通过分级预处理降低煤矸石山自燃的技术研究

赵宝龙

(山西沁新能源集团股份有限公司煤转化技术研发中心，长治 046500)

0 引 言

煤矸石是煤在形成过程中与煤共同沉积的以无机化合物为主的混合体，主要成分为硅、铝、钙、镁、铁的复杂氧化物，从矿井中采掘出的原煤经过洗选加工后将煤矸石分离，分离后的煤矸石作为固体废弃物进行露天堆积处理，对环境造成了较大的污染，特别是近年来开采的优质煤种的原煤含矸量增加，部分洗选产生的煤矸石量占到原煤的30%～40%，甚至更高，导致选煤排矸量巨大，特别是当煤煤矸石的硫分过高时，矸石中所含的硫化铁等成分与空气中的氧气发生化学反应不断散发热量，聚集的热量将洗选过程中残留在煤矸石残留的有机碳质可燃物引燃，最终造矸石山的自燃，释放出大量SO2、CO、H2S等有害气体，对周边的大气环境造成污染，同时有发生火灾的危险[1]。

对于矸石山自燃后除灭火方法，常用的有喷浆灌注、深部注浆和推平压实等方法，但由于自燃矸石山的高温区位于内部，造成灭火困难。为了提高治理矸石山自燃的主动性，从煤矸石的源头进行治理，按照“以防为主，防治结合”的原则，对排入矸石山的煤矸石进行预处理，通过降低煤矸石中的硫铁矿含量防止煤矸石自燃[2]。

1 煤矸石山自燃原因分析

造成煤矸石山自燃的原因有很多，其中有黄铁矿氧化学说、煤-氧复合物导因学说、细菌作用学说、晶核理论与自由基作用学说和挥发分学说等，下面为黄铁矿氧化学说和煤-氧复合物导因学说的主要观点为研究内容[3]。

(1)煤-氧复合物导因学说：由于煤矸石是煤炭在洗选过程中分离出的产物，受洗选效率和洗选精度的限制，洗选后产生的煤矸石会夹带部分灰分较高的煤(精煤和中煤)，并且煤矸石在与煤共同沉积过程中本身也含有部分可燃有机碳，测定灰分80%以上的煤矸石发热量在800大卡左右，说明煤矸石可与氧气在一定条件下反应会释放出热量，当外界条件适宜时，由于煤吸附空气中的氧气后发生氧化放热，热量不能及时释放，达到自燃着火点后导致矸石山发生自燃。

(2)黄铁矿氧化学说：对于高硫原煤洗选后产生的煤矸石，当高硫煤中的硫是以有无机硫(硫铁矿)为主时，洗选后大量的硫会进入煤矸石，在一定条件下，煤矸石中的硫化铁会与空气中的氧气发生氧化反应而释放出大量热，在矸石山内部热量不能及时有效的释放，当热量聚集到一定程度后达到煤的着火点后点燃了矸石中的残留有机可燃物造成矸石山的自燃。

2 不同硫分矸石的筛分试验分析

依据黄铁矿氧化学说和煤-氧复合物导因学说的观点进行分析后认为导致煤矸石自燃的主要原因为黄铁矿氧化和煤-氧复合物导因的双重作用产生的，特别是对于高硫煤洗选产生的高硫矸石，氧化自燃更容易发生，为分析高硫矸石和低硫矸石中的硫铁矿含量，对其进行筛分分析和矸石形态硫及自燃倾向性的分析研究。

2.1 高硫煤矸石筛分试验

对高硫煤洗选产生的煤矸石进行自然级筛分试验，分析汇总各粒级产物的产率、硫分和灰分的分布情况，具体的分析指标数据汇总见表1。

表1 高硫矸石自然级筛分试验数据汇总表

根据试验汇总的数据分析：

(1)高硫煤矸石各粒级硫分分布极不均匀，特别是矸石的粒度组成中>50 mm的矸石占比为33.35%，但这部分矸石的硫分只有0.20%，是可以考虑作为低硫矸石处理的。

(2)高硫煤矸石粒度组成中13～25 mm粒级的矸石硫分最高，全硫含量达到7.26%，灰分也相对较高，达到83%以上，产率占比为17.13%，可见矸石中硫分的分布情况为中等粒级的颗粒硫分较高，灰分较高，矸石较纯。

(3)高硫矸石中硫分超过4.0%的产率占比达到46.49%，粒度集中在13～50 mm，分析矸石中与其他矿物结合的含硫矿物主要集中在该粒级范围，可通过对矸石的粒度分级预处理将高硫分的矸石提前分离，从而降低矸石山自燃的风险。

2.2 低硫煤矸石筛分试验

对低硫煤洗选产生的煤矸石进行自然级筛分试验，分析汇总各粒级产物的产率、硫分和灰分的分布情况，具体的分析指标数据汇总见表2。

表2 低硫矸石自然级筛分试验数据汇总表

根据上表2数据分析可以知，低硫煤洗选后产生的矸石各粒级硫分分布相对均匀，与高硫煤矸石规律有所不同的是矸石中硫分最低的粒度组成分布在13～25 mm，硫分含量为0.05%，产率为26.28%，其他粒级的硫分相对较高，-0.5 mm的硫分最高，总体来看，低硫煤矸石随着粒度的降低，硫分呈现增加的趋势。

3 不同硫分矸石的形态硫和自燃倾向性分析

根据对各类矸石的筛分试验数据选取部分粒级的煤矸石检测矸石的形态硫和矸石的自燃倾向性，需要说明的是由于矸石没有专门的自燃倾向性化验的国家标准和行业标准，本次对煤矸石自燃倾向性的检测化验方法按照煤的标准进行，检测汇总情况见表3。

表3 高、低硫矸石的形态硫和自燃倾向性检测汇总表

根据上表4数据分析可以得出：

(1)高硫矸石中的硫以硫铁矿硫为主，有机硫占比较低，只有1.72%，粒度分级后50 mm以上的矸石中有机硫的含量增加，说明高硫矸石中有机硫主要富集在粒度较大的矸石中。低硫矸石中以有机硫为主，有机硫占比达到了75%以上。从理论来说，有机硫主要是以噻吩、硫醇/硫醚、亚砜形式存在，且噻吩及硫醇/醚含量较高，这些形式只有在可燃体中才存在，可见煤矸石中有机硫分主要集中在可燃体组分，有机硫分的存在也证明煤矸石中是有一定量的碳类有机质的。

(2)高硫矸石在粒级为13～25 mm中，硫化铁硫占比达到98.74%，说明煤矸石中的硫分主要集中在矸石的不可燃组分中，并且以硫铁矿的形式存在。通过对比各粒级矸石的吸氧量数值，13～25 mm粒级矸石的吸氧量最大，达到了0.41 cm3/g，自燃倾向性等级为II级，与空气接触有发生自燃的倾向。对于低硫矸石来说，吸氧量都在0.3 cm3/g以下，均为不易自燃。通过对比高、低硫矸石各粒级的吸氧量数值，可知高硫矸石中硫铁矿硫的占比量对矸石的吸氧量影响较大，规律为矸石中随着硫铁矿的增加，矸石的吸氧量呈现增加的趋势，并且高硫矸石的吸氧量明显高于低硫矸石。

4 结束语

(1)高硫煤矸石中的含硫矿物主要以硫铁矿的形式存在，低硫煤矸石中硫主要以有机硫为主。对于高硫矸石来说，由于硫铁矿与空气接触后发生氧化反应过程中会释放出热量，当热量不能及时释放时，随着温度的升高会加剧硫铁矿的氧化速率，释放出更多的热量，当热量达到煤矸石中可燃有机物的着火点后即发生自燃现象，对于低硫矸石自燃倾向性为不易自燃，对于矸石山处理硫分不同的矸石可以采用分级治理的方法，重点治理高硫煤矸石的自燃。

(2)高硫矸石与低硫矸石由于硫铁矿含量的显著差异是造成矸石的吸氧量不同的一个重要因素。高硫矸石中硫铁矿的含量与矸石的吸氧量呈正向关系，随着矸石硫铁矿含量的增加，吸氧量呈现增加的趋势。本次试验的高硫煤矸石中，当矸石中的硫铁矿含量达到5%以上时，自燃倾向性等级为II级，属于易自燃煤矸石，虽然本次测煤矸石的自燃倾向性采用煤的标准，但也可以区分煤矸石的自燃倾向，有一定的参考价值。在矸石上自燃的学说方面，黄铁矿氧化学说和煤-氧复合物导因学说是相辅相成的，如果矸石中没有可燃有机质，即使黄铁矿氧化释放出的热量足够多也不可能引起矸石的自燃，如果煤矸石中没有黄铁矿与空气中的氧气反映释放出热量，单纯依靠矸石中可燃有机质与氧气反应达到其自燃的温度也较为困难。

(3)试验的高硫煤矸石中硫铁矿主要集中在粒度为13～50 mm范围内，可通过对煤矸石进行预筛分处理，将该粒级的矸石进行单独处理，其余的矸石即可按照低硫煤矸石进行处理，起到依据煤矸石的自燃程度实现煤矸石的分级处理，减少了部分煤矸石的自燃倾向，起到了从源头对矸石山的自燃进行治理和预防作用。