准格尔矿区煤矸石综合利用新途径

陈 东 曹 坤

(神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300)

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准格尔矿区煤矸石综合利用新途径

陈 东 曹 坤

(神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300)

煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物，煤矸石的大量堆放不仅压占土地，而且有自燃风险，严重威胁生态环境。在总结了传统煤矸石生产水泥、铺路、采空区回填等利用途径后，分析了准格尔矿区煤矸石的化学成分、矿物组成等参数。针对准格尔矿区煤矸石化学成分、矿物组成的特殊性质，总结近年来高科技含量煤矸石综合利用工艺技术研究及高附加值产品开发成果，提出准格尔矿区煤矸石综合利用循环经济产业项目是煤矸石加工利用、变废为宝的最佳解决途径。

准格尔矿区 煤矸石 综合利用 新途径

煤矸石是混在煤层之中，在成煤过程中伴生的岩石，煤炭开采的时候会将煤矸石一并采出，经过分矸与洗选将煤炭与煤矸石分开，煤炭总产量的10%～15%为煤矸石。煤矸石是排放量最大的工业固体废弃物，建国初期我国便开始对煤矸石加以利用，但由于工艺技术限制，初期煤矸石仅仅用于生产水泥、铺路、采空区回填，后期通过技术引进，煤矸石可以用来生产建筑材料、发电等方式处理。

准格尔矿区煤矸石中Al2O3及SiO2含量均大于40%，同时伴生镓、稀土及其它有价元素，传统煤矸石处理方法资源利用率低，同时没能彻底解决煤矸石后续产品对环境的污染，因此，开发高科技含量煤矸石综合利用工艺技术研究及高附加值产品是未来的发展方向。

1 煤矸石性质

1.1 煤矸石化学组成

煤矸石的产生主要来自煤矿开采过程与煤炭洗选过程，两种来源基本各占总量的一半，部分地区煤矸石化学组分含量见表1。

表1部分地区煤矸石化学组分含量

%

产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2Na2OK2OLOI内蒙古准格尔矿区42724779250250040200020040500内蒙古海勃湾50724417188071051----内蒙古大青山463537620530330090980030081399湖南常德青峰44733521161021048161035--陕西铜川447537430990070151430880561454山西阳泉447839050450660440050100151432

由表1可以看出，煤矸石主要是由Al2O3、SiO2及其它有价金属元素组成，其中所占比例最大的元素为Al2O3和SiO2，Al2O3含量为25%～50%，SiO2含量为40%～60%。内蒙古准格尔矿区煤矸石中SiO2含量为42.72%，Al2O3含量为47.79%。从以上数据可以看出煤矸石中含有较为可观的有价元素，开发高科技含量煤矸石综合利用工艺技术提取煤矸石中有价元素是可以创造经济价值的。

1.2 煤矸石物相组成

煤矸石中含有一定量的非晶相物质，主要是有机质、水及风化物等，因此在测定煤矸石的物相组成时需要对其进行预处理处理，去除有机质、水及风化物后测量。经分析，煤矸石中含量最多的矿物物相为偏高岭石和石英，同时也含有伊利石、绿泥石、白云母、长石、黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、方解石等。准格尔矿区煤矸石中矿物种类及含量见表2。

表2 准格尔矿区煤矸石中矿物种类及含量

由表2可以看出，准格尔矿区煤矸石矿物组成主要以偏高岭石和石英为主，偏高岭石的活性好，容易进行铝、硅等多元素的协同提取，利于资源回收利用。

2 传统煤矸石的利用途径

煤矸石的化学组成及物相组成决定了煤矸石综合利用的发展方向。一般来说，发热量较高的煤矸石(>6270 kJ/kg)可直接或通过配煤用于发电，石英的主要成分SiO2含量较高的煤矸石可用于生产建筑材料、陶瓷或微晶玻璃等，高岭石主要成分Al2O3含量较高的煤矸石可用于铝、硅、镓等有价元素的协同提取，部分替代铝土矿资源。我国煤矸石的主要利用途径见表3。

表3 我国煤矸石的主要利用途径

2.1 煤矸石生产水泥、铺路、采空区回填

煤矸石最简单、直接的利用途径是生产水泥、铺路、采空区回填等方式。20世纪70年代，淮北矿务局开始尝试使用煤矸石回填采空区造地，并成功在其上开发住宅建筑。随着煤矸石回填工艺技术提高，2006年山东新汶矿业集团孙村煤矿使用煤矸石充填作为支撑，替换原矿井保留的煤柱进行煤炭开采，将煤炭行业充填工艺技术推向新的高度。截止2015年，我国煤矸石生产水泥、铺路、采空区、塌陷区回填利用煤矸石达到4.25亿t，占煤矸石综合利用量的52%。

2.2 煤矸石制建材

我国自20世纪60年代就开始了煤矸石制砖的工业化试验，先后有四川、山东、辽宁等地企业建设了煤矸石砖厂。但当时煤矸石制砖工艺简单、设备性能落后，产品性能较差，发展水平较低。20世纪80年代后期，通过引进国外的工艺技术及设备，我国的煤矸石制砖工艺技术及装备整体性能上有了质的飞跃，制砖生产线全面实现机械自动化。20世纪90年代末，我国在煤矸石制砖的装备水平上有了较大提高，可以制造软塑、半硬塑和硬塑挤出装备，这些装备技术的开发促进了我国煤矸石制砖产业的飞速发展。21世纪初，国家逐渐限制黏土制砖，鼓励各大煤矿发展煤矸石制砖业，煤矸石砖也逐渐实现多品种和系列化，由实心砖向多孔砖和空心砖发展，焙烧窑也由轮窑向隧道窑方向发展，生产工艺得到进一步改进。

煤矸石在水泥行业的应用也占有一定的比例。在水泥生产过程中可以利用煤矸石自身的热量以节省部分燃料，同时可以替代水泥生产的主要原料黏土。如何解决煤矸石的水泥化活性，提高煤矸石的掺混比例是煤矸石生产水泥急需解决的关键问题，基于此问题，目前煤矸石应用于水泥生产的比例尚不足15%。

2.3 煤矸石发电

我国煤矸石发电的历史开始于20世纪70年代，1975年，第一台10 t/h的煤矸石发电沸腾锅炉试验成功，从此煤矸石发电掀开了新的篇章。20世纪80年代中后期，多家煤矸石电厂陆续开始建设，如萍乡市安源、王坑煤矸石发电厂，徐州市垞城坑口煤矸石电厂等。初期的煤矸石电厂锅炉是沸腾炉，沸腾炉燃烧效率不高，煤矸石的利用率低，而且沸腾炉燃烧过程中飞灰量大，会磨损锅炉本体，影响锅炉寿命，因此沸腾炉体积很难做大，限制了煤矸石发电厂大型化建设。

2000年以后，大型循环流化床供热锅炉电厂陆续投产运行，广东梅县荷树园电厂、四川白马电厂于2005年相继投入运行。截至2012年底，全国煤矸石等低热值燃料发电在役及在建机组总装机规模达3500万kW，现役煤矸石电厂单机容量从6～300 MW等级都有，年煤矸石等低热值燃料共计消耗1.35亿t，折合标准煤近4000万t。

神华准能集团依托生产能力为3400万t/a的黑岱沟露天煤矿及配套选煤厂、生产能力为3500万t/a的哈尔乌素露天煤矿及配套选煤厂所产煤矸石，从2005年开始，陆续建成装机容量为960 MW的煤矸石发电厂，就地转化露天矿开采及选煤厂产生的煤矸石，同时，产生的粉煤灰用于神华准能资源综合开发有限公司4000 t/a氧化铝中试厂提取氧化铝使用。

3 准格尔矿区煤矸石综合利用新途径

3.1 煤矸石提取氧化铝技术

随着我国工业技术及装备水平的提高，依靠科技进步，开发具有高科技含量煤矸石利用的新技术、新方法、新产品，拓宽高附加值深加工产品，为煤矸石循环经济资源化综合利用奠定基础。国内对煤矸石综合利用的研究起步较早，近十年，许多高校、设计院及企业投入大量人力、物力、财力对煤矸石的资源化综合利用进行了深入研究，通过实验室小试，实验室中试，工业化中试及工业化示范厂的建设，积累了丰富经验，掌握了核心科技，使我国在煤矸石资源化综合利用领域走在世界的前列。

3.1.1 石灰石烧结法提取氧化铝

石灰石烧结法是将石灰或石灰石等钙盐与煤矸石在1300℃～1400℃下烧结，烧结样的物相组成主要为12CaO·7(Al2O3)和γ-2CaO·SiO2，烧结样在碳酸钠溶液中的溶出，铝酸钙与碳酸钠溶液生成铝酸钠溶液，通过过滤铝酸钠溶液与硅酸二钙实现铝硅分离，分离后的铝酸钠精制液经脱硅、碳分、过滤得到氢氧化铝，煅烧得到氧化铝。石灰石烧结法提取氧化铝工艺流程如图1所示。

图1 石灰石烧结法提取氧化铝工艺流程图

石灰石烧结法提取氧化铝工艺成熟，适用范围广，但石灰石烧结法工艺复杂且耗能高，烧结过程中加入大量钙盐与SiO2结合成为硅钙残渣排出，残渣量是氧化铝产品量的8～9倍，残渣只能用于生产水泥，但水泥受运输成本限制，使用半径较小，经济效益不明显。

3.1.2 碱石灰烧结法提取氧化铝

该方法先将煤矸石预脱硅处理，煅烧后的煤矸石经NaOH溶液处理，煤矸石中的铝硅比可以提高2～3倍，处理后的煤矸石与Na2CO3及CaCO3按一定比例混合，经高温煅烧得到熟料，熟料水解可分离NaAlO2和CaSiO4，NaAlO2水解进入溶液后经分解得到氢氧化铝制品，煅烧后得到氧化铝。碱石灰烧结法提取氧化铝工艺流程如图2所示。

由图2可以看出，预脱硅工艺的加入减少了排渣量，但生产1 t氧化铝依旧会产生1.3 t左右的硅钙渣，且硅钙渣中含有过量的钠离子，回收利用难度较大。

图2 碱石灰烧结法提取氧化铝工艺流程图

3.1.3 硫酸浸出法

硫酸浸出法提取氧化铝工艺流程如图3所示。

图3 硫酸浸出法提取氧化铝工艺流程图

由图3可以看出，煤矸石加硫酸溶出后分离，分离出的硅渣可以用于硅系列产品回收，向滤液中加入氨水调整pH值为12～13，使残余的铁离子形成沉淀过滤分离。滤液加热浓缩，冷却结晶后过滤得到Al2(SO4)3·18H2O，可以通过加水溶解重结晶提高Al2(SO4)3纯度。将Al2(SO4)3·18H2O溶于水配成溶液，通过滴加氨水调节pH值使铝完全沉淀得到无定形氢氧化铝，氢氧化铝煅烧可以得到纯度较高的氧化铝。该工艺技术氧化铝溶出率高，氧化铝产品纯度高，同时对设备材料性能的要求高，工艺中碱解操作精度会直接影响产品纯度，因此难以工业化应用。Al2(SO4)3·18H2O亦可直接煅烧得到氧化铝，同时回收SO3制备硫酸循环利用，但能耗较高。

3.1.4 “一步酸溶法”提取氧化铝

多年来，神华集团致力于开发循环流化床锅炉煤矸石电厂废渣粉煤灰中提取氧化铝工艺技术研究，攻克了多项技术难题，掌握了核心关键技术，形成自主知识产权的“一步酸溶法”生产氧化铝工艺技术，“一步酸溶法”工艺流程如下图4所示。

由图4可以看出，煤矸石经800℃循环流化床锅炉燃烧后得到粉煤灰，粉煤灰与盐酸反应生成氯化铝溶液，粉煤灰中二氧化硅与盐酸不反应，经分离洗涤得到白泥与氯化铝溶液。白泥在氧化铝溶出过程中表面得到活化，因此活性良好，是生产白炭黑、橡塑填料的优质原料。氯化铝溶液经除杂净化提纯后通过蒸发结晶得到AlCl3·6H2O晶体，煅烧即得到氧化铝，煅烧过程中AlCl3·6H2O晶体释放HCl经酸气吸收装置回收重新参与溶出反应。在氯化铝溶液除杂净化提纯过程中，有价金属离子得到富集，可以生产高附加值产品，该工艺技术路线具有工艺流程短、减量化生产的特点，对煤矸石原料做到了吃干榨净。

图4 “一步酸溶法”提取氧化铝工艺流程图

3.2 煤矸石综合利用循环经济产业项目

准格尔煤田煤炭具有高铝、高硅和富镓的天然禀赋，且铝主要以偏高岭石的形式存在，根据准格尔矿区煤矸石有价元素协同提取的研究成果，神华集团选定“一步酸溶法”生产氧化铝工艺，充分利用地区资源优势，使煤炭资源特别是丰富高铝煤矸石的优势就地转化成商品优势，中国神华计划在准格尔矿区建设循环经济产业示范项目，充分利用当地煤矿开采及洗选废料煤矸石资源，计划建设煤矸石发电厂，将煤矸石等废弃物进行资源化利用；发电后的粉煤灰用于提取氧化铝、镓等有价元素，矸石发电厂生产的电力可用于氧化铝的电解。根据国家明确支持“铝电一体化”政策向下游产业链进行延伸，形成系统的、合理的循环经济产业链。该循环经济产业项目包括总装机容量6600 MW循环硫化床锅炉矸石发电厂、年产600万t的氧化铝厂、年产990 t的镓及镓系列产品厂、年产480万t硅及硅系列产品厂、年产300万t原铝厂及配套碳素厂和煤气厂等。

3.3 高附加值产品开发

神华集团根据“一步酸溶法”生产氧化铝工艺技术为基础，利用提取氧化铝剩余白泥制取了白炭黑、无机硅胶、碳化硅、聚合氯化铝、分子筛等高附加值产品。

3.3.1 煤矸石制取白炭黑

白炭黑是一种很有发展前途的精细化工产品。目前，全球白炭黑市场需求量将以每年3%的速度递增，2015年增至210万t左右。其中，2015年中国白炭黑产量达120万t左右，其中轮胎领域白炭黑市场消费量达30万t左右。“一步酸溶法”生产氧化铝剩余白泥经除碳活化等工序，可以制备高附加值的白炭黑产品。

3.3.2 煤矸石制取无机硅胶

以“一步酸溶法”生产氧化铝剩余白泥为原料，通过添加助剂活化可以制备硅胶，代替水酸联合分步法制备硅胶。此工艺流过程简单，活化温度低，能耗小，可以提取煤矸石中90%以上的二氧化硅。

3.3.3 煤矸石合成碳化硅

有专家利用煤矸石部分或全部替代石英砂合成碳化硅，采用碳热还原法，利用煤矸石中自然均匀分布的碳、硅成分合成高性能碳化硅材料。“一步酸溶法”生产氧化铝剩余白泥1300℃高温反应，降温通入O2除去多余碳，用氢氟酸除掉多余SiO2得到碳化硅。

3.3.4 煤矸石合成聚合氯化铝

煤矸石合成聚合氯化铝工艺较提取氧化铝工艺简单，“一步酸溶法”生产氧化铝生产过程中得到的AlCl3·6H2O晶体，将AlCl3·6H2O晶体放入回转管式加热炉中加热20 min得到氯化铝单体，按一定比例与水混合搅拌，即可得到聚合氯化铝。

3.3.5 煤矸石合成分子筛

准格尔矿区煤矸石氧化铝含量高，且氧化铝物相组成以偏高岭石为主，是制备分子筛的理想原料。“一步酸溶法”生产氧化铝剩余白泥通过水热反应可以获得A型分子筛。

4 结语

纵观煤矸石的利用历史，从煤矸石生产水泥、铺路、采空区回填的直接利用，到煤矸石建筑材料的初级加工，再到发电的资源化利用，如今工艺技术、材料及装备的快速发展给煤矸石的综合利用带来了生机。根据准格尔矿区煤矸石铝硅含量高、偏高岭石含量较高的特点，采用煤矸石发电，获得电力与粉煤灰，以“一步酸溶法”提取氧化铝为基础，协同提取镓等有价金属，开发高附加值产品，发展循环产业经济，可以对煤矸石吃干榨净，消除煤矸石存储、排放对环境的影响，同时创造经济价值。

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NewmethodforcoalganguecomprehensiveutilizationinJungarminingarea

Chen Dong, Cao Kun

(Shenhua Jungar Energy Resources Comprehensive Development Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 010300, China)

Coal gangue, a kind of solid waste generated in the process of coal mining and washing, not only wasted land resource, but also had spontaneous combustion risk and badly threatened to the ecological environment. After summarizing existed utilization ways such as cement production, paving and gob backfill, chemical component and mineral composition of coal gangue of Jungar mining area were analyzed. Aiming at the characteristics of these parameters, high-tech coal gangue comprehensive utilization technology research and its high-value-added products development achievement in recent years were summarized, and finally it showed that a circular economy industrial project of the coal gangue comprehensive utilization in Jungar mining area was the best solution way for coal gangue processing and utilization, turning waste into wealth.

Jungar mining area, coal gangue, comprehensive utilization, new method

陈东，曹坤. 准格尔矿区煤矸石综合利用新途径[J].中国煤炭，2017，43(10)：132-136.

Chen Dong, Cao Kun. New method for coal gangue comprehensive utilization in Jungar mining area [J].China Coal，2017，43(10)：132-136.

TD849

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陈东(1970-)，男，陕西西安人，高级工程师，现任职于神华准能资源综合开发有限公司，主要从事粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝工艺技术的研究。

(责任编辑 王雅琴)