摘 要 由于煅烧后的煤矸石具有较强的活性,应继续加强煤矸石作为水泥混合材和混凝土掺合料的研究,开展煅烧煤矸石掺入后对水泥、混凝土强度、抗冻、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀和氯离子渗透性等性能的研究,为扩大水泥混凝土中的掺入量,增加煤矸石的利用率提供理论基础。
关键词 煤矸石 综合利用 建材
煤矸石是煤炭开采和煤炭洗选产生的固体废弃物,是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废渣。据统计,我国煤矸石产量约为原煤总产量的15 %～20 % ,已积存达70 亿t ,占地70km2 ,而且以每年排放量1. 5 亿t 的速度增长。
1 煤矸石的组成
1. 1 煤矸石的化学组成
由于各地煤矸石的成分十分复杂,但其主要化学成分一般以氧化物为主,如SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 、CaO、MgO、K2O 等,此外,还含有少量的碳。煤矸石的化学成分不稳定,一般SiO2在30 %～60 % ,Al2O3 在15 %～40 % ,Fe2O3 在2 %～10 %、CaO在1 %～4 %。
1. 2 煤矸石的矿物组成
煤矸石是由碳质页岩、碳质砂岩、砂岩、页岩、粘土等岩石组成的混合物,结构致密,呈黑色,自燃后结构疏松,呈浅红色。由于组成煤矸石的岩石种类不同,其矿物组成也是复杂多变的,主要由粘土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石、勃母石等) 、石英、方解石、硫铁矿及碳质组成。
2 煤矸石的综合利用途径
2. 1 生产化工产品
煤矸石中含有硫、铝、铁、钡、钙、钛、硅等50 多种元素,当煤矸石中某一种或几种元素富集到具有工业利用价值时,便可提取化工原料或化工产品。
煤矸石可以制取碱式氯化铝和水玻璃;以煤矸石为原料,通过破碎、焙烧、连续酸溶、浓缩结晶、沸腾分解和配水聚合等工序,用酸溶法制取聚合氯化铝的技术已经成熟,且生产过程产生的残渣可用作水泥配料,或制成水玻璃和碳黑等产品;经过破碎、酸解、过滤提纯、蒸发结晶和脱水烘干等工序可制备出十八水硫酸铝(Al2 (SO4 ) 3 ·18H2O) ,生产工艺简单,产品质量可靠。
2. 2 改良土壤
煤矸石的酸碱性及其中含有的多种微量元素和营养成分,可用于改良土壤,调节土壤的疏松度并可增加土壤的肥效。煤矸石具有吸附水分、降低水分蒸发速度的作用,将煤矸石土壤掺合在一起,有利于植物生长。
2. 3 发电
煤矸石发电主要是利用热值在6000MJ / kg 以上的煤矸石进行发电,是煤矸石综合利用的一条重要途径,不但可以节约大量的煤资源,而且可以消除煤矸石对环境的污染。
2. 4 在建材中的应用
(1) 制砖。利用煤矸石制砖包括用煤矸石生产烧结砖和作烧砖内燃料。煤矸石一般占坯料重量的80 %以上,有的全部以煤矸石为原料,煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧,制成矸石砖。利用煤矸石生产烧结砖一般采用全内燃焙烧技术,即用煤矸石自身的发热量提供热能来完成干燥和焙烧的工艺过程,基本不需外加燃料,仅在煤矸石发热量较低时( < 2. 1～4. 2MJPkg) 才向矸石中掺入少量煤炭。每万标块煤矸石砖比粘土砖约节省1t 标煤, 不用或少用30 %的土地,但其性能与普通粘土砖相同。用煤矸石作烧砖内燃料制砖生产工艺与用煤作燃料基本相同,仅需增加煤矸石的粉碎工序。
(2) 制水泥。煤矸石中SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 的总含量一般在80 %以上,是一种天然的粘土质原料,可代替粘土配料烧制普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、煤矸石炉渣水泥等。用煤矸石作水泥原料的生产工艺过程与生产普通水泥基本相同。将煤矸石按一定比例配合,磨细成生料至部分熔融,得到以硅酸钙为主要成分的熟料,再加适量石膏和混合材料,磨成细粉而制成水泥。衡阳市白沙煤电集团方宁建材公司利用煤矸石取代粘土生产水泥,节约了生产成本,为企业生产经营带来了可观的经济效益和社会效益。
(3) 作水泥混合材和混凝土掺合料。从化学组成和矿物组成分析可知,未经处理的煤矸石具有稳定的硅酸盐晶体结构,其原子、离子、分子等特点都按一定的规律排列有序,所以其胶凝性很低。而煅烧后的煤矸石的灰渣化学组成,一般为SiO240 %～65 % ,Al2O315 %～35 % ,CaO1 %～7 % ,MgO1 %～4 % ,Fe2O31 %～9 % ,R2O1 %～2. 5 % ,烧失量2 %～17 %。从其化学组成可知,煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性,可掺入水泥中作活性混合材料,改善水泥的性能,降低水泥的生产成本。如大同水泥集团有限公司利用煤矸石作水泥混合材,其各项技术指标都能符合水泥生煤矸石也可以替代部分水泥,作为活性掺合料掺入混凝土中,从而改善水泥浆体的级配组成,提高混凝土的工作性、密实度和抗硫酸盐侵蚀性等。但用煤矸石粉直接作为混凝土掺合料使用的工程实例很少,至今未能推广到混凝土生产中去,有待于加强这方面的研究。
(4) 生产轻集料和空心砌块。将含碳量< 13 %的碳质页岩矸或选煤厂排出的洗矸,经破碎磨细加水成球,用烧结机或回转窑工艺焙烧,矸石球膨胀,冷却后即成煤矸石轻骨料。以煤矸石生产的轻集料作为骨料,水泥为胶结材料,加入少量外加剂,加水搅拌并经成型、自然养护而成的空心砌块简称煤矸石空心砌块。这种砌块性能稳定,可取代全部砂石和水泥,并具有质轻、高强、工艺简单、成本低和利废率高、使用效果好等优点,用煤矸石空心砌块代替普通砖,可以节约大量粘土,减少用土毁田。
(5) 作筑路和填充材料。煤矸石具有很好的抗风雨侵蚀性能,国外已广泛利用自燃煤矸石作为筑路材料。实践证明,它是一种与碎石土相似的良好的筑路材料,具有良好的水稳性。煤矸石混合料作道路基层材料,其强度、冻稳性和抗温缩防裂性,均能满足多种等级公路的规范要求,而且有些混合料的性能还优于常用的基层材料。因此,用煤矸石作道路基层材料具有广泛的推广价值。
利用煤矸石作塌陷区复地的充填材料,可使采煤破坏的土地得到恢复,由于煤矸石中含有大量SiO2 和Al2O3 等,若加上少量石灰或水泥调制成灰浆,可提高充填体的强度和密实性。
3 关于煤矸石利用的设想
今后应进一步研究煤矸石活化的最佳热处理工艺制度,研制煤矸石煅烧的新设备,并紧密联系工业生产,使所研制的热处理工艺制度能够在工业生产中实现,以加大煤矸石综合利用率,减轻煤矸石对环境造成的污染。由于煅烧后的煤矸石具有较强的活性,应继续加强煤矸石作为水泥混合材和混凝土掺合料的研究,开展煅烧煤矸石掺入后对水泥、混凝土强度、抗冻、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀和氯离子渗透性等性能的研究,为扩大水泥混凝土中的掺入量,增加煤矸石的利用率提供理论基础。
4 结束语
如何有效地利用工业废渣,变废为宝,减轻环境污染,是当前全世界共同关注的话题。作为我国排放量最大、利用率最低的工业废渣之一的煤矸石,今后应加强其组分、结构与特征等基础研究,根据煤矸石的特性和实际需要,开拓新的途径,开发煤矸石处理的新工艺和技术设备,以提高其综合利用率,使煤矸石资源化、变废为宝。
