高灰煤泥资源化利用途径及研究现状

闵凡飞，陈 军，沈 亮，刘春福

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

煤泥水是煤炭湿法分选过程中由于煤及矸石泥化而产生的含有大量微细粒煤和各种矿物颗粒(主要为煤系黏土矿物)的工业废水[1]。煤泥水沉降脱水后形成选煤厂副产品——煤泥，煤泥的销售和利用面临诸多困难：①由于煤泥具有高灰分、高黏性、高持水性和低热值等诸多不利条件，很难实现工业应用，长期被电力用户拒之门外；②煤泥以民用地销为主，由于民用能源结构的变化，煤泥民用消费量大大下降，而随着我国原煤入选比例的逐年增加，煤泥产量明显上升，造成煤泥在选煤厂积压；③煤泥沉降脱水处理成本高，而煤泥销售价格低，给选煤厂经济效益带来不利影响。此外，煤泥的堆放还会产生粉尘污染等环境污染问题。而煤泥的传统利用主要以低值燃料利用为主，造成环境污染，销路有限，价值低，没有充分利用煤泥组成特点进行高效资源化利用。随着国家环境保护要求越来越高，高灰煤泥的资源化利用已成为迫切需要解决的问题。

1 高灰煤泥难以资源化利用的主要原因

1.1 多组分高灰分

煤泥中矿物组成非常复杂，不同矿区会存在差异性，其中高岭石、蒙脱石、伊利石、石英等是其主要矿物组成。近年来，由于采煤机械化比例增加导致原煤中矸石含量增加、浮选尾矿的灰分增大(部分选煤厂浮选尾矿灰分超过75%)、动力煤选煤厂截粗工艺的应用等原因，煤泥灰分呈现逐步增大的趋势，大部分选煤厂煤泥灰分已超过60%，煤泥的高灰特性使煤泥变为“鸡肋”副产品。

1.2 微细粒含量高

由于高灰煤泥中高岭石、蒙脱石等黏土矿物含量高、泥化严重，导致煤泥中微细粒含量特别高，<0.045 mm粒级颗粒含量通常占60%以上。以淮南矿区为例，部分选煤厂煤泥中<0.03 mm粒级含量甚至达到90%以上。

1.3 滤饼水分高、黏度大

由于高灰煤泥中微细粒的高岭石等黏土矿物含量大，其压滤脱水非常困难，黏土类矿物颗粒表面的强亲水性又进一步增加了高灰煤泥的脱水难度，导致高灰煤泥的滤饼水分一般都>20%[2]，而且滤饼黏度大，为其利用、特别是配掺利用带来很大的困难。

1.4 复杂多变的表/界面性质

高灰微细煤泥中高岭石、蒙脱石和石英等颗粒在溶液中因类质同象、优先解离等原因，导致煤泥颗粒表面荷较强负电荷，研究表明高岭石、蒙脱石、伊利石和石英表面荷负电可达到-60、-65、-57、-67 mV[3-6]。煤泥颗粒的水化特性是影响煤泥特性的关键因素之一。水分子和煤泥颗粒表面间强烈的吸引作用，致使水分子在煤泥颗粒表面呈定向排列，在矿粒表面形成致密有序的边界层，该边界层称作水化膜[7]。高灰煤泥中的矿物界面具有不同暴露面，而不同的暴露面又具有不同性质，在不同溶液环境中会发生变化，导致煤泥颗粒表/界面性质复杂多变，难以调控。由于高灰煤泥粒度细，比表面积大，表面具有较强的自由能。

2 高灰煤泥的资源化特性

煤泥中含有高岭石、蒙脱石、伊利石、石英等具有高利用价值的战略非金属矿物[8]。黏土类矿物大多为层状硅酸盐结构，粒度细，比表面积大，具有优良的吸附性能，常被用作吸附材料。如黏土矿物对放射性元素的吸附，可阻滞地下水中铀溶液在土壤介质中的迁移[9]。高岭石具有优良的可塑性、黏结性、耐火性和化学稳定性，在塑料、橡胶、耐火材料、造纸、涂料、陶瓷等行业被广泛应用[10-11]。此外，通过水热晶化法工艺合成，高岭石还可制成具有良好骨架和热稳定的分子筛，也可作为离子交换剂，用在吸附净化废水等工业领域[12]。蒙脱石具有良好的离子交换性能和水化膨胀特性，广泛应用在生物医药领域[13]，改性蒙脱石则可制作多孔材料等应用在水处理领域[14-15]。宋少先教授研究团队在蒙脱石剥离制备二维纳米片及其特性研究的基础上，构建了蒙脱石纳米片功能化设计及组装调控体系，成功开发了基于蒙脱石二维纳米片的凝胶吸附剂、储能材料、阻燃系列材料，抑菌材料等[16]。此外，石英砂主要的应用领域有玻璃、陶瓷、水泥、板材和耐火材料等。高纯石英砂是我国战略性新兴产业(芯片产业、光伏产业和硅产业等功能材料)的基础原材料[17]。煤泥中富含这些高附加值的矿物，但目前综合利用现状并不理想，基于国家构建环境友好型社会政策的落实及新型环保、功能材料产业的发展，煤泥的高值化利用具有广阔的前景。

3 煤泥资源化利用途径及其研究现状

我国2019年原煤产量约为37.5亿t，其中煤泥量约为15%～20%，按照80%的入选比例，则煤泥年产量将近6亿t。这部分物料的露天堆放会造成严重的环境污染问题，如何高效地利用煤泥成为亟待解决的问题。近年来，国内外的专家学者就煤泥的资源化利用问题进行了大量的研究。煤泥一般泛指粒度<0.5 mm的颗粒与水形成的半固体物，由于产生煤泥的原煤性质不同，产生煤泥的途径不同，煤泥的物性差异较大，利用途径也相差较大。现有煤泥资源化利用途径主要包括作为燃料利用，制作型煤以及建筑掺合料，改性后可作为化工材料、废水处理吸附剂及其他化工过程的辅助原料等。

3.1 燃料资源

尽管目前关于煤泥资源化利用途径的研究较多，但煤泥作为燃料直接燃烧，仍然是目前煤泥利用的最主要途径。流化床锅炉燃烧技术是近年来业内采用最多的煤泥处理的技术。具有代表性的YG-90/5.29-M12型煤泥燃烧循环流化床锅炉结构示意图如图1所示。前期国外学者就煤泥的流化床燃烧技术进行了初步的研究，国外一些机构的研究情况见表1。

表1 国外煤泥燃烧研究情况[19]

图1 YG-90/5.29-M12型循环流化床锅炉结构示意图[18]

国内学者自20世纪80年代开始就逐步开展了煤泥流化床燃烧技术的研究工作，国内煤泥流化床燃烧技术研究情况见表2。

表2 国内煤泥流化床燃烧研究情况[20]

褐煤煤泥水分较高，我国已探明褐煤储量巨大，近年来浙江大学针对褐煤煤泥的流态化燃烧进行了大量研究[30-34]。陈丹丹等[20]进行了印尼褐煤煤泥流变特性及其流化床燃烧技术基础研究，提出了印尼褐煤煤泥流化床燃烧过程中水分蒸发和挥发分析出机理模型。吕帅等[32]进行了印尼褐煤湿煤(煤泥)流变特性和燃烧特性研究，试验结果表明，升温速率对褐煤热解和燃烧反应特征温度及其他特征参数基本都有正相关的影响，并设计了褐煤煤泥循环回收工艺的原则流程图，为褐煤煤泥的能源化回收利用提供了科学依据。

为了改善煤泥直接燃烧带来的环境污染和效率较低的问题，国内外学者探索了煤泥在水煤浆加工方面的应用。水煤浆一般由60%～70%煤、30%～40%的水和少量的添加剂通过物理加工的方法制得。水煤浆具有污染低、燃烧效率高、可管道输送等优点。我国的水煤浆产量和消耗量居世界首位。王柱勇等[35]详细分析了煤泥直接制浆洁净燃烧产业化前期的关键技术。邢台矿务局东庞矿利用煤泥二段浓缩机底流，经除杂后直接搅拌制得煤泥水煤浆并用于锅炉的燃烧[36]。吴小军等[37]研究了常村矿煤泥水煤浆的燃烧特点，试验结果表明，该煤泥水煤浆能够在锅炉内正常燃烧，燃烧效率达到97.22%。曹晓哲等[38]采用热重分析法研究了潞安煤泥水煤浆的燃烧特性，分析了其燃烧动力学性质。此外，煤泥制作型煤技术也得到了广泛的关注[39-44]。

3.2 制备化工材料

煤泥中的主要伴生矿物为高岭石、石英等矿物质，其中含有丰富的SiO2、Al2O3等资源，经过提纯和加工可以制成多种工业材料。杨稔等[45-46]研究了煤泥直接烧制陶粒的可行性，确定了煤泥制备陶粒的最佳干燥条件、预热条件和焙烧条件，最终制得吸水率为48.9%，比表面积为17.1 m2/g的陶粒。徐晓虹等[47]研究了利用煤泥制备蓄热陶瓷的可行性，试验结果表明，在燃烧温度为1 260 ℃时可以获得吸水率为0.22%、体积密度为2.316 g/cm3的活性炭。李国斌等[48]以煤泥为基础原料，研究了炭化控温条件和活化工艺等对制备活性炭性能的影响规律，确定了最佳的煤泥制备活性炭工艺参数，但该工艺要求煤泥的灰分低于25%。吴涛等[49]通过煅烧活化、酸浸除铁等预处理，采用水热合成法成功制得了高纯度、晶型完整、轮廓清晰的13X型分子筛，并确定了最佳制备工艺条件。

3.3 农业肥料、土壤改良剂

煤泥中含有丰富的有机质资源，以及农作物生长必须的B、Cu、Mn等微量元素，因此，可以被用来作为农业肥料和土壤改良剂[51-51]。郭继光等[52]研究了用煤泥作为覆盖土改良土壤的可行性，试验结果表明，使用煤泥作为覆盖土可以有效增加土壤的持水量。武俊英等[53]通过研究发现将煤泥掺入对沙壤土有一定的改良作用。李正秋等[54]研究了煤泥在复合肥缓释方面的应用，研究结果表明，将煤泥和复合肥按照一定的比例搅拌加热后，可以实现复合肥的缓释功能。

3.4 其他利用途径

陈友良等[55]利用空气热氧化法将长焰不黏煤煤泥转化为了腐植酸并进行了抽提，试验研究了固液比、抽提条件等对抽提率的影响规律。郝志刚等[56]利用煤泥制备出了聚硅酸铝铁絮凝剂，并成功应用于马兰选煤厂的煤泥水处理系统。司玉成等[57]也通过煅烧活化、聚合等化学方法成功制备出无机高分子絮凝剂，且絮凝效果良好。杨慧芬等[58]以煤泥为新型还原剂，研究了煤泥对浸锌渣的直接还原作用，试验结果表明，煤泥是一种优良的浸锌渣还原剂。曹允业[59]研究了煤泥在高磷鲕状赤铁矿直接还原中的应用，研究结果表明，在煤泥用量为20%时可获得铁品位为91.3%、铁回收率为81.13%的还原铁产品。

4 结论与展望

高灰煤泥的复杂特性为其资源化利用带来诸多困难，现阶段煤泥资源化利用并未完全实现煤泥资源利用的最大化，在看到潜在高附加值特性的同时，结合高灰煤泥的特性，开展以下几个方面相关基础及技术开发研究，有望实现高灰煤泥的高值化利用。

(1)开展高灰煤泥表/界面精准调控研究，在对煤泥界面准确认知的基础上，可对煤泥界面进行精准调控，为煤泥资源化利用提供理论和技术支持。

(2)采用重选、浮选、选择性絮凝等多种工艺方法从高灰煤泥中富集黏土矿物、石英等战略性非金属矿物，进一步提高煤泥产品的高附加值。

(3)微细煤泥制备复合相变材料是煤泥高值化利用的潜在方向。煤泥水中存在大量微细粒片状黏土矿物，利用这部分具有优良性能的黏土矿物颗粒制备高性能材料，可实现煤泥的高值化利用，在太阳能储存、工业废热回收利用、绿色建筑、电力通讯、蓄热制冷等领域具有广阔的应用前景，对解决日益严峻的能源短缺与环境污染问题有着重大的意义。