摘 要 由于煅燒后的煤矸石具有較強的活性,應(yīng)繼續(xù)加強煤矸石作為水泥混合材和混凝土摻合料的研究,開展煅燒煤矸石摻入后對水泥、混凝土強度、抗凍、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透性等性能的研究,為擴大水泥混凝土中的摻入量,增加煤矸石的利用率提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 煤矸石 綜合利用 建材
煤矸石是煤炭開采和煤炭洗選產(chǎn)生的固體廢棄物,是我國目前年排放量和累計存量最大的工業(yè)廢渣。據(jù)統(tǒng)計,我國煤矸石產(chǎn)量約為原煤總產(chǎn)量的15 %～20 % ,已積存達70 億t ,占地70km2 ,而且以每年排放量1. 5 億t 的速度增長。
1 煤矸石的組成
1. 1 煤矸石的化學(xué)組成
由于各地煤矸石的成分十分復(fù)雜,但其主要化學(xué)成分一般以氧化物為主,如SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 、CaO、MgO、K2O 等,此外,還含有少量的碳。煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定,一般SiO2在30 %～60 % ,Al2O3 在15 %～40 % ,Fe2O3 在2 %～10 %、CaO在1 %～4 %。
1. 2 煤矸石的礦物組成
煤矸石是由碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)砂巖、砂巖、頁巖、粘土等巖石組成的混合物,結(jié)構(gòu)致密,呈黑色,自燃后結(jié)構(gòu)疏松,呈淺紅色。由于組成煤矸石的巖石種類不同,其礦物組成也是復(fù)雜多變的,主要由粘土礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石、勃母石等) 、石英、方解石、硫鐵礦及碳質(zhì)組成。
2 煤矸石的綜合利用途徑
2. 1 生產(chǎn)化工產(chǎn)品
煤矸石中含有硫、鋁、鐵、鋇、鈣、鈦、硅等50 多種元素,當(dāng)煤矸石中某一種或幾種元素富集到具有工業(yè)利用價值時,便可提取化工原料或化工產(chǎn)品。
煤矸石可以制取堿式氯化鋁和水玻璃;以煤矸石為原料,通過破碎、焙燒、連續(xù)酸溶、濃縮結(jié)晶、沸騰分解和配水聚合等工序,用酸溶法制取聚合氯化鋁的技術(shù)已經(jīng)成熟,且生產(chǎn)過程產(chǎn)生的殘渣可用作水泥配料,或制成水玻璃和碳黑等產(chǎn)品;經(jīng)過破碎、酸解、過濾提純、蒸發(fā)結(jié)晶和脫水烘干等工序可制備出十八水硫酸鋁(Al2 (SO4 ) 3 ·18H2O) ,生產(chǎn)工藝簡單,產(chǎn)品質(zhì)量可靠。
2. 2 改良土壤
煤矸石的酸堿性及其中含有的多種微量元素和營養(yǎng)成分,可用于改良土壤,調(diào)節(jié)土壤的疏松度并可增加土壤的肥效。煤矸石具有吸附水分、降低水分蒸發(fā)速度的作用,將煤矸石土壤摻合在一起,有利于植物生長。
2. 3 發(fā)電
煤矸石發(fā)電主要是利用熱值在6000MJ / kg 以上的煤矸石進行發(fā)電,是煤矸石綜合利用的一條重要途徑,不但可以節(jié)約大量的煤資源,而且可以消除煤矸石對環(huán)境的污染。
2. 4 在建材中的應(yīng)用
(1) 制磚。利用煤矸石制磚包括用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)磚和作燒磚內(nèi)燃料。煤矸石一般占坯料重量的80 %以上,有的全部以煤矸石為原料,煤矸石經(jīng)破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、干燥、焙燒,制成矸石磚。利用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)磚一般采用全內(nèi)燃焙燒技術(shù),即用煤矸石自身的發(fā)熱量提供熱能來完成干燥和焙燒的工藝過程,基本不需外加燃料,僅在煤矸石發(fā)熱量較低時( < 2. 1～4. 2MJPkg) 才向矸石中摻入少量煤炭。每萬標(biāo)塊煤矸石磚比粘土磚約節(jié)省1t 標(biāo)煤, 不用或少用30 %的土地,但其性能與普通粘土磚相同。用煤矸石作燒磚內(nèi)燃料制磚生產(chǎn)工藝與用煤作燃料基本相同,僅需增加煤矸石的粉碎工序。
(2) 制水泥。煤矸石中SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 的總含量一般在80 %以上,是一種天然的粘土質(zhì)原料,可代替粘土配料燒制普通硅酸鹽水泥、快硬硅酸鹽水泥、煤矸石爐渣水泥等。用煤矸石作水泥原料的生產(chǎn)工藝過程與生產(chǎn)普通水泥基本相同。將煤矸石按一定比例配合,磨細成生料至部分熔融,得到以硅酸鈣為主要成分的熟料,再加適量石膏和混合材料,磨成細粉而制成水泥。衡陽市白沙煤電集團方寧建材公司利用煤矸石取代粘土生產(chǎn)水泥,節(jié)約了生產(chǎn)成本,為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
(3) 作水泥混合材和混凝土摻合料。從化學(xué)組成和礦物組成分析可知,未經(jīng)處理的煤矸石具有穩(wěn)定的硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu),其原子、離子、分子等特點都按一定的規(guī)律排列有序,所以其膠凝性很低。而煅燒后的煤矸石的灰渣化學(xué)組成,一般為SiO240 %～65 % ,Al2O315 %～35 % ,CaO1 %～7 % ,MgO1 %～4 % ,Fe2O31 %～9 % ,R2O1 %～2. 5 % ,燒失量2 %～17 %。從其化學(xué)組成可知,煤矸石經(jīng)自燃或人工煅燒后具有一定活性,可摻入水泥中作活性混合材料,改善水泥的性能,降低水泥的生產(chǎn)成本。如大同水泥集團有限公司利用煤矸石作水泥混合材,其各項技術(shù)指標(biāo)都能符合水泥生煤矸石也可以替代部分水泥,作為活性摻合料摻入混凝土中,從而改善水泥漿體的級配組成,提高混凝土的工作性、密實度和抗硫酸鹽侵蝕性等。但用煤矸石粉直接作為混凝土摻合料使用的工程實例很少,至今未能推廣到混凝土生產(chǎn)中去,有待于加強這方面的研究。
(4) 生產(chǎn)輕集料和空心砌塊。將含碳量< 13 %的碳質(zhì)頁巖矸或選煤廠排出的洗矸,經(jīng)破碎磨細加水成球,用燒結(jié)機或回轉(zhuǎn)窯工藝焙燒,矸石球膨脹,冷卻后即成煤矸石輕骨料。以煤矸石生產(chǎn)的輕集料作為骨料,水泥為膠結(jié)材料,加入少量外加劑,加水?dāng)嚢璨⒔?jīng)成型、自然養(yǎng)護而成的空心砌塊簡稱煤矸石空心砌塊。這種砌塊性能穩(wěn)定,可取代全部砂石和水泥,并具有質(zhì)輕、高強、工藝簡單、成本低和利廢率高、使用效果好等優(yōu)點,用煤矸石空心砌塊代替普通磚,可以節(jié)約大量粘土,減少用土毀田。
(5) 作筑路和填充材料。煤矸石具有很好的抗風(fēng)雨侵蝕性能,國外已廣泛利用自燃煤矸石作為筑路材料。實踐證明,它是一種與碎石土相似的良好的筑路材料,具有良好的水穩(wěn)性。煤矸石混合料作道路基層材料,其強度、凍穩(wěn)性和抗溫縮防裂性,均能滿足多種等級公路的規(guī)范要求,而且有些混合料的性能還優(yōu)于常用的基層材料。因此,用煤矸石作道路基層材料具有廣泛的推廣價值。
利用煤矸石作塌陷區(qū)復(fù)地的充填材料,可使采煤破壞的土地得到恢復(fù),由于煤矸石中含有大量SiO2 和Al2O3 等,若加上少量石灰或水泥調(diào)制成灰漿,可提高充填體的強度和密實性。
3 關(guān)于煤矸石利用的設(shè)想
今后應(yīng)進一步研究煤矸石活化的最佳熱處理工藝制度,研制煤矸石煅燒的新設(shè)備,并緊密聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn),使所研制的熱處理工藝制度能夠在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn),以加大煤矸石綜合利用率,減輕煤矸石對環(huán)境造成的污染。由于煅燒后的煤矸石具有較強的活性,應(yīng)繼續(xù)加強煤矸石作為水泥混合材和混凝土摻合料的研究,開展煅燒煤矸石摻入后對水泥、混凝土強度、抗凍、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透性等性能的研究,為擴大水泥混凝土中的摻入量,增加煤矸石的利用率提供理論基礎(chǔ)。
4 結(jié)束語
如何有效地利用工業(yè)廢渣,變廢為寶,減輕環(huán)境污染,是當(dāng)前全世界共同關(guān)注的話題。作為我國排放量最大、利用率最低的工業(yè)廢渣之一的煤矸石,今后應(yīng)加強其組分、結(jié)構(gòu)與特征等基礎(chǔ)研究,根據(jù)煤矸石的特性和實際需要,開拓新的途徑,開發(fā)煤矸石處理的新工藝和技術(shù)設(shè)備,以提高其綜合利用率,使煤矸石資源化、變廢為寶。
