破碎煤矸石粒度与热值分布研究

陈岩，王彩萍，赵少鹏，周明凯

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070)

煤矸石是煤炭开采过程中夹带的混杂岩体，包含一定数量的碳质岩、粘土类矿物和硬度较大的石英砂岩、粉砂岩、碳酸岩等，且已成为我国堆存量最大的固体废弃物之一［1］。煤矸石用途广泛，不同的利用途径对煤矸石粒度与热值提出了不同的要求，两者已成为影响煤矸石资源化利用途径的关键参数，但是目前大多数应用途径均是通过循环破碎工艺和外掺其他原料，来对原状煤矸石的粒度与热值进行调节，很少关注破碎煤矸石自身存在的“粒度”与“热值”相互关系［2］。针对此问题，本文开展了破碎煤矸石粒度与热值分布间关系的研究，为煤矸石的破碎分选提供一定的技术基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用矸石为山西省朔州市某工业园区内选煤厂外排洗矸，制砖矸石原料来自该园区内煤矸石烧结砖厂，其主要化学成分见表1，所用入炉煤样来自该园区内矸石电厂，其工业分析见表2。

1.2 试验方法

取洗煤厂洗矸，用实验室小型环锤式破碎机进行一次破碎，用不同孔径标准筛筛分分级，采用氧弹法测量每一粒级发热量，再将筛出的4.75 mm以上粒级，用小颚破破碎，筛出4.75 mm以上粒级，留样测量其热值后，再用小颚破破碎，筛出4.75 mm以上粒级，留样测量其热值后重复以上操作。

取洗煤厂矸石，用不同孔径标准筛直接筛分分级，测量每一粒级发热量。取一定破碎好的砖厂矸石样和矸石电厂入炉煤样，用不同孔径标准筛筛分，计算其颗粒级配，并测量每一粒级发热量。

表1 制砖矸石原料主要化学成分Tab.1 The main chemical components of brick factory gangue

表2 矸石电厂入炉煤工业分析Tab.2 The fuel industry analysis of gangue power plant

2 实验室破碎煤矸石粒度与热值分布

2.1 一次破碎试验

将洗煤厂外排矸石用小型环锤式破碎机进行一次破碎，按1.2中的方法试验，结果如图 1所示。

从图1(a)可以看出，煤矸石破碎后不同粒级发热量随粒度减小而增大，原状煤矸石5次取样发热量平均为1 120 kcal/kg，筛分分级后，粒径4.75 mm以上平均热值为695 kcal/kg，比原状煤矸石降低37.9%，粒径2.36 mm以下平均热值为1 422 kcal/kg，比原状煤矸石提高 27%，且比4.75 mm以上粒级提高105%。原状煤矸石发热量越高，破碎之后2.36 mm以下粒级发热量比4.75 mm以上粒级增幅越大:最高为113%，其原状煤矸石发热量为1 279 kcal/kg;最低为57%，其原状煤矸石发热量为972 kcal/kg。从1(b)来看，4.75 mm以上低热值粒级较少，平均约占23%，2.36 mm以下高热值粒级平均约占40%。结合以上试验结果，将破碎后的煤矸石合理分级，即可分选出不同热值的产品，如高热值煤矸石用于制备电厂燃料，低热值煤矸石用于制备全煤矸石烧结砖等。

2.2 反复破碎试验

将2.1中筛出的4.75 mm以上粒级矸石按1.2中的方法处理，结果见表3。

表3 煤矸石反复破碎试验结果Tab.3 The test results of repeatedly crushed coal gangue

从表3结果来看，随着破碎次数的增加，物料发热量明显下降，且变化逐渐减小。经过一次破碎后4.75 mm以上粒级发热量为573 kcal/kg，第二次破碎后为 432 kcal/kg，第三次则只有245 kcal/kg，比第一次破碎之后发热量降低57%，第四次破碎之后发热量变化很小。经反复破碎后，4.75 mm以上粗粒级发热量逐渐降低，说明其中含碳量高、易碎矿物被不断破碎，经筛分后在筛下富集，筛上物发热量则明显降低［3］。

3 生产中不同破碎煤矸石粒度与热值分布

3.1 洗煤厂矸石

洗煤厂矸石粒度在200 mm以下，将其用不同孔径标准筛直接筛分分级，测量每一粒级发热量，结果如图2所示。

从图2可以看出，不同粒级洗煤厂矸石随粒度减小，发热量逐渐增大，粒径2.36 mm以下矸石发热量最大，分别为1 342、1 237 kcal/kg，与50 mm以上发热量 565、438 kcal/kg相比，分别增大138%与182%。之所以不同粒级洗煤厂矸石发热量存在较大差异，是因为原煤在入洗之前要进行破碎，夹在原煤中的矸石经过初次破碎，其中硬度不同、热值不同的岩石破碎程度也不一样，经过筛分，热值高、易碎的岩石富集在细粒级，热值低、难破的岩石富集在粗粒级［4］。

3.2 砖厂煤矸石

砖厂采用环锤破循环破碎工艺，将煤矸石制备成小于3 mm的颗粒，将砖厂破碎好的矸石样，按1.2中的方法处理，结果见表4。

表4 砖厂矸石样试验结果Tab.4 The test results of brick factory gangue

从表4可以看出，破碎好的矸石样经过筛分，不同粒级发热量随着粒度的减小逐渐升高，1.18 mm以上粒级发热量仅为634 kcal/kg，0.075 mm以下粒级发热量达到 1 445 kcal/kg，增幅为128%。砖厂分级筛上大于3 mm超粒径物料发热量为689 kcal/kg，通过闭路循环返回破碎机，经多次破碎后，热值高、易碎的矿物不断在细颗粒中富集，热值低、难破的矿物则相对粒径较大。然而制备全煤矸石烧结砖仅需发热量450 kcal/kg左右，原状煤矸石发热量一般在900 kcal/kg，需加入50%的粘土来降低其发热量，如果根据表4中试验结果，将部分发热量高的细粒级筛出，则可以有效降低用于制砖的煤矸石热值，进而减少粘土用量，降低生产成本。

3.3 矸石电厂入炉煤

矸石电厂燃料制备是将按比例配好的煤与矸石混合物，通过“粗碎+筛分+细碎”工艺破碎至一定粒度以下，将制备好的入炉煤样，按1.2的试验方法处理，结果如图3所示。

从图3(a)可以看出，入炉煤的级配控制情况不稳定，两次取样结果差异明显，YH1粒径偏细，4.75 mm 以下占 84.3%，YH2 为 65.2%;YH2 粒径偏粗，9.5 mm以上超粒径颗粒占13.4%，YH1仅为3.7%。且从热量分布来说，如图3(b)，不同粒级发热量随粒径减小而增大，4.75 mm以上粗颗粒主要为矸石，发热量均在2 000 kcal/kg以下，2.36 mm以下细颗粒主要为煤粉，发热量可达3 500 kcal/kg以上。入炉煤中粒度越小，发热量越高，是因为在破碎过程中，矸石相对难破，多在粗粒级中富集，而易碎的煤则进入细粒级。

煤与矸石粒度分布的不协调会造成锅炉粉煤灰、炉渣的烧失量偏大，该电厂粉煤灰烧失量最高可达12%以上，平均为9.6%，炉渣烧失量最高将近6%，平均为3.5%，灰渣烧失量大，不仅造成能源的浪费，而且影响了灰、渣的利用品质。根据图3的结果，矸石电厂燃料制备系统应根据根据煤与矸石破碎性能的不同，分别建设相应的破碎系统，且煤粒易燃烧，矸石燃烧困难，应保证入炉煤中煤粒较粗，矸石相对较细，这样可有效协调煤与矸石的燃烧速率，提高锅炉燃烧效率，同时改善灰渣利用品质［5］。

综上，不同破碎煤矸石均存在发热量随粒度减小而增大的负相关关系，据此可以考虑对煤矸石进行破碎分选处理，实现其分层次高效利用:经破碎分选出的高碳煤矸石热值可用于制备矸石电厂燃料，既可减少煤炭用量，其粒度小、含石量低又可有效减少电厂锅炉的磨损;又因煤矸石中Al2O3、SiO2含量高，分选出的低碳煤矸石热量适中，将其用作砖厂或水泥厂原、燃料，可实现全煤矸石砖的烧制及部分代替砂岩生产水泥。

4 结论

1)不同方式破碎煤矸石，均存在不同粒级发热量随粒度变化而变化的现象，且粒度越小，发热量越高;4.75 mm以上粗颗粒、低热值煤矸石经反复破碎，发热量不断降低，进一步说明煤矸石经破碎筛分，其热值会随粒度变化重新分布。

2)破碎煤矸石粒度与热值分布呈负相关关系，且细粒级比粗粒级发热量至少提高1倍以上，据此可以将煤矸石进行破碎分选处理。

［1］郭彦霞，张圆圆，程芳琴.煤矸石综合利用的产业化及其展望［J］.化工学报，2014，65(7):2444 －2453.

［2］邓寅生，邢学玲，徐奉章，等.煤炭固体废物利用与处置［M］.北京:中国环境科学出版社，2008.

［3］封金鹏.广西合山矿务局煤矸石破碎分选试验研究［D］.南宁:广西大学，2006.

［4］陈天虎，庆承松.山东某煤矿煤矸石选择性破碎分选［J］.合肥工业大学学报，1995，18(1):182 －185.

［5］张兴顺，邢进，唐涛.循环流化床锅炉燃料破碎设备的选择与应用［J］.华电技术，2012，34(1):36 －40.