CN1044872C - 处理煤矸石的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种处理煤矸石的装置和方法，其装置包括煅烧室1、内环形供气管道7、外环形供气管道13和隔气密封罩16。其方法是在上述装置中同时将制造水泥、煤气及免烧砖、瓦原料的物料分别放入煅烧室内腔和腔外，随着料堆的升高逐渐加高煅烧室的腔壁2，然后罩上隔气密封罩，向上述煅烧室、外环形供气管道和密封罩内分别供气体，使各部分的压力关系为P₁＞P₂＞P₅，P₄等于P₂，P₃视情况可等于P₂，或者小于P₂大于P₄，P₅为负值。

Description

本发明涉及固体度物处理，特别是涉及在处理煤矸石时，充分利用它的有用物质的方法和装置。

我国的煤矸石堆存量已达20亿吨，矸石山多达1200座以上，占地已逾15万亩。煤矸石的堆存量每年递增1亿多吨。它是我国积存量和年产量最大的固体废弃物之一。众多矸石山中，除年久已燃尽有机质的外，大多正在自燃，未自燃的也在缓慢氧化。矸石不仅大量占用土地，它的各种形式氧化过程，还排放大量CO、SO₂、 H₂S、NO₂、苯并芘，是煤矿区大气和地下水的主要污染源；有的矿区矸石山附近的居民饮用当地地下水，致使癌症的发病率增高。

为减少煤矸石对环境的污染，有人采取不出井采煤法及各种绝氧(隔绝空气)阻燃法处理煤矸石。近年来也有不少发明专利申请，如CN1057821A,CN1049148A,CN1055946A等，利用煤矸石分别生产水泥，砖或煤气。这些方法对煤矸石的利用单一，能源浪费严重。

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种利用煤矸石制造煤气、水泥和免烧砖或瓦原料的装置及方法。

本发明处理煤矸石的装置，包括煅烧室、供气管道、排气管道、其中：

1)所述煅烧室位于装置的中心，它由个字形孔耐火砌块砌成的圆环形窑腔壁、具有孔的拱形顶盖和底部的承重气孔板组成，所排气管道安装在所述拱形顶盖上部并与顶盖上的孔相通，

2)位于煅烧室窑壁下部的由环形墙环绕形成的内环形供气管道，

3)由环形墙环绕形成的外环形供气管道，该管道与内环形管道相邻并包围着内环形管道，其上方是多孔承重板，

4)罩住所述煅烧室和环形供气管道的隔气密封罩，所述隔气密封罩与燃烧室和环形供气管道之间为盛装煤矸石和石灰石的空间，

5)窑腔底部、外环形供气管道、内环形供气管道和隔气密封罩均设有供气孔。

本发明处理煤矸石的装置进一步改进之处在于所述的个字形孔耐火砌块为中间有竖孔，由竖孔向砌块壁设有若干倾斜向外的比中间孔小的孔，其上端有两个凸起的定位柱，下端有两个凹形定位槽，两者位置和深浅相互对应。

本发明处理煤矸石的装置另一进一步改进之处在于所述外环形管道上的多孔承重板的上面安装有若干个字形孔耐火砌块柱。

本发明处理煤矸石的装置又一进一步改进之处在于所述的隔气密封罩由玻璃纤维布铺盖后涂抹树脂制成。

本发明处理煤矸石的装置再一进一步改进之处在于所述隔气密封罩的上缘、中部和下缘分别具有起加强定形作用的玻璃钢质圆环，他们之间设有若干T型支撑板。

本发明处理煤矸石的装置更进一步改进之处在于所述玻璃钢质圆环之间设有纵向肋板。

本发明处理煤矸石的装置还一进一步改进之处在于在所述煅烧室和盛装煤矸石和石灰石的空间内设置有热电偶和多孔管安全阀。

一种采用上述处理煤矸石装置的处理煤矸石的方法，包括：

1)根据生产目的，进行配料，煅烧窑内的生料按所需生产的水泥品种配料，煅烧窑外按配比添加制作免烧砖、瓦用的煤矸石和石灰石

2)选择料的粒度和级配，它们为φ10-20mm和20-30mm，

2)将上述配制好的生料球投入窑腔内，生料球在腔内逐步堆高过程中，使个字形孔耐火砌块随之砌高，并将窑腔外的物料逐渐堆高，直至煅烧窑腔达到预定高度，腔内充满生料球为止，

4)将拱形顶盖盖在砌好的窑腔上，在顶盖孔上接装排气管道，

5)当窑腔外的物料达到预定高度后，料堆形成一截锥圆台体，然后铺设隔气密封罩，

6)用鼓风机向密封罩内供CO₂气体，供气压力为P₁，向外环形供气管道供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压为P₂向窑腔供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压力为P₄，并随时注意控制内环形管道的供气成分、压力和温度，该管道内的压力为P₃。

7)排气管道用抽风机抽气，抽出的是经过窑内、外燃烧后形成的以CO为主的气体，其压力为P₅，

所述压力P₁、P₂、P₃、P₄、P₅的关系为P₁＞P₂＞P₅,P₄基本等于P₂,P₃用以调控气体成分和温度，煅烧时P₃等于P₂，用于供冷气降窑腔温度时，P₃小于P₂大于P₄,P₅为负值。

本发明处理煤矸石的方法，其中所述的截锥圆台体的锥面与水平面的夹角最好为煤矸石的自然体止角。

本发明所述的装置和方法的优点是能充分利用煤矸石，可同时得到煤气，水泥和免烧砖或瓦的原料，结构简单，无论大小煤矿均能就地使用，也可建立大型设施集中处理煤矸石，这样煤矸石不再长期堆放，占用大量土地，不再污染大气、土地和水。

下面结合附图对本发明的装置和方法作详细说明。

图1是本发明煤研石处理装置的结构示意图；

图2是沿图1A-A线的剖面图。

参见图1，本发明煤矸石处理装置包括四个部分。位下装置中心的煅烧室1，由个字形耐火砌块2砌成的圆环形窑腔壁3、拱形顶盖4和底部的承重气孔板6组成。排气管道5安装在拱形顶盖4的上部与顶盖上的孔相通，位于煅烧室下部的由环形墙8环绕形成的内环形供气管道7。环形墙8支承着耐火砌块2。由环形墙9环绕形成的外环形供气管道13，该管道13与内环形管道7相邻并包围着内环形管道。在外环形管道13的上面为多孔承重板14，其上可根据圆台体21直径和高度以及煤矸石透气性安装若干个字形孔耐火砌块柱15，以使煤矸石能充分燃烧。隔气密封罩16，由玻璃纤维布铺盖后涂抹树脂等涂料制成。在它的上缘、中部和下缘分别具有起加强定形作用的玻璃钢质圆环17、18、19，它们之间设有若干T型支撑板20。

排气管道5由个字形孔的耐火砌块砌成，其内孔比砌窑腔壁3的个字形孔耐火砌块的孔径大。

整个装置位于经处理的地基22之上。煅烧窑2的外面为制气矸石堆10，它由煤矸石、石灰石11构成。矸石堆呈大致的截顶圆台体21，锥面12与水平面的夹角为煤矸石的自然体止角，台底下面有外环形供气管道13。窑腔内堆放按所需水泥要求的原料配比制成的生料球。

本发明的煤矸石处理装置的承重气孔板6是拼合式的。在窑腔壁3砌到一定高度后，装入生料球和在窑腔壁3外堆放煤矸石，随着生料球的堆高，逐渐砌高窑控壁3。当窑腔内的生料球装到预定高度后，在窑腔顶安装拱形顶盖4，并在顶盖孔处安装排气管道5。如前所述法排气管道5是由孔径加大的个字形耐火砌块砌成。随周围的矸石堆高而接长，直到预定高度。排气管道连接一抽风机。为减小拱形顶盖的载荷，排气管道用的每个砌块上缘加大外径。每隔几个砌块，在其周围的矸石上要铺带许多小孔的高强度陶瓷板，以便将大部分重量转移到窑腔壁。此种板的正中间有一大孔，此大孔的直径与砌块的外圆一致，后者能插入前者的大孔中而被陶瓷板架住其上缘。煅烧结束后，可拆卸部分承重气孔板块，以便卸下熟料。当需要时，密封罩可以用吊车整个吊起、移动，圆台体过大的，可分割后吊移。

为监测煅烧窑和圆台体内的温度，本发明的煤矸石处理装置还设置了若干个热电偶；为安全起见，装有分别连接窑腔和圆台体内的多孔管安全阀；玻璃钢质圆环之间有许多纵向肋板；对透气性极差的矸石堆，可多安装个字形孔耐火砌块，这些在附图中均未示出。

根据煤矸石产量和自然发火期，可以决定圆台体的大小，当圆台体很大，且对水泥的需求量较大时，其中的煅烧窑可以增高。煅烧窑的高度要可参考一般立窑的高度(8m)，它主要决定于生料球的抗压强度。窑内亦可填以矸石，这时它将与窑外一样，制取煤气和供制免烧砖的原料。

本发明的煤矸石的处理方法如下：

根据水泥品种、原料与燃料的品质和生料制备等选择熟料组成。一般说，煅烧窑内生产高标号水泥；煅烧窑外以生产煤气(CO)为主，经煅烧可供制作免烧砖瓦的似水泥原料则为副产品。

根据生产目的，进行配料计算。煅烧窑内的生料要求按一定的原料配合比；煅烧窑外的矸石，主要为添加石灰石，大致符合配合比即可。

选定料球粒度和级配。为增大孔隙率，它们可取φ10-20mm和20-30mm。

生料成球：为提高成球质量可添加添加剂。

把生料球投入窑腔。

在生料球投入窑腔、生料球在腔内逐步堆高过程，腔外的矸石亦逐步堆高，个字形孔耐火砌块和耐火砌块柱亦适当超前砌高，直至煅烧窑腔在达到预定高度、腔内充满生料球为止。

窑腔顶安置拱形顶盖，此盖正中有可加接排气管道的圆孔。

接上排气管道，它亦由个字形孔的耐火砌块砌成，但内径加大，随周围的矸石堆增高而接长，直到预定高度，排气管道连接抽风机。

在窑腔外的物料达到预定高度后，料堆形成一截锥圆台体，然后铺设隔气密封罩。

所述截锥圆台体的锥面12与水平面的夹角为煤矸石的自然体止角。

用鼓风机供气，向密封罩内供CO₂气体，供气压力为P₁；向外环形供气管道供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压力为P₂；向窑腔供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压力为P₄。在煅烧过程中，随时注意控制内环形管道7的供气成分，压力和温度。该管道内的压力为P₃。

排气管道5连接有抽风机(未示出)，抽出经过窑内、外燃烧后形成的以CO为主的气体。这些CO气体是经过渗透进入矸石堆的CO₂气体还原而成，还有由氧使窑腔内、外之下部的生料球和矸石中的还原性物质(煤、沥青质和FeS₂等)氧化后生成的CO₂和SO₂等经上部炽热的还原物质又被还原成CO气体等。抽出压力为P₅。

为保证氧气流入和渗入窑腔内和矸石圆台体内，并使CO₂也渗入矸石圆台体内(因此矸石氧化产生的热量将随CO₂进入圆台体内部而很少向外传导)，并使所有经化学反应形成的新气体由排气管道抽出。整个生产过程要求P₁＞P₂＞P₅,P₅为负压，P₄一般等于P₂,P₃用以调控窑腔气体成分和温度、煅烧时P₃等于P₂，用于供冷气降窑腔温度时,P₃小于P₂，而大于P₄。

根据华蓥山矿务局实测资料，堆存矸石自然的燃烧层厚约7-15m，所以在正压送气，负压排气的情况下，送气管和排气管之间的矸石层间距可大于15m。

在本发明的条件下，水泥生料的煅烧过程直接影响水泥的质量。水泥熟料质量的关键是煅烧过程的温度及变化。岩石为热的不良导体，矸石堆内部能达到1300℃左右是有把握的。温度高低和延续时间，可通过燃料的配比来控制(必要时可加入部分煤泥)，升降温速度则可通过供给的氧、空气和CO₂等的量，速度和温度来控制。当生料球中煤的配比一定时，煅烧过程先从窑腔底部开始，当延续到一定时间后，底部的料球中可燃物质燃尽，这底部的料球层就为送入的空气所降温，燃烧层下界面逐渐上移。整个窑腔各料球层由下而上均经过升温—高温—冷却的过程。为提高熟料冷却速度，改善熟料质量与易磨性，还可以通过圆柱形窑腔壁送入冷空气，并加大排气管道的负压。窑外的矸石办经历上述温度变化。

在窑腔点火煅烧的同时，脏外矸石亦同时点火，故窑腔内外温度基本一致，窑腔内料球层近腔壁部分没有因腔壁散热而降温的问题。但必要时亦可窑内和窑外分别先后点火。

从抽风机送出的高温可燃气(主要为CO)，可直接作能源使用，也可经热交换器供热降温后输送到远处利用，但最好能当地作工业燃料气使用，这时燃烧形成的CO₂和未燃成分，可送到隔气密封罩内，开始新的循环。在CO₂循环利用的情况下，其它有害或有益气体会得到富集，这有利于对它们的清除或回收。

在经过长时间燃烧后，抽出的气体将减少且CO浓度逐渐降低，这时可减少向外环形供气管道13和窑腔1的供气速度，并改为供纯氧，以求整个装置内可燃物质的较完全氧化，当埋设各部位的热电偶指示出内部燃烧基本停止时，这整个矸石堆(包括窑腔内的料球)就处理完毕，经煅烧的固态物质可在隔气密封罩的防护下(这时主要为防雨水)备用。

在利用时，隔气密封罩可局部提高后固定，让它起防雨水作用。水泥熟料及免烧砖原料搬运掉后，设施各部分均可再投入使用。

对矸石日产量大、延续时间长的大矿井，可集中设置2-3个处理装置，矸石堆放和利用在不同装置同时进行，它们的中心可安装皮带运输机，从高处往下倾倒，使堆放矸石具有最大孔隙度。

附图中煅烧窑尺寸已放大，实际工作中，制气矸石堆比煅烧窑大、高得多，对大的矸石堆，要通过试验，减少燃烧死角，避免气流短路，这会影响处理效果和产品质量，当矸石堆很大时，可增高排气管道，为提高CO浓度和延长稳定供气时间，可在拱形顶盖以上增添大量煤泥球，也可选用值化剂等提高CO产量。

利用本发明所述的装置和方法使全国每年生产的1亿多吨煤研石得到充分利用；其可燃部分几乎全部制成工业燃料气，矸石经配料在煅烧后绝大部分制成水泥和免烧砖瓦；可以解决矸石长期堆放，占用大量土地和污染大气和地下水等问题。

煤矸石全面无度利用法适用于所有煤矿区。大小矿均可应用该法处理煤矸石，对于矸石产量很少的小煤窑，应将它们的矸石集中处理，可分区建立公用煤矸石处理设施。

经济效益可见下面的概略估计。

如果绝大部分水泥、砖瓦等不再使用煤炭，每年可省煤炭1000万吨，价值10亿元，生产的工业燃料气每年1亿立方米，价值0.5亿元，矸石不占土地，节约土地购置费0.3亿元，矸石污染环境罚款不再存在，每年节约0.5亿元，烧砖瓦不再取土破坏耕地，节省0.2亿元，矸石不再污染地下水，使矿区地下水的利用净化变得简单，节省0.1亿元，合计上述各项，每年可增收节支11.6亿元。

Claims (9)

1、一种处理煤矸石的装置，包括煅烧室、供气管道、排气管道，其特征在于：

1)所述锻烧室(1)位于装置的中心，它由个字形孔耐火砌块(2)砌成的圆环形窑腔壁(3)、具有孔的拱形顶盖(4)和底部的承重气孔板(6)组成，所述排气管道(5)安装在所述拱形顶盖上部并与顶盖上的孔相通，

2)位于煅烧室窑壁下部的由环形墙(8)环绕形成的内环形供气管道(7)，

3)由环形墙(9)环绕形成的外环形供气管道(13)，该管道(13)与内环形管道(7)相邻并包围着内环形管道，其上方是多孔承重板(14)，

4)罩住所述煅烧室和环形供气管道的隔气密封罩(16)，所述隔气密封罩与煅烧室和环形供气管道之间为盛装煤矸石和石灰石的空间，

5)窑腔底部、外环形供气管道(13)、内环形供气管道(7)和隔气密封罩(16)均设有供气孔。

2、根据权利要球1所述的装置，其特征在于所述的个字形孔耐火砌块(2)为中间有竖孔，由竖孔向砌块壁设有若干倾斜向外的比中间孔小的孔，其上端有两个凸起的定位柱，下端有两个凹形定位槽，两者位置和深浅相互对应。

3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述外环形管道上的多孔承重板(14)的上面安装有若干个字形孔耐火砌块柱(15)。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述隔气密封罩(16)由玻璃纤维布铺盖后涂抹树脂制成。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于在所述隔气密封罩(16)的上缘、中部和下缘分别具有起加强定形作用的玻璃钢质圆环(17、18、19)，它们之间设有若干T型支撑板(20)。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于在所述玻璃钢质圆环(17、18、19)之间设有纵向肋板。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于在所述煅烧室和盛装煤矸石和石灰石的空间内设置有热电偶和多孔管安全阀。

8、一种利用权利要求1所述的处理煤矸石装置的处理煤矸石的方法，包括：

1)根据生产目的，进行配料，煅烧窑内的生料按所需生产的水泥品种配料，煅烧窑外接配比添加制作免烧砖、瓦用的煤矸石和石灰石，

2)选择料的粒度和级配，它们为φ10-20mm和20-30mm，

3)将上述配制好的生料球投入窑腔内，生料球在腔内逐步堆高过程中，使个字形孔耐火砌块随之砌高，并将窑腔外的物料逐渐堆高，直至煅烧窑控达到预定高度，腔内充满生料球为止，

4)将拱形顶盖盖在砌好的窑腔上，在顶盖孔上接装排气管道，

5)当窑腔外的物料达到预定高度后，料堆形成一截锥圆台体，然后铺设隔气密封罩，

6)用鼓风机向密封罩内供CO₂气体，供气压力为P₁，向外环形供气管道供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压为P₂，向窑腔供气，点火时供氧气，正常生产时供空气，供气压力为P₄，并随时注意控制内环形管道的供气成分、压力和温度，该管道内的压力为P₃，

7)排气管道用抽风机抽气，抽出的是经过窑内、外燃烧后形成的以CO为主的气体，其压力为P₅，

所述压力P₁、P₂、P₃、P₄、P₅的关系为P₁＞P₂＞P₅,P₄基本等干P₂,P₃用以调控气体成分和温度，煅烧时P₃等于P₂，用于供冷气降窑腔温度时，P₃小于P₂大于P₄,P₅为负值。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于截锥圆台体的锥面(12)与水平面的夹角为煤矸石的自然体止角。