CN102719294A - 一种煤矸石综合利用方法 - Google Patents

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赵大伟
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Abstract

本发明提供一种煤矸石综合利用方法，包括：将煤矸石粉碎至粒度小于或等于10mm，在沸腾炉中进行燃烧，燃烧产生的热量用于生活或工业供热；燃烧后的白色无机灰渣加入添加剂，在1500～2100℃下熔化，熔化后的熔融混合物经喷吹或甩丝制得无机纤维。本发明的方法提供了全成分利用煤矸石的技术路线，对于开拓废弃物利用的方式方法、增加煤矸石的附加值具有重要意义。本发明是资源、能源循环与再生利用领域的新技术，能够有效提高废弃物利用效率、充分利用废弃资源。

Description

一种煤矸石综合利用方法
技术领域
本发明涉及固态含碳物料的综合利用领域，具体为一种综合利用煤矸石燃烧供热和制备无机纤维的方法。
背景技术
煤炭是十八世纪工业革命以来人类世界使用的主要能源之一，在我国一次能源生产和消费结构中，煤炭比重更是多达70％左右。在未来相当长的时间内，以煤炭作为主要能源的战略地位不会改变。在煤炭的开采和利用过程中，产生废物是不可避免的。
煤矸石是煤炭伴生的废石，是矿业固体废弃物的一种。目前煤矸石的排矸量约占煤炭开采量的10％～25％，已成为我国累计堆存量和占用场地最多的废弃物。据统计，截至2009年，全国已有矸石山1500座，占地22万公顷。煤矸石的综合利用成为一个重要的课题。
煤矸石是采煤过程中和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤时与煤层伴生含碳量低，比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板以及夹层里采出来的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤矸石发热量低(4.2～12.6MJ/kg)，含碳量低(20～30％)，硬度大，矿物含量高，有机质含量低。
煤矸石除了含碳外，其主要无机化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等。煤矸石含碳量低，热能不易利用。但近年来利用沸腾炉，可以对相对低热值的煤矸石进行燃烧。实践中，利用含灰分高达75％，发热量仅7.50MJ/kg的煤矸石，锅炉运行正常。40％～50％的热可直接从床层接收。
煤矸石作为废弃物，还会对环境造成不良影响。具体有：一、影响土地资源的利用，煤矸石的大量堆放一方面占用大量土地资源，另一方面还使得周围土地贫瘠而难以利用，从而影响比堆放面积更大的土地资源。二、空气污染。长期堆放的煤矸石由于空气氧化，会释放出SO2、H2S等气体，对空气造成污染。三、水和土壤污染。煤矸石受到降雨的影响或长期处于浸渍状态，会使其中的有害成分进入周围水体或土壤中。最终通过食物链危害人类健康。四、滑坡和泥石流。煤矸石山如果堆积过高，坡度过大，很容易行程滑坡。当降雨等作用使煤矸石山的含水量达到饱和状态时，就可能发生泥石流。
目前国内对煤矸石的利用，多集中在建材、砖石等传统领域，产品附加值不高，且受到运输半径的影响颇大。煤矸石发电在山西等煤矸石资源丰富的省份，已经进行了实践探索，并取得了不错的效果。煤矸石燃烧之后产生白色的无机灰渣，这些灰渣也是工业废物，但尚未被有效利用。
发明内容
要解决的技术问题：
本发明目的是针对现有的煤矸石利用不充分、污染环境等问题，提出综合利用煤矸石的方法，对煤矸石高效全成分地利用。
为实现本发明目的的技术方案为：
一种煤矸石综合利用方法，是将煤矸石粉碎至粒度小于或等于10mm，在沸腾炉中进行燃烧，燃烧产生的热量用于生活或工业供热；燃烧后的白色无机灰渣加入添加剂，在1500～2100℃下熔化，熔化后的熔融混合物经喷吹或甩丝制得无机纤维。
其中，所述煤矸石热值为6270kJ/kg～1260kJ/kg。
其中，所述燃烧产生的热量是通过与沸腾炉连接的锅炉产生蒸汽，用于生活或工业。
其中，所述煤矸石燃烧产生的热量通过与沸腾炉连接的锅炉产生蒸汽，用于发电。
其中，所述的沸腾炉中，煤矸石颗粒在气流的作用下呈沸腾状态(流态化)燃烧，沸腾料层(流态化床层)的温度为800～1100℃。
其中，燃烧后的白色无机灰渣是在感应炉或电阻炉中熔化。
其中，熔化过程中加入的添加剂是铝矾土或高岭石，添加剂占煤矸石灰渣的重量百分比为铝矾土2～30％，高岭石2～35％。
其中，所述的铝矾土成分中Al2O3重量百分比大于40％，所述的高岭石中SiO2重量百分比为20～60％，Al2O3重量百分比为30～50％。
其中，所述的喷吹是在加压下0.75～1.5MPa由多孔喷丝板将熔融液喷出成丝，喷出的丝冷却制得无机纤维；所述的甩丝，是将熔融得到的液体流入辊式或盘式甩丝机制得无机纤维，所述盘式甩丝机中离心盘的转速为2000r/min～10000r/min。
其中，所述无机纤维的直径为0.001mm～10mm，长径比为4～2000。
本发明的有益效果：
本发明提出了煤矸石无废纤维化利用技术，在利用煤矸石中热能的同时，又利用其灰渣制备出无机煤矸石纤维，从而变废为宝，对煤矸石进行全成分的综合利用。用煤矸石制得的纤维主要成份为SiO2、Al2O3等，属于耐高温无机纤维，该纤维可广泛应用于建筑外墙保温，工业耐火保温等领域。
本发明的方法提供了完整全成分利用煤矸石的技术路线，对于开拓废弃物利用方式方法，增加煤矸石的附加值具有重要意义。是资源、能源循环与再生利用领域的新技术，能够有效提高废弃物利用效率、充分利用废弃资源。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明实施例1制备得到的无机煤矸石纤维的显微镜照片。
图3是本发明实施例1制得的无机煤矸石纤维毯的实物照片。
具体实施方式
本发明实施例的原料取自山西朔州地区和吕梁地区的煤矸石，碳含量为20～30％，除碳以外的成分见表1，其中“其它”包括TiO2、P2O5、K2O、Na2O和V2O5等。热值为7.54～12.6MJ/kg。
表1：煤矸石成分
  无机成分 SiO2   Al2O3   Fe2O3   CaO   MgO   其它
  含量/％ 38～60   16～36   2.28～14.63   0.42～2.32   0.44～2.41   2.36～8.17
实施例1
取自山西朔州地区的煤矸石，热值为6.27～12.6MJ/kg，碳含量为10～20％，除碳以外的成分见表2，其中“其它”包括TiO2、P2O5、K2O、Na2O和V2O5等。测试方法是XRF(X射线荧光光谱分析)
表2：煤矸石成分
  无机成分   SiO2   Al2O3   Fe2O3   CaO   MgO   其它
  含量/％   38-42   35-43   1～2   0.4～1   0.1～0.9   余量
煤矸石通过粉碎机进行粉碎，使其粒度为小于或等于10mm，在沸腾炉膛中进行燃烧，燃烧时沸腾料层(流态化床层)的温度为800～1100℃。沸腾炉连接锅炉，将产生热量进行外供，用于生活或工业用热。燃烧后白色无机灰渣，在感应炉中1600℃进行熔化，在煤矸石灰渣中，加入质量百分比为8％的铝矾土(含Al3O2重量比55％)，熔融混合物经喷吹制丝机制得无机煤矸石纤维。该纤维的直径为5～10微米，长径比4～1000，主要成分为Al3O2和SiO2。其显微镜照片见图1。利用无纺方法把该纤维制成纤维毯，见图2。该纤维毯可用于建筑外墙保温、工业耐火保温等领域。
实施例2
取自山西吕梁地区的煤矸石，热值为7.54～12.6MJ/kg。碳含量为20～30％，除碳以外的成分见表3，其中“其它”包括TiO2、P2O5、K2O、Na2O和V2O5等。
表3：煤矸石成分
  无机成分 SiO2   Al2O3   Fe2O3   CaO   MgO   其它
  含量/％ 43～55   22～34   2～7   0.2～1   0.1～0.5   余量
煤矸石通过粉碎机进行粉碎，使其粒度为小于或等于10mm，在沸腾炉膛中进行燃烧，燃烧时沸腾料层(流态化床层)的温度为950～1100℃。沸腾炉连接锅炉，产生的蒸汽推动汽轮机发电。燃烧后白色无机灰渣，在感应炉中1700℃进行熔化，在煤矸石灰渣中，加入质量百分比为30％的铝矾土(含Al3O2重量比45％)，熔融混合物经喷吹制丝机制得无机煤矸石纤维。该纤维的直径为2～8μm，长径比4～2000。主要成分为Al3O2和SiO2。该纤维属于耐高温无机纤维，可用于建筑外墙保温、工业耐火保温等领域。
实施例3
取自山西吕梁地区的煤矸石，热值为6.27～12.6MJ/kg，通过粉碎机进行粉碎，使其粒度小于或等于10mm，在沸腾炉膛中进行燃烧，燃烧时沸腾料层(流态化床层)的温度为800～1100℃。沸腾炉连接锅炉，将产生热量进行外供。燃烧后白色无机灰渣，在感应炉中2000℃进行熔化，在煤矸石灰渣中，加入质量百分比为15％的铝矾土(含Al3O2重量比42％)，熔融混合物使用离心甩丝法，将熔融得到的液体流入盘式甩丝机，盘式甩丝机中离心盘的转速为2000r/min～10000r/min，甩出的丝冷却后获得无机纤维。该纤维的直径为2～10μm，长径比1000～2000。
实施例4
取自山西吕梁地区的煤矸石，通过粉碎机进行粉碎，使其粒度为小于或等于10mm，在沸腾炉膛中进行燃烧，燃烧时沸腾料层(流态化床层)的平均温度为1000～1100℃。沸腾炉连接锅炉，将产生热量进行外供。燃烧后白色无机灰渣，在电阻炉中2000℃进行熔化，在煤矸石灰渣中，加入质量百分比为30％的高岭石(含Al3O2重量比45％，SiO2重量比23％)，熔融混合物经喷吹制丝机制得无机煤矸石纤维。该纤维的直径为1～10μm，长径比4～2000。
实施例5
取自山西吕梁地区的煤矸石，通过粉碎机进行粉碎，使其粒度为小于或等于10mm，在沸腾炉膛中进行燃烧，燃烧时沸腾料层(流态化床层)的平均温度为900～1000℃。沸腾炉连接锅炉，将热量转化为高温高压蒸汽。燃烧后白色无机灰渣，在感应炉中2100℃进行熔化，在煤矸石灰渣中，加入质量百分比为2％的高岭石(含Al3O2重量比30％，SiO2重量比42％)，熔融混合物经喷吹制丝机制得无机煤矸石纤维，刚喷出的纤维很硬，需要热处理使之变软，纤维软化的热量来自沸腾炉热量转化得到的蒸汽。该纤维的直径为2～6μm，长径比4～2000。

Claims (10)

1.一种煤矸石综合利用方法，其特征在于，将煤矸石粉碎至粒度小于或等于10mm，在沸腾炉中进行燃烧，燃烧产生的热量用于生活或工业供热；燃烧后的白色无机灰渣加入添加剂，在1500～2100℃下熔化，熔化后的熔融混合物经喷吹或甩丝制得无机纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤矸石热值为6270kJ/kg～1260kJ/kg。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧产生的热量是通过与沸腾炉连接的锅炉产生蒸汽，用于生活或工业。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述燃烧产生的热量是通过与沸腾炉连接的锅炉产生蒸汽，用于发电。
5.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述的沸腾炉中，煤矸石颗粒在气流的作用下呈沸腾状态燃烧，沸腾料层的温度为800～1100℃。
6.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，燃烧后的白色无机灰渣是在感应炉或电阻炉中熔化。
7.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，熔化过程中加入的添加剂是铝矾土或高岭石，添加剂占煤矸石灰渣的重量百分比为铝矾土2～30％，高岭石2～35％。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的铝矾土成分中Al2O3重量百分比大于40％，所述的高岭石中SiO2重量百分比为20～60％，Al2O3重量百分比为30～50％。
9.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述的喷吹是在加压下0.75～1.5MPa由多孔喷丝板将熔融液喷出成丝，喷出的丝冷却制得无机纤维；所述的甩丝，是将熔融得到的液体流入辊式或盘式甩丝机制得无机纤维，所述盘式甩丝机中离心盘的转速为2000r/min～10000r/min。
10.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述无机纤维的直径为0.001mm～10mm，长径比为4～2000。
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