different coal gangue in Lu’an Group(%)SampleMain crystal phasesQuartzKaoliniteHalloysite-10APalygorskiteMEnstatiteSiO2Al2(Si2O5)OH4Al2(Si2O5)OH4·2H2OMgAlSi4O10(OH)·4H2 O(Mg,Fe)SiO3Low crystal phasesSideriteCalciteButleriteDolomiteKatoiteFeCO3CaCO3Fe(OH)SO4·2H2OCaMg(CO3)2Ca3Al2O6(H2O)6Amorphous phaseMining coalgangue121.0314.94(0.42)*2.604.778.712.40000045.55221.0417.56(0.48)*2.4 54.868.022.0300.180043.86320.1918.68(0.47)*2.255.278.451.2900.130043.7 4420.0817.98(0.48)*2.444.987.911.9600.110044.54521.0716.89(0.50)*2.415. 238.341.8600.140.08043.98620.7818.32(0.48)*2.034.867.981.7900.110.0504 4.08720.7617.86(0.45)*1.984.677.871.5800.110045.17819.4518.56(0.48)*2.3 75.178.231.8600.080044.28Washing coalgangue923.3211.16(0.57)*1.424.885.131.880.7300051.48106.875.64(1.16)*1. 702.600.9400.5400.170.2481.301120.7913.35(0.58)*1.243.561.231.210.850.0 90057.681221.1412.63(0.75)*1.134.512.430.9800.140057.041311.3111.24(0. 78)*1.116.093.850.361.3300.06064.651418.5610.78(0.54)*3.215.324.890.780 0.120056.341514.569.89(0.79)*1.892.931.860.890.76000.1467.081618.239.78(0.76)*2.014.864.280.560.830.1400.0959.22* Hinckley index of kaolinite.潞安矿区所产煤矸石中，除高岭石和埃洛石总含量较高外，其他含量较高的矿物有石英、坡缕石和顽火辉石.其中石英的含量根据产出方式不同而有所差异，采掘矸中石英质量约占煤矸石总质量的20.5%，洗选矸中石英的质量分数变化比较大，在6.9%～23.3%范围内波动.顽火辉石的质量分数均在10%以下，且在采掘矸中的含量高于洗选矸中的含量.坡缕石含量基本稳定，质量分数为2.6%～6.1%；此外，煤矸石在沉积成岩过程中，还会有少量次要的伴生矿物赋存其中，如菱铁矿、基铁矾、方解石、白云石和加滕石等矿物，其质量分数均在2.5%以下，是煤矸石中微量元素的主要存在形式，且表现为洗选矸比采掘矸具有更加复杂的物相组成，可能会对氧化铝的提取造成影响.2.2 氧化铝的提取由以上分析可知，潞安矿区所产煤矸石除含有一定量煤系高岭岩外，还含有其他多种矿物，如石英和坡缕石等，氧化铝质量分数可达20%以上，氧化硅质量分数可达40%以上，具有一定的工业应用价值.图1和第89页图2为潞安矿区煤矸石中氧化铝溶出率及提铝后酸浸渣中氧化硅含量.由图1和图2可知，潞安矿区所产煤矸石经过煅烧活化后采用盐酸酸浸可使其中50.1%～71.1%的氧化铝得到溶出，提铝后的酸浸渣中SiO2得到富集，质量分数可达77.6%～87.7%.图3为1 000 kg不同种类煤矸石中氧化铝的溶出量结果.由图3可知，一般可溶出140.0 kg，平均溶出量为131.6 kg，造成溶出量差异的主要原因是煤矸石中的碳含量和氧化铝含量不同；此外，煤矸石中煤系高岭岩的结晶度也在一定程度上影响氧化铝的溶出，结晶度越高，煤矸石越稳定，氧化铝溶出量越少.图1 潞安矿区不同种类煤矸石煅烧活化后Al2O3溶出率Fig.1 Al2O3 dissolution of coal gangue after calcination activation图2 潞安矿区不同种类煤矸石提铝后酸浸渣中SiO2含量Fig.2 SiO2 content of acid leaching residue in different coal gangue in Lu’an group图3 1 000 kg潞安矿区不同种类煤矸石煅烧活化后Al2O3溶出量Fig.3 Al2O3 dissolution mass of different coal gangue in Lu’an group after calcination activation结合原煤矸石中氧化铝的含量进行估算可得，潞安矿区每消纳1 000 kg煤矸石，可以提取得到131.6 kg氧化铝，同时产生富含SiO2约为83.9%的酸浸硅渣500 kg，可用于制取白炭黑等硅系产品.3 结论潞安矿区所产煤矸石中无机质是该区煤矸石的主要成分，特别是采掘矸中氧化铝和二氧化硅的质量分数在22.6%和46.3%左右，其中氧化铝主要以黏土类矿物高岭石、埃洛石和坡缕石存在，二氧化硅主要以砂岩类和硅酸盐类矿物存在，这些矿物在煤矸石中多以稳定结构存在.潞安矿区所产煤矸石在煅烧活化后通过盐酸酸浸的方法可使其中约62.4%的氧化铝溶出，而且提铝后的酸浸渣中氧化硅得以富集，含量约达83.9%.通过煤矸石提铝联产硅的方法，不仅可以大量消纳潞安矿区产生的煤矸石，而且可以实现煤矸石的高值化利用.参考文献[1] 裴晓东，张人伟，杜高举，等.煤矸石的综合利用技术探讨[J].煤矿安全,2008(9):99-101.[2] 孙丰英，徐卫东.煤矸石堆积区地下水污染效应研究[J].水资源与水工程学报,2006,17(5):56-57.[3] Querol X,Izquierdo M,Monfort E,et al.Environmental Characterization of Burnt Coal Gangue Banks at Yangquan,ShanxiProvince,China[J].International Journal of Coal Geology,2008,75(2):93-104.[4] 李松，万洁.煤矸石自燃机理及其防治技术研究[J].环境科学与技术,2005,28(2):82-84.[5] 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煤矸石制备高纯氧化铝
煤矸石提取氧化铝行业及技术报告一、项目背景我国粉煤灰年排放量近6亿吨，主要是低附加值利用，地区差异很大，煤炭富集地区（山西、内蒙等）粉煤灰利用率不足30%。
我国内蒙古中西部和山西北部等地区的部分煤炭资源中有高岭石、勃姆石等含铝矿物，用于发电后的粉煤灰中氧化铝含量高达30%-50%，是一种具有较高开发价值的含铝资源。
仅内蒙古自治区已探明的高铝煤炭储量为236.4 亿吨，高铝粉煤灰潜在蕴藏量62.5 亿吨，相当于目前我国铝土矿已探明储量的2倍。
据统计2020年内蒙古煤炭产量10亿吨，鄂尔多斯地区煤炭产量6.4亿吨，高铝煤炭产量达1.5-2亿吨，用于发电后产生近5000万吨高铝粉煤灰。
鉴于国内目前铝土矿资源储量和矿石品位日趋下降的现实情况，使用固体废弃物粉煤灰作为生产原料提取氧化铝不但解决了矿石枯竭带来的氧化铝工业可持续发展问题，同时解决粉煤灰带来的污染和堆存问题。
对实现资源价值最大化、保护生态环境、发展循环经济、发挥特色资源优势、促进区域经济发展、践行“绿水青山就是金山银山”具有重要意义。
粉煤灰丰富地区为煤炭产地，依托煤炭资源可实现“煤-电-（粉煤灰）-氧化铝-铝”产业链生产，真正实现循环经济和绿色制造。
煤矸石是煤矿开采中剩下的活化能低、不易被开发利用的一种固体废弃物。
为了解决煤矸石造成的问题，国家提出了《煤矸石综合利用技术政策要点》，要求加强煤矸石的资源化利用，建立煤矸石资源数据库。
目前，我国通过循环流化床技术将煤矸石用于发电，通过烧结制作煤矸石烧结砖用于建筑行业，还有将煤矸石用于填充采空区、用于路基维护等。
但是这些利用技术基本上还是属于粗放型的手段，没有真正实现煤矸石的资源化利用，不能从根本上完全解决煤矸石产量巨大的问题。
煤矸石的主要成分有二氧化硅、三氧化二铝等矿物质，是建筑水泥的主要成分和工业原料。
为了提高硅铝元素的利用率，诸多学者提出了煤矸石提取氧化铝，同时制取水泥的工艺技术。
二、行业基本概述国际上通常将质量分数为 99.0~99.85%的原铝经过三层电解法或偏析法精炼的精铝称为高纯铝。
从煤矸石中提取氧化铝和二氧化硅的新工艺
从煤矸石中提取氧化铝和二氧化硅的新工艺刘成长【摘要】通过对利用煤矸石提取氧化铝和二氧化硅工艺过程的研究,提出了解决"煤矸石-纯碱"烧结过程中产生的铝硅酸钠问题的技术方案,揭示了"C-JSTK"技术处理煤矸石的反应历程及提高氧化铝和二氧化硅提取率、降低碱损失率的影响因素,分析了废气、废液循环利用和废热分级利用的可能性,实现了资源的合理利用,达到了清洁生产的目的.【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》【年(卷),期】2009(000)001【总页数】4页(P49-52)【关键词】煤矸石;氧化铝;二氧化硅;综合利用;清洁生产【作者】刘成长【作者单位】江苏省镇江市东岳巷马家山,江苏,镇江212004【正文语种】中文【中图分类】TD849.5煤矸石是煤炭开采、洗选过程中的废弃物。
目前，我国的煤矸石堆积总量已超过40亿t，而且还以每年约 3～5亿t的速度增加。
大量堆积的煤矸石，不仅污染水质和大气，还占用了越来越多的耕地，构成对生态和环境的双重破坏。
几十年来，国内外在煤矸石治理和资源化利用方面取得了令人瞩目的成就。
但是，在煤矸石利用的过程中，普遍存在着资源利用率低、附加值低、经济效益不明显等问题，有时还存在严重的二次污染，制约了煤矸石综合利用工艺和技术的发展。
从化学组成看，煤矸石的主要成分是以铝硅酸盐为主的铝矿资源，其中含有丰富的Al、Si等元素。
根据国内各地煤矸石的化学分析结果，煤矸石中Al2O3含量在15%～45%，SiO2含量在40%～65%，两种组分合计约占煤矸石总量的70%～98%。
按Al2O3平均含量25%计算，全国已经堆积的煤矸石中净含有的Al2O3总量已经达到10亿t，每年新开采出的煤矸石中又含有近1亿t Al2O3。
从煤矸石中提取Al2O3和SiO2的最大技术难题是在提取、转化过程中Na2O·Al2O3·2SiO2的生成与处理。
这也是全球氧化铝工业中用高硅含量的铝矿作原料提取Al2O3时一直没能解决的技术难题。
煤矸石的综合利用
煤矸石综合利用煤矸石是煤炭在形成过程中与煤炭共生、伴生的一种脉石矿物，在煤炭洗选和加工过程中所产生的固体废弃物。
目前国内外对煤矸石的利用，主要集中在以下几个方面：一、填充塌陷区：充分利用矿区固体废物，解决塌陷地的复垦问题。
二、铺路：煤矸石主要作为路面底基层材料使用。
三、建筑材料：1、煤矸石制砖：煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧，制成矸石砖，目前矸石砖的品种有实心矸石砖、多孔承重矸石砖、空心矸石砖；2、煤矸石生产轻骨料：适宜生产轻骨料的煤矸石含碳量不要过大，以低13%为宜，用于建造高层楼房，建筑物重量减20%；3、煤矸石代替粘土生产水泥：煤矸石和粘土的化学成分相近并能释放一定的热量，用其代替部分或全部粘土生产普通水泥能提高熟料质量；4、煤矸石作水泥混合材料：煤矸石经自燃或人工燃烧后具有一定的活性，可掺入水泥中作活性混合材料，与熟料和石膏按比例配合。
四、发电：煤矸石发电是指用蒸汽锅炉用煤矸石，一般都建在坑口，锅炉基本都是循环流体床，因为这种锅炉是专为低挥发、低热值燃料设计的，燃料热值在3000大卡左右，燃料比较专一，只烧煤矸石。
五、有机肥料:1、土壤调理剂：煤矸石经过微生物活化后，腐植酸、有机质等有效成分明显提高，可以促进作物根系的发育和有益微生物的活动；2、复混肥料配料：在复混肥生产当中会添加适当的配料，而活化后的煤矸石不仅可以丰富复混肥料中有机质、腐植酸的含量，同时还能够提供多种中微量元素。
六、提取有价元素：从煤矸石中提取氧化铝，氧化铝是生产电解铝的基本原料，也是重要的化工产品。
从煤矸石中提取氧化铝较常用的方法有：酸溶法和碱法，碱法又分为碱石灰烧结法和石灰石烧结法七、高岭土：煤矸石煅烧制取高岭土主要用于造纸填料、涂料、陶瓷、玻璃纤维原料等。
煤矸石提取氧化铝工艺设计
煤系固体废弃物（煤矸石）处理工艺设计煤系固体废弃物主要成分为煤矸石、粉煤灰和锅炉渣。
煤矸石的来源于煤的开采、加工过程。
粉煤灰和锅炉渣来源于煤的利用过程(火力发电)。
本工艺设计主要针对煤矸石的资源化处理。
一、煤矸石的来源煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排出的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。
它包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。
一般每采1t原煤排出矸石0.2t左右。
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；煤层夹肝的岩石有黏土岩、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。
二、煤矸石的特性2.1 煤矸石的组成煤矸石的组成有有机物（含碳物）和无机物（岩石物质）组成的混合物。
一般，煤矸石的热值：837~418KJ/kg。
煤矸石的化学组成，%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。
2.2 煤矸石的外观特征和显微结构2.2.1 外观特征碳质页岩为黑色或黑灰色，层状结构，表面有油脂光泽，不完全理解，不规则块状，断面参差，易碎，滴入稀盐酸有小气泡缓慢放出。
泥质页岩为黄灰色或黑褐色，土状光泽，有松疏的黑色小粒，片状结构，不完全理解，质软性脆，不规则块状，易碎，滴入稀盐酸不起反应。
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现行的处理方法
1)回收能源：作为大型沸腾炉燃料供热或发 电：热值>8360kJ/kg。
山西省霍州煤矸石发电厂
设计总装机容量为 4.8万千瓦
现行的处理方法
2) 生产建筑材料：煤矸石的成分中主要为粘土矿物，可生产水泥、 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。
煤矸石的组成
矿物组成：粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、 石英、方解石、黄铁矿。 化学组成：氧化物SiO2+Al2O3占60～90％。
煤矸石的化学成分
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
煤矸石发热量一般为800～1500卡/克,其无机成分主要是 硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和某些稀有金属。
煤系固体废弃物（煤矸石）处理工艺
煤矸石的来源：
煤矸石是采煤过程和洗 煤过程中排出的固体废物， 是一种在成煤过程中与煤 层伴生的一种含碳量较低、 比煤坚硬的黑灰色岩石。 它包括巷道掘进过程中的 掘进矸石、采掘过程中从 顶板、底板及夹层里采出 的矸石以及洗煤过程中挑 出的洗矸石。一般每采1t 原煤排出矸石0.2t左右。
煤矸石的危害
1）侵占良田，阻塞河道，造成水灾 2）释放大量有害气体，甚至引发火灾 3）损伤临近土壤，农作物及水环境 4）细粒随风飘散，造成沉降污染 5）煤矸石中天然放射性元素对人体与 环境的 危害 6）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。
4)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
5) 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。 6)生产化工产品：聚合铝、氧化铝、硫酸铵等。
煤矸石提取氧化铝工艺设计
煤矸石 硫酸溶液 残渣 （NH4）2SO4
粉碎
硫酸浸出
过滤除渣
滤液中和
硫酸铝溶液
中和搅拌槽
NH3
活化炉焙烧
Al（OH）3
烘干
洗涤脱水
过滤
Al（OH）3盐析
Al2O3
滤液
选择这个设计方案的理由
I.
国内氧化铝工业并不理想，采用煤矸石作为 原料提取氧化铝，即解决了煤矸石的大量堆 积，同时也能解决一部分氧化铝的需求量， 一举两得。 经济角度考虑，从煤矸石中提取氧化铝可以 大大提高煤矸石的附加值，实现变废为宝。