煤矸石粉碎后用途(煤矸石的形成及应用)

Posted 2023-06-02

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煤矸石粉碎后用途(煤矸石的形成及应用)

1 煤矸石是在煤炭形成过程中与煤炭伴生、共生的岩石，是在煤炭开采和洗选过程中排放出来的固体废弃物，实际上是含碳岩石与其他岩石的混合物，比较坚硬、致密，开采出来时呈黑灰色，经自燃后结构会变的疏松，颜色转为浅红色。煤矸石产量约占原煤产量的10%~25%，是我国排放量最大的工业废弃物之一，目前我国煤矸石累计积存量将近50亿吨，在全国各矿区形成大大小小的矸石山1600多座，占地1.5万公顷。不但浪费我国本已十分宝贵的土地资源，而且煤矸石中的有害元素在雨水长期作用下溶解后污染水资源和土壤环境，煤矸石在堆积过程中会发生自燃，产生有害气体污染大气，矸石山内部由于自燃热量积存过多时可能引发爆炸，或者由于堆积松散发生地质灾害，危害公共安全。另一方面，煤矸石具有较高的可利用价值，可用来生产建筑材料、发电、筑路、充填采空区、生产农肥、改良土壤、复土造田、回收矿产品以及合成碳化硅、分子筛、白炭黑等新型材料，特别是用煤矸石来生产建筑材料，能有效地大量消耗煤矸石，具有环保和经济的双重意义。

2 煤矸石组成和分类煤矸石属于沉积岩类，含碳量为20%-30%，是由多种矿岩组成的混合体。随着煤层的地质沉积年代、沉积环境、产地和开采方式等不同，煤矸石的岩石种类也有较大变化。一般有粘土岩类、砂岩类、碳酸岩类和铝质岩类等常见种类[3]，其矿物组成主要由高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物和石英、方解石、硫铁矿以及碳质组成。当然，煤矸石的岩石种类不同，其矿物组成也有较大差别。由于矿物组成不同，煤矸石的化学组成也非常复杂[4]，其中的无机质主要为硅、铝氧化物，此外还有Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等多种氧化物，有机质主要为碳和氢，此外还有硫、氧、氮等元素。煤矸石的分类方法很多，目前比较科学的方式是依照产出方式不同并结合煤矿行业的一些习惯叫法进行分类，可分为煤巷矸、井岩巷矸、剥离矸、手选矸、选煤矸五大类。这种分类方式比较明确地表达了煤矸石的性能特点，便于有效利用。

煤矸石的组成和分类对其性质及其利用价值和利用方式有着很重要的影响，如碳和氢等有机质是煤矸石燃烧时热量的主要来源，因此含碳量高的可作为燃料发电或供热，而煤矸石中

SiO2、A12O3的含量较高时，可作为水泥硅铝质原料的主要来源，用于代替粘土生产水泥熟料，因此明确煤矸石的组成和分类，对有效和合理利用煤矸石有积极意义。

3 煤矸石在建材工业中的应用途径

建筑材料是目前人类使用量最大的人造材料，每年消耗数额惊人的自然矿物资源，如能有效地利用煤矸石来生产建筑材料，不但解决了煤矸石的大量堆积问题，还为大宗建筑材料提供了充足的原料，

3.1 制砖

我国以前普遍采用的是粘土造砖，对耕地的破坏比较严重，因此国家对实心粘土砖下了严格的禁令，坚决取缔了实心粘土砖，而用煤矸石制砖，是取代实心粘土砖的成果之一。煤矸石的成分与粘土接近，因此以煤矸石为原料制砖，煤矸石掺量可达坯料总量的80%以上，甚至有的可以全部采用煤矸石。经均化、粉碎等预处理后的煤矸石，通过成型、干燥、焙烧等工艺的流水线，即制成性能优异的煤矸石烧结砖，可制成实心砖、空心砖、多孔砖等多种类型，强度普遍高于过去的烧结粘土砖，而且抗冻性、耐火性和抗腐蚀性均较好，同时还有较强的隔热和隔音效果，因为煤矸石含有一定比例的碳，在矸石砖培烧过程中会燃烧放出较多的热量，利用其内燃来实现矸石砖的干燥和焙烧过程，比采用外部煤炭燃料焙烧制砖能节省大量燃煤。目前成熟的煤矸石制砖工艺可以百分之百的利用煤矸石，做到“造砖不用土，烧砖不用煤”，成为我国有效利用煤矸石的一个重要途径。

3.2 在水泥工业中的应用

3.2.1 生产普通硅酸盐水泥熟料

煤矸石的化学成分中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量在80%左右，和粘土成分相近，可用来代替粘土提供制备水泥熟料所需的硅质成分和铝质成分，生产煤矸石水泥熟料要根据煤矸石中活性硅铝氧化物含量的高低以及石灰质原料的质量在实验试配的基础上确定合理的配比方案，因此采用煤矸石制备水泥熟料，要从选料、配料和控制原料中有害杂质含量等多方面进行严格把关。

3.2.2 生产少熟料水泥或无熟料水泥

自燃煤矸石和经煅烧之后的煤矸石带有一定活性，再掺入石膏、石灰以及活性较高的矿渣，可制成煤矸石无熟料水泥，这种水泥不同于传统水泥生产中“两磨一烧”的过程，而是直接将活化后的活性材料和适量的激发剂混合，再经磨细后得到的胶凝材料，如果以部分水泥熟料代替石灰，可得到煤矸石少熟料水泥，相对无熟料水泥来说，具有早期强度高和凝结速度快的优点。

3.3 制作轻质骨料

利用自燃后的煤矸石，经选料后剔除煤矸石里面含碳量较高的杂质，采用破碎机械进行破碎，筛分得到粗粒骨料，用以代替碎石和砂用于混凝土工程；或将煤矸石破碎成一定粒径后进行焙烧，可得到粒径在5-20mm的轻质骨料，也可先将煤矸石磨细后，加水搅拌，制成球状，再经干燥、焙烧得到烧制骨料，焙烧时，煤矸石在高温作用下，各成分会发生相互反应，煤矸石会发生熔融、软化，从而具有一定的粘度，可发生流动变形，同时煤矸石在高温作用下产生气体，使已经软化带有一定粘度的煤矸石发生膨胀，形成多孔的结构，得到轻质骨料，其密度比碎石、卵石轻很多，可用于配置强度高、密度小、吸水率低的轻质混凝土，生产各种建筑预制构件。

3.4 制作煤矸石砌块

以自燃煤矸石或经煅烧后的煤矸石为骨料，水泥为胶结材料，掺入少量外加剂，加水搅拌成型后，经自然养护制成煤矸石空心砌块。也可采用自燃煤矸石或经煅烧后的煤矸石为骨料，采用石膏、生石灰作为胶结材料，并采用振动成型工艺，经蒸汽养护后制成煤矸石空心砌块。制作煤矸石砌块是以煤矸石破碎后代替天然砂石，矸石砂掺量可达90%，能大量消耗煤矸石，减少天然砂石用量，具有轻质高强、保温节能、成本低廉、使用效果好等优点。

3.5 制作水泥混合材或混凝土掺合料

自燃煤矸石或经高温煅烧的煤矸石，碳成分被除去后，煤矸石里面的高岭土矿物会脱水分解，发生物相变化，生成偏高岭石和活性较高的无定形二氧化硅及氧化铝，性能得到活化，可在制备水泥时作为混合材掺入生产混合材水泥，也可作为优质矿物掺合料用于制备高性能混凝土，这样既利用了煤矸石，又减少水泥用量，降低了成本，间接减少了制备水泥熟料造成的环境污染。但要注意的是煤矸石中的碳对水有较强的吸附作用，当采用自燃不充分或煅烧时碳没有燃尽的煤矸石制作水泥混合材时，会使水泥标准稠度用水量增大，对强度和耐久性均有不利影响，所以采用煤矸石制作水泥混合材或混凝土掺合料时，要严格控制烧失量。

4 需解决的问题

4.1 煤矸石的品质评价需要建立科学的标准

受形成和开采条件等多种因素的影响，煤矸石矿物组成与化学成分复杂多变，尤其是煤矸石的产地不同时，其品质性能波动较大，在各处利用煤矸石生产建材产品时，可能都需重新摸索其具体的工艺参数和生产流程，这为其有效利用造成了一定困难，因此需要在大量的实验研究与统计分析的基础之上，建立一套能科学评价煤矸石品质性能的标准，对其代表性的性能指标采用科学的分级制度，以方便指导煤矸石的合理利用。

4.2 煤矸石的有效利用需要更有效的活化方法

活性低是煤矸石在建筑材料中利用率得不到提高的主要原因之一。未经处理的煤矸石本身活性较低，需要采取一定的方法进行活性的激发，目前可根据具体情况采用不同的激发方法，常用的有物理激活、化学激活和热激活，在实际生产中往往是多种激活方式结合使用，但总的来说目前的活化方法耗能较高或不好操作甚至会产生二次污染，虽然用于实验室

效果较好，但如何大规模用于工业化生产，还有待不断实践探索。

4.3 地区发展不均衡，

目前煤矸石利用率较高的往往是经济发达地区，而在一些煤炭产地，煤矸石资源非常丰富，但由于其地处落后地区，煤矸石利用率反而不高。另外，目前国内利用煤矸石生产建材的企业规模大小不一，运营能力参差不齐，有一些企业规模小，技术设备落后，自动化生产程度低、人工操作强度高，设备品种繁杂且配套性不强，导致产品质量的稳定性得不到保证。

4.4 部分地区政策落实不到位，企业缺乏融资渠道

国家对煤矸石利用非常重视，推出了一系列关于煤矸石等工业废弃物综合利用的政策、法规，但一些地区对政策落实不到位，银行对新建煤矸石综合利用项目的贷款条件比较苛刻，同时建材企业在煤矸石利用项目上经营模式比较单一，缺乏融资渠道，使一些矿区虽在原料方面具备比较好的条件，但由于资金不到位使一些煤矸石生产建材的项目得不到落实。

5 结论

煤矸石是我国目前排放量最大的工业废弃物，且随着我国煤炭工业能源格局的发展，煤矸石排放量每年还在以1亿吨的速度递增，利用煤矸石来生产建筑材料，不但可大量地消耗煤矸石，还为建筑材料的生产提供了原料，避免了大量开采自然资源，因此，采取有效手段进行煤矸石的资源化利用对实现人与自然的协调发展有十分重要的意义。