氧化铝生产尾矿防治煤矸石山自燃技术研究

李美雨

(山西兆丰铝业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

氧化铝生产尾矿防治煤矸石山自燃技术研究

李美雨

(山西兆丰铝业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

简述煤矸石山自燃的防治及氧化铝生产尾矿综合利用。就氧化铝生产尾矿用于防治煤矸石山自燃进行理论研究和实验。实验证明，氧化铝生产尾矿用于防治煤矸石山自燃，可以达到以废治废的目的。关键词： 氧化铝生产尾矿；煤矸石山；自燃；防治

煤炭作为主导产业的阳泉市被国家环保部列为京、津、冀大气污染传输通道上的28个城市之一，对于煤矸石山自燃的预防、治理显得尤为重要。

氧化铝生产尾矿(也称赤泥)被贮存在赤泥尾矿库堆场，大量的尾矿堆存极易造成堆场及周边地下水质碱化污染，地面植被及大气环境遭受破坏。同时，占用土地资源、消耗大量资金，给氧化铝生产企业带来了巨大的压力。

1 防治煤矸石山自燃的技术方法和现状及存在的问题

1.1 防治煤矸石自燃技术和现状

煤矸石自燃是世界上产煤国家一个严重的环境污染问题[1]。煤矸石的主要成分是煤层顶板及煤层夹层的炭质泥岩或含碳泥岩，并含少量黄铁矿结构、碳屑及炭块。由于黄铁矿含硫，在常温条件下，煤矸石自燃产生大量CO、SO2与H2S等有害气体。公司先后经过了表面喷浆、深孔注浆、覆盖碾压法试验,总结形成了碾压覆盖辅以局部注浆的综合性治理技术,累计灭火面积20万m2，覆盖面积22万m2，一定程度上制约了矸山自燃。但是，未能从根本上解决问题。从2000年开始，公司对矸山治理进行研究，找到了将煤矸石分层碾压、表层覆土绿化的防治矸山自燃的新方法，使矸山生态恢复和综合治理工作有了新的突破。

1.2 阳煤集团目前防治煤矸石自燃存在的问题

目前，阳煤集团主要采用0.7 m以上黄土覆盖的方式改良煤矸石山的土壤基质[2]，虽然在矸石山治理方面取得了明显的实效，但仍然存在以下方面的问题：

1) 一部分排矸区由于缺少土壤,干旱贫瘠,持水能力弱,易发生自燃，并产生高温和排放有毒有害气体。

2) 缺乏土壤改良。未经土壤改良的土壤逐渐酸化、温度逐渐升高，复垦种植的植物存活难度较大。

3) 缺乏有效的管理措施。矸石山土壤保水、保肥、缓冲性能等都较差，栽培与管理必须并重，才能保证植物的成活率。管理的主要措施是保墒和施肥，最好能进行灌溉。

4) 复垦种植的植物护养成本较高，没有任何经济收益的投入难以保证长期维护管理。由于煤矸石风化物使复垦土壤贫瘠、缺水、呈酸性，立地条件差，还易受粉尘、SO2、SO3等浸蚀。

以上问题及煤矸石处置工程中存在的不当问题，容易造成矸石山污染“反弹”，乃至再次发生“自燃”。

2 赤泥综合治理技术和现状及存在的问题

2.1 国内外赤泥综合利用技术和现状

氧化铝生产尾矿是铝土矿提炼氧化铝后排弃的废渣(俗称赤泥)，生产1 t氧化铝要排出1.5 t赤泥。赤泥矿物成分复杂，主要矿物为文石和方解石，质量分数为60%～65%。赤泥的pH值约为10.29～11.83，含氟化物质量浓度4.89 mg·L-1～8.6 mg·L-1，属于一般固体废物。氧化铝生产尾矿由于结合的化学碱难以去除，又含有氟、铝及其他多种杂质等，因此，截至目前，对于赤泥的大规模综合利用一直难以进行。赤泥的综合利用，应着眼于废物处理量大、制品附加值与技术含量高、兼具环境效益与经济效益、有示范带动效应的深层次利用途径。在巩固其用作建材原料、铺路筑坝、工程回填、农业利用等传统消纳方式的基础上，加强复合型功能材料的开发和推广，并统筹考虑赤泥中有用物质的多级分批回收工艺，确保经济可行，避免二次污染。

当前，用赤泥作环境修复材料处理废气、废水及土壤的有机和无机污染，具有成本低、工艺简单、以废治废等优点。而对赤泥微观结构、吸附过程、焙烧活化机理、改性工艺等方面的深入研究，将大力推进赤泥在环保领域中的应用范围。

目前，在阳煤集团氧化铝分公司赤泥库内的氧化铝尾矿累计堆积总量约250万t，每年满负荷生产时,产赤泥约170万t/a。赤泥被贮存在赤泥尾矿库堆场，大量的赤泥堆存造成堆场及周边地下水质碱化污染，地面植被及大气环境遭受破坏。

同时，占用土地资源、搬迁村庄、消耗大量资金，给氧化铝生产企业带来了巨大的压力。特别是迫在眉睫的再建赤泥库要求，使赤泥新的处置问题的解决十分紧迫。

因此，采取“以废治废”途径，防止煤矸石山自燃和氧化铝尾矿综合利用，对煤矸石山和氧化铝尾矿的处置项目进行改造是具有重要的现实意义。

2.2 氧化铝尾矿综合利用存在的主要问题

大量的赤泥堆积如山[3]，占用农田，还耗费较多的堆场建设和维护管理费用。同时，赤泥的含碱废液还会严重污染环境。对于赤泥的处理，我们国家主要是筑坝堆存。目前，我国对赤泥的研究还不够充分，对赤泥的利用率仅15%。

赤泥可用于建材市场作为配料使用。目前，已研制出利用赤泥、粉煤灰等加上一定的天然矿物添加剂制备出高性能艺术型清水砖，孔隙率达到40%～50%，抗折强度达到50 MPa～85 MPa。另外，还有以赤泥为主要原料，添加铬矿渣、石英砂、工业纯碱、长石等制得的以透辉石为主晶相，具有较高耐磨、耐腐蚀性和良好机械强度的微晶玻璃，主要用作结构材料。但是，由于其含碱较高，仅能作为辅料使用，消耗极少。

3 利用氧化铝生产尾矿防治煤矸石山自燃技术原理

3.1 煤矸石物化性质

煤矸石主要成分为，30.32%高岭石、27.14%伊利石、25.59%石英、11.52%方解石、5.43%黄铁矿，工业分析含水率为1.07%、灰分为72.72%、全硫为5.53%。

煤矸石氧化产酸机理[5]，如式(1)。

(1)

煤矸石氧化产酸放出热量，进一步促进煤矸石山自燃。

3.2 氧化铝生产尾矿物化性质

氧化铝生产尾矿主要矿物组成为68.89%水化石榴石、12.84%方钠石、11.87%方解石、6.49%赤铁矿；主要化学组成为，23.68% Al2O3、18.76%SiO2、14.04%Fe2O3、4.53%TiO2、15.95%CaO、8.28%Na2O；粒度组成为，D(4，3)-5.74 μm、D75-7.20 μm、D90-8.59 μm，比表面积为11.79 m2/g。

氧化铝生产尾矿产碱机理分析：氧化铝生产尾矿中碱性物质主要分为吸附碱和结合碱。其中，结合碱释放较慢。氧化铝生产尾矿对环境的危害主要是吸附碱，其质量浓度达到2 g/L～3 g/L，pH值13～14，因此对环境造成碱污染。

3.3 氧化铝生产尾矿用于防治矸山自燃机理分析

氧化铝生产尾矿用于治理矸山自燃首先是利用酸碱中和的化学原理，消除彼此对环境的危害，达到以废治废的目的。

其次，利用氧化铝生产尾矿粒度较细的这一物理性质，将氧化铝生产尾矿覆盖在矸石上，隔绝矸石与氧气的接触，从而阻止矸山自燃。

4 赤泥覆盖煤矸石实验

4.1 氧化铝生产尾矿覆盖煤矸石实验方案

在选定一矿矸石山某平地处堆放约100 t赤泥，其形状和分布如图1所示。

图1 赤泥覆盖煤矸石实验

矸山高约8 m，赤泥覆盖厚度约0.5 m，平地处赤泥经过推土机碾压，斜坡处赤泥则直接覆盖在矸石表面未经碾压。

取原始赤泥、煤矸石，对氧化钠含量、硫含量进行化验。赤泥堆存覆盖后，每周在赤泥与煤矸石结合面处取样分析赤泥、矸石的化学固相成分，判断矸石含硫量和赤泥含钠量的变化。

4.2 氧化铝生产尾矿覆盖煤矸石实验情况分析

从实验现场情况来看，实验初期的变化不明显。但是，随着时间的推移，在赤泥和煤矸石结合面处的赤泥由固结状变为糊状。结合面处赤泥中氧化钠含量和煤矸石中硫含量化验数据如表1所示。

表1 煤矸石与赤泥化验数据统计表 %

从表1数据可以发现，赤泥中氧化钠含量、煤矸石中硫含量均随着时间推移而减少。

5 结语

氧化铝生产尾矿用于防治煤矸石山自燃在理论上完全可行，通过短期现场实验数据可以发现，赤泥中的钠和煤矸石中的硫有一定变化。但是，氧化铝生产尾矿用于防治煤矸石山自燃技术要实现规模化应用必须做好前期防渗漏工作，在实施过程中需对周围地表水和地下水体的酸性、碱性、矸石山周围大气环境中SO2、H2S等有害气体进行监测，确保其达到国家相关污染排放指标要求。

[1] 杨秀敏.胡桂娟.李宁,等.煤矸石山的污染治理与复垦技术[J].中国矿业,2008，17(6)：34-36.

[2] 杜志刚,魏来聚,刘相国.阳泉煤矸石山自燃因素与特征及治理措施[J].煤矿环境保护,1997，11(5)：21-23.

[3] 曹瑛，李卫东，刘艳改.工业废渣赤泥的特性及回收利用现状[J].硅酸盐通报，2007，26(1)：143-145.

study on prevention of spontaneous combustion of gangue hill by alumina production tailings

LI Meiyu

(Shanxi Zhaofeng Aluminum Industry Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000, China)

Prevention and control of spontaneous combustion of gangue hill and comprehensive utilization of tailings from alumina production are expounded. The theoretical research and experiment on alumina production tailings for preventing and controlling spontaneous combustion of coal gangue hill have been carried out. The experiment shows that alumina production tailings can be used to prevent spontaneous combustion of gangue hill, so as to achieve the purpose of waste disposal.

tailings of alumina production; spontaneous combustion of gangue hill; preventing and controlling

2017-04-24

李美雨，男，1983年出生，2005年毕业于西安建筑科技大学，环境工程师。研究方向：环境可持续发展研究。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.25

TD752

A

1004-7050(2017)04-0075-03

专题讨论