CN112919840A - 一种矸石资源化利用工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矸石资源化利用工艺，适用于矸石资源化利用领域中使用。首先将采集后还残留原煤的矸石进行破碎，之后对破碎后的矸石混合物进行性质分析，之后根据性质分析选择适配的添加剂；同时破碎生物质原料，之后加入氢氧化钠溶液进行改性，之后将滤液作为粘结剂；最后将破碎矸石、粘结剂以及原煤和添加剂混合均匀，利用成型机制备成通用的固体燃料；将通用的固体燃料应用于工业生产以及发电，将燃烧后产生的灰渣进行磨矿筛分，在分选出来的灰渣加入减水剂和掺合料制备建筑材料。有效利用矸石，并且可以解决建筑行业能耗高、污染重的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种矸石资源化利用工艺，尤其适用于煤系固废资源综合应用领域中的一种矸石资源化利用工艺。
背景技术
目前我国矸石累计堆放量超过60亿t，形成矸石山1500～1700座，占地20余万亩，且以约5亿～8亿t/a的排放量逐年增加。大量的煤矸石对环境造成很大的危害，大致包括土地占用、地表下沉、水土流失、地质沙漠化和生态破坏等问题。作为我国最大的固体废弃物来源，煤矸石给环境带来了巨大的挑战。但由于煤矸石区域性大、技术条件、经济条件等原因，我国的煤矸石利用率仅40％，每年仍有大量的煤矸石在堆积，所以提高煤矸石的资源化利用率是至关重要的。
我国约30％的煤矸石热值为3200-6200kJ/kg，筛选后部分煤矸石热值可以达到15000kJ/kg。循环流化床锅炉通常可以燃烧热值大于7500kJ/kg的煤矸石，而热值较低的煤矸石只能通过混燃方式利用，即与高热值燃料按照一定比例掺烧。
发明内容
针对上述技术问题，提供一种步骤简单，使用方便，将煤矸石进行资源化开发利用，使得低热值的煤矸石制备为高品质燃料充分燃烧，同时将燃烧后的灰渣资源化利用的种矸石资源化利用工艺。
为实现上述技术目的，本发明的矸石资源化利用工艺，其步骤包括：
首先将采集后还残留原煤的矸石进行破碎，之后对破碎后的矸石混合物进行性质分析，之后根据性质分析选择适配的添加剂；同时破碎生物质原料，之后加入氢氧化钠溶液进行改性，之后将滤液作为粘结剂；最后将破碎矸石、粘结剂以及原煤和添加剂混合均匀，利用成型机制备成通用的固体燃料；将通用的固体燃料应用于工业生产以及发电，将燃烧后产生的灰渣进行磨矿筛分，在分选出来的灰渣加入减水剂和掺合料制备混凝土掺合料、免烧砖、各类硅酸盐水泥等建筑材料。
具体步骤如下：
a.原料混合作业：将开采后的矸石在井下直接破碎并进行性质分析，工业分析确定矸石；
b.粘结剂制备作业：以农作物秸秆为生物质原料，将农作物秸秆破碎至2mm以下后加入浓度为0.1-1.2％的氢氧化钠溶液中改性30-80min,改性反应结束后提取滤液作为粘结剂；
c.物料成型作业：将煤、矸石、添加剂与制备的粘结剂混合均匀后通过成型机制备成通用的固体燃料；
d.燃烧作业：将制备的通用固体燃料在锅炉中进行充分燃烧，燃烧温度在700-1000℃，燃烧产生的热量与烟气中回收的热量用于常规的工业生产，尤其应用于低阶煤热解、民用供暖、工业发电等；
e.灰渣磨矿筛分作业：收集通用固体燃料燃烧后产生的灰渣并磨矿至0.065mm以下进行材料化利用，对筛上组分进行再次磨矿至粒度合格；
f.灰渣性质分析作业：对磨矿后的灰渣化学组分进行分析，并进行水泥胶砂活性指数试验。
g.材料制备作业：根据水泥胶砂活性指数试验分析所得灰渣的数据添加减水剂、掺合料按照国标要求的比例混合，制成硅酸盐水泥以及免烧砖、混凝土掺合料，硅酸盐水泥包括通用硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
参与复配的原煤发热量3500Kcal/kg以上，水分低于30％可直接使用，无需再次进行脱水处理。
所述元素分析对C、H、O、N、S等元素测定需要根据燃烧过污染物转化程定向选择催化剂，其中X射线荧光光谱分析技术对于矸石化学组成进行定量，包括二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、二氧化钛、氧化钾等，等组成物质的含量选择活化剂种类同时确定化学成分搭配方案。
经过分析后与矸石混合所需的添加剂为固化剂、催化剂、激发剂；所述固化剂包括硅酸钠、氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙，同时起到固化成型与矸石激发的作用；具体的，矸石煅烧温度不高于1000℃，并添加催化剂，包括钙、铝、铁组分使污染物定向转化，同时燃烧过程中有利于矸石通过碱激发成为碱激发胶凝材料，改善灰渣组分制备高性能建筑材料，添加的固化剂与活性催化组分也均具有激发剂的作用，不需要额外添加激发剂。
生物质经过碱改性的滤液作为粘结剂与矸石及原煤混合成型，主要在于滤液中的碱可以对矸石起到激发作用，溶解的木质素起到粘结作用。
通用固体燃料用于层燃锅炉与流化床锅炉燃烧，燃烧产生的粒度范围根据需要定向复配可在5-50mm范围内具体调节，经过定向复配与成型的通用固体燃料无效另外添加辅助材料，其燃烧性能好、污染排放低、能量消耗低，克服了简单掺混燃烧的不足。
使用高压磨粉机或超压体形磨粉机对灰渣进行磨矿。
对灰渣化学组分进行分析后需要添加的材料包括减水剂、固化剂、高钙粉煤灰、骨料、水泥、纤维、矿渣、石膏、赤泥。
有益效果：
低热值的矸石难以在流化床锅炉中燃烧发电，而以矸石为原料激发制备建筑材料时矸石中碳含量又会影响材料质量。本发明以煤矸石为原料通过复配高热值原煤、兼有激发与固化等作用的添加剂制备固体混合燃料作为燃料用于发电，不仅可以节省优质能源的消耗，节能减排，还能循环利用燃烧灰渣，制作建筑水泥等。
成型过程中，由于矸石与粘土成分相似的性质，可以通过其粘结作用制备高强度的固体成型燃料。成型过程中添加以秸秆为原料经过碱处理制备的生物质粘结剂，不仅可以提高燃料的着火特性与热反应特性，还能通过碱金属的作用有效激发矸石制备建筑材料。
本发明设计矸石资源化利用工艺，实现了矸石发热量利用、燃烧灰渣资源化利用，解决了矸石堆放成本高、污染重等突出问题，对煤矿矸石资源化利用项目的落地建设具有实际意义。
附图说明
图1是本发明矸石资源化利用工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：
如图1所示，本发明的矸石资源化利用工艺，其包括：首先将采集后还残留原煤的矸石进行破碎，之后对破碎后的矸石混合物进行性质分析，之后根据性质分析选择适配的添加剂；同时破碎生物质原料，之后加入氢氧化钠溶液进行改性，之后将滤液作为粘结剂；最后将破碎矸石、粘结剂以及原煤和添加剂混合均匀，利用成型机制备成通用的固体燃料；将通用的固体燃料应用于工业生产以及发电，将燃烧后产生的灰渣进行磨矿筛分，在分选出来的灰渣加入减水剂和掺合料制备混凝土掺合料、免烧砖、各类硅酸盐水泥等建筑材料。
具体步骤如下：
a.原料混合作业：将开采后的矸石在井下直接破碎并进行性质分析，工业分析确定矸石；所述工业分析对C、H、O、N、S的元素测定需要根据燃烧过污染物转化程定向选择催化剂，其中X射线荧光光谱分析技术对于矸石化学组成进行定量，包括二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、二氧化钛、氧化钾等，等组成物质的含量选择活化剂种类同时确定化学成分搭配方案；
b.粘结剂制备作业：以农作物秸秆为生物质原料，将农作物秸秆破碎至2mm以下后加入浓度为0.1-1.2％的氢氧化钠溶液中改性30-80min,改性反应结束后提取滤液作为粘结剂；
c.物料成型作业：将煤、矸石、添加剂与制备的粘结剂混合均匀后通过成型机制备成通用的固体燃料；参与复配的原煤发热量3500Kcal/kg以上，水分低于30％可直接使用，无需再次进行脱水处理。
d.燃烧作业：将制备的通用固体燃料在锅炉中进行充分燃烧，燃烧温度在700-1000℃，燃烧产生的热量与烟气中回收的热量用于常规的工业生产，尤其应用于低阶煤热解、民用供暖、工业发电等；
e.灰渣磨矿筛分作业：收集通用固体燃料燃烧后产生的灰渣并使用高压磨粉机或超压体形磨粉机磨矿至0.065mm以下进行材料化利用，对筛上组分进行再次磨矿至粒度合格；
f.灰渣性质分析作业：对磨矿后的灰渣化学组分进行分析，灰渣化学组分进行分析后需要添加的材料包括减水剂、固化剂、高钙粉煤灰、骨料、水泥、纤维、矿渣、石膏、赤泥；并进行水泥胶砂活性指数试验，用于探究理想强度下材料的组成与配比方案，同时便于优化与扩大水泥强度等级范围、降低水化热、增加产量和降低成本；
g.材料制备作业：根据水泥胶砂活性指数试验分析所得灰渣的数据添加减水剂、掺合料按照国标要求的比例混合，制成硅酸盐水泥以及免烧砖、混凝土掺合料，硅酸盐水泥包括通用硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
经过分析后与矸石混合所需的添加剂为固化剂、催化剂、激发剂；所述固化剂包括硅酸钠、氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙，同时起到固化成型与矸石激发的作用；具体的，矸石煅烧温度不高于1000℃，并添加催化剂，包括钙、铝、铁组分使污染物定向转化，同时燃烧过程中有利于矸石通过碱激发成为碱激发胶凝材料，改善灰渣组分制备高性能建筑材料，添加的固化剂与活性催化组分也均具有激发剂的作用，不需要额外添加激发剂。生物质经过碱改性的滤液作为粘结剂与矸石及原煤混合成型，主要在于滤液中的碱可以对矸石起到激发作用，溶解的木质素起到粘结作用。
通用固体燃料用于层燃锅炉与流化床锅炉燃烧，燃烧产生的粒度范围根据需要定向复配可在5-50mm范围内具体调节，经过定向复配与成型的通用固体燃料无效另外添加辅助材料，其燃烧性能好、污染排放低、能量消耗低，克服了简单掺混燃烧的不足。
实例1：一种矸石资源化利用工艺流程图。矸石破碎至2mm以下作为原料，对矸石进行工业分析、元素分析、XRD、XRF、BET等性质测试，矸石热值为1500Kcal/kg，选取热值4000Kcal/kg以上的原煤以20-30％的质量分数复配提高热值。矸石组成主要为二氧化硅、氧化铝、氧化铁等，选择硅酸钠、氢氧化钙、氧化钙、石膏为添加剂。以农作物秸秆为原料，在1％浓度氢氧化钠溶液中、80℃条件下反应1小时，将反应后的液体组分与矸石、原煤、添加剂混合后成型制备直径40mm的型煤块。制备的型煤在锅炉中燃烧，燃烧温度可达800℃以上，燃烧产生的热量与烟气循环产生的热用于供暖，对排放的烟气进行净化处理。燃烧产生的灰渣进行磨矿并选取0.045mm以下的部分作为原料，对筛选的灰渣性质分析，通过添加水泥、减水剂制备出符合国标的水泥材料。
实例2：一种矸石资源化利用工艺流程图。矸石破碎至2mm以下作为原料，对矸石进行工业分析、元素分析、XRD、XRF、红外光谱等性质测试，矸石热值为1000Kcal/kg，选取热值5000Kcal/kg以上的原煤以25-35％的质量分数复配提高热值。矸石组成主要为二氧化硅、氧化铝、氧化铁等，含量分别为62％、23％、2％，选择硅酸钠、氢氧化钙、氧化钙、石膏为添加剂。以农作物秸秆为原料，在1％浓度氢氧化钠溶液中、80℃条件下反应1小时，将反应后的液体组分与矸石、原煤、添加剂混合后成型制备直径12mm的颗粒燃料，制备的颗粒燃料在流化床锅炉中燃烧，燃烧温度850℃以上，燃烧产生的热量与烟气循环产生的热用于供暖，对排放的烟气进行净化处理。燃烧产生的灰渣进行磨矿并选取0.045mm以下的部分作为原料，对筛选的灰渣性质分析，通过添加水泥、减水剂制备出符合国标的建筑材料。
Claims (9)
1.一种矸石资源化利用工艺，其特征在于步骤包括：
首先将采集后还残留原煤的矸石进行破碎，之后对破碎后的矸石混合物进行性质分析，之后根据性质分析选择适配的添加剂；同时破碎生物质原料，之后加入氢氧化钠溶液进行改性，之后将滤液作为粘结剂；最后将破碎矸石、粘结剂以及原煤和添加剂混合均匀，利用成型机制备成通用的固体燃料；将通用的固体燃料应用于工业生产以及发电，将燃烧后产生的灰渣进行磨矿筛分，在分选出来的灰渣加入减水剂和掺合料制备混凝土掺合料、免烧砖及硅酸盐水泥。
2.根据权利要求1所述的矸石资源化利用工艺，其特征在于具体步骤如下：
a.原料混合作业：将开采后的矸石在井下直接破碎并进行性质分析，工业分析确定矸石；
b.粘结剂制备作业：以农作物秸秆为生物质原料，将农作物秸秆破碎至2mm以下后加入浓度为0.1-1.2％的氢氧化钠溶液中改性30-80min,改性反应结束后提取滤液作为粘结剂；
c.物料成型作业：将煤、矸石、添加剂与制备的粘结剂混合均匀后通过成型机制备成通用的固体燃料；
d.燃烧作业：将制备的通用固体燃料在锅炉中进行充分燃烧，燃烧温度在700-1000℃，燃烧产生的热量与烟气中回收的热量用于常规的工业生产，尤其应用于低阶煤热解、民用供暖、工业发电等；
e.灰渣磨矿筛分作业：收集通用固体燃料燃烧后产生的灰渣并磨矿至0.065mm以下进行材料化利用，对筛上组分进行再次磨矿至粒度合格；
f.灰渣性质分析作业：对磨矿后的灰渣化学组分进行分析，并进行水泥胶砂活性指数试验；
g.材料制备作业：根据水泥胶砂活性指数试验分析所得灰渣的数据添加减水剂、掺合料按照国标要求的比例混合，制成硅酸盐水泥以及免烧砖、混凝土掺合料，硅酸盐水泥包括通用硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
3.根据如权利要求2所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：参与复配的原煤发热量3500Kcal/kg以上，水分低于30％可直接使用，无需再次进行脱水处理。
4.根据如权利要求2所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：所述元素分析对C、H、O、N、S等元素测定需要根据燃烧过污染物转化程定向选择催化剂，其中X射线荧光光谱分析技术对于矸石化学组成进行定量，包括二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠、二氧化钛、氧化钾等，等组成物质的含量选择活化剂种类同时确定化学成分搭配方案。
5.根据权利要求1所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：经过分析后与矸石混合所需的添加剂为固化剂、催化剂、激发剂；所述固化剂包括硅酸钠、氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙，同时起到固化成型与矸石激发的作用；具体的，矸石煅烧温度不高于1000℃，并添加催化剂，包括钙、铝、铁组分使污染物定向转化，同时燃烧过程中有利于矸石通过碱激发成为碱激发胶凝材料，改善灰渣组分制备高性能建筑材料，添加的固化剂与活性催化组分也均具有激发剂的作用，不需要额外添加激发剂。
6.根据权利要求1所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：生物质经过碱改性的滤液作为粘结剂与矸石及原煤混合成型，主要在于滤液中的碱可以对矸石起到激发作用，溶解的木质素起到粘结作用。
7.根据权利要求1所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：通用固体燃料用于层燃锅炉与流化床锅炉燃烧，燃烧产生的粒度范围根据需要定向复配可在5-50mm范围内具体调节，经过定向复配与成型的通用固体燃料无效另外添加辅助材料，其燃烧性能好、污染排放低、能量消耗低，克服了简单掺混燃烧的不足。
8.根据权利要求1所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：使用高压磨粉机或超压体形磨粉机对灰渣进行磨矿。
9.根据权利要求1所述的一种矸石资源化利用工艺，其特征在于：对灰渣化学组分进行分析后需要添加的材料包括减水剂、固化剂、高钙粉煤灰、骨料、水泥、纤维、矿渣、石膏、赤泥。
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|---|---|---|---|---|
| CN113387605A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-09-14 | 中南大学 | 一种多种类煤矸石低温自供热烧结制备轻骨料的方法 |
| CN115121575A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-30 | 中国矿业大学 | 一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素Se的方法 |
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| CN115121575B (zh) * | 2022-06-27 | 2023-11-24 | 中国矿业大学 | 一种煤矸石基活性粉体制备及固化核素Se的方法 |
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