PDF《煤矸石综合利用的产业化及其展望》

2014 年7月CIESC Journal July

2014 第65 卷第7期化工学报Vol.

65 No.7 煤矸石综合利用的产业化及其展望 郭彦霞,张圆圆,程芳琴 (山西大学资源与环境工程研究所,国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室,山西 太原 030006) 摘要:综合分析了我国在煤矸石综合利用方面的工业化进展.我国循环流化床煤矸石发电技术已引领国际先进发 展水平,已开始发展超临界和超超临界煤矸石发电技术;

全煤矸石烧结砖装备技术也达到国际先进水平,单套设 备生产能力达到年消纳百万吨煤矸石;

大规模利用煤矸石进行充填采空区和塌陷区、筑基修路、土地复垦等成为 煤矸石无害化处理的主要方式.煤矸石的综合处理能力超过

4 亿吨/年.然而相对于煤矸石巨大的产生量,现有利 用途径仍难以满足其处理需求. 高附加值利用是煤矸石综合利用的重要补充, 将成为煤矸石综合利用的发展方向. 基于目前高附加值利用的发展现状,构建了煤矸石高附加值利用的循环经济路线,对于进一步提高其资源利用水 平和利用率有重要意义. 关键词:煤矸石;

综合利用;

产业化;

废物处理;

回收;

可持续性 DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2014.07.006 中图分类号:TQ

09 文献标志码:A 文章编号:0438―1157(2014)07―2443―11 Industrial development and prospect about comprehensive utilization of coal gangue GUO Yanxia, ZHANG Yuanyuan, CHENG Fangqin (Institute of Resources and Environment Engineering, School of Environmental&

Resource Sciences, State Environmental Protection Key Laboratory of Efficient Utilization Technology of Coal Waste Resources, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China) Abstract: Coal gangue as one of the largest industrial solid wastes in China brings about very serious environmental, social and economic problems. Comprehensive utilization of coal gangue is of importance to sustainable development of society and economy. China has made great progress in comprehensive utilization of coal gangue in the latest

40 years since the 1960―1970'

s. Circulating fluidized bed (CFD) power generation using coal gangue is at the advanced level of the world. The equipment and technology of sintered brick manufactured from coal gangue have also reached the world'

s advanced level. A single facility reaches million tons of coal gangue consumption annually. Large amounts of coal gangue as the major harmless methods are used in backfilling, road paving and land reclamation. The comprehensive treatment capacity of coal gangue increases significantly and exceeds

400 Mt annually at present. Due to large production of coal gangue, however, the existing utilizations cannot meet the demand of coal gangue treatment. Value-added utilization as one of the important supplementary ways will become the development direction of comprehensive utilization of coal gangue. It is of significance to further improve the utilization level and efficiency by establishing the circular economy routes of value-added 2014-05-16 收到初稿,2014-05-23 收到修改稿. 联系人:程芳琴.第一作者:郭彦霞(1976―) ,女,博士,副教授. 基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2011AA06A103) ;

山西 省科技重大专项(20131101017) ;

国家自然科学基金项目(21306109) . Received date: 2014-05-16. Corresponding author: Prof. CHENG Fangqin, [email protected] Foundation item: supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2011AA06A103), the Shanxi Province Special Grand Science-Technology Project (20131101017) and the National Natural Science Foundation of China (21306109). 化工学报第65 卷・2444・ utilization proposed in this paper based on the development situation of value-added utilization. Key words: coal gangue;

comprehensive utilization;

industrialization;

waste treatment;

recovery;

sustainability 引言我国是全球煤炭开采量最大的国家,

2012 年煤 炭产量达 36.5 亿吨,占全球煤炭产量的 46.4%[1] . 煤矸石是煤炭的一种共伴生矿物, 产生于煤炭的开采 和洗选加工过程.其热值一般低于 6.3 MJ・kg?1[2] , 含有 Al2O

3、SiO2 和Fe2O3 等无机灰分,总含量达 到煤矸石总量的 60%~95%,因难以利用而成为一 种工业固体废弃物.一般地,每生产

1 t 原煤会产 生0.15~0.2 t 煤矸石[3] ,2012 年,我国煤矸石产生 量达 6.2 亿吨[4] ,约占全国工业固废产生量的 40%. 大量煤矸石露天堆放,已形成

2600 余座煤矸石山, 累积堆存量达

50 多亿吨,占地

20 余万亩[5] ,成为 我国积存量和年产量最大、占用堆积场地最多的一 种工业废弃物.煤矸石的大量堆放带来了非常严重 的社会、环境和经济问题.大量土地的占用,造成 耕地、林地等面积的减少;

因自燃产生 SO

2、NOx 等有毒有害气体,有毒有害元素也会随着雨水淋溶 和渗滤而污染地下水体和土壤,对生态环境造成严 重危害;

而且,煤炭企业每年还需要投入大量资金 用于解决煤矸石土地的征用、矸石山的污染以及应 对山体滑坡和泥石流等自然灾害等问题. BP 世界能源统计[1] 表明,2012 年全球煤炭产 量78.6 亿吨,其中,煤炭产量超过亿吨的前

10 个 国家分别是中国、美国、印度、澳大利亚、印度尼 西亚、俄罗斯、南非、 德国、波兰和哈萨克斯坦 (表1) ,占全球煤炭总产量的近 90%,而中国的煤炭产 量占到全球产量的 46.4%.各国因煤炭种类和加工 水平的差异,煤矸石的产生量与煤炭产量并非呈严 格的线性关系,如波兰,每生产

1 t 煤炭,会产生 0.3~0.6 t 煤矸石[6] ,尽管如此,由于我国煤炭产量 的绝对领先地位,近40%的煤矸石产生于我国.除 此之外,美国、印度、澳大利亚等国也因煤炭产量 大而产生了大量的煤矸石, 如2011 年美国产生煤矸 石1.09 亿吨[7] ;

2009 年欧洲产生煤矸石 1.75 亿吨[8] ;

波兰每年产生近

4000 万吨煤矸石,截至

2007 年共 堆存 5.06 亿吨[9] .事实上,煤矸石的产生及堆存也 引起国外各大产煤国的关注. 煤矸石化学组成多样,内含大量元素 Al、Si、 C,常量元素 Fe、Ca、K、Mg、Ti 等,微量元素 Hg、As、Pb、Cr、Cd、Mn 等,此外,还含有 Sc、 Ga 等贵重痕量元素. 煤矸石也是多矿物混合体, 含 有高岭石、伊利石、白云母、长石、石英、黄铁矿、 石灰石、 铝土矿等. 煤矸石丰富的化学和矿物组成, 使其具有资源特性.我国人均资源占有量严重不 足,将废弃资源进行有效利用是缓解我国资源短缺 的重要手段.我国非常重视煤矸石的资源利用,目前,煤矸石已经广泛应用于发电、填埋、筑路、建 材和化工等领域.然而,煤矸石的利用率仍然比较 低,2011 年仅 62%[10] ,年新增煤矸石堆存量达 2.5 亿吨. 而近

20 年内随着我国煤炭产量的持续增加[11] , 煤矸石的产生和堆存量也会逐年增加.加大煤矸石 的资源化利用是进一步解决其带来的社会、环境和 经济等问题的必要途径. 煤矸石的综合利用引起各国的关注.英国煤管 局在

1970 年成立了煤矸石管理处,波兰和匈牙利 联合成立了海尔得克斯矸石利用公司,专门从事煤 矸石处理和利用[2] .其中,最普遍的利用方式是煤 矸石发电、生产建筑材料和工程填料.法国煤矸石 年产量约

850 万吨,煤矸石的堆积总量已超过

10 亿吨[12] ,在煤矸石综合利用方面取得了很多成功的 经验,从20 世纪

70 年代起至今,共利用煤矸石

1 亿多吨,主要用于制砖、生产水泥和铺路,此外, 还通过煤矸石洗选回收其中的可燃物用于发电;

德表12012 年产煤量最大的

10 个国家煤炭产量及 全球煤炭产量占比[1] Table

1 Coal production and proportion of top

10 largest coal production countries Country Annual production /Mt Percent of global total production/% China

3650 46.4 America

922 11.7 India

606 7.7 Australia

431 5.5 Indonesia

386 4.9 Russia

355 4.5 South Africa

260 3.3 Germany

196 2.5 Poland

144 1.8 Kazakhstan

116 1.5 total

7066 89.9 第7期郭彦霞等:煤矸石综合利用的产业化及其展望 ・2445・ 国、荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起,以利 用中煤、煤泥和煤矸石发电[13] ;

英国将已燃煤矸石 用于公路、填坝和其他土建工程的填充物[2,14] ;

德国、美国、俄罗斯、日本等国利用煤矸石代替部分 黏土生产水泥,取得了节煤、降低成本等效果[2] . 此外,许多国家近年来大力发展煤矸石高值利用技 术,日本、波兰、英国将含碳量较高的煤矸石用于 生产轻骨料,使建筑物质量减轻 20%[2] ,法国、比 利时用含碳量低的煤矸石生产陶粒[15] . 我国在煤矸石综合利用方面也开展了大量工 作.本文分析了各地煤矸石的理化性质,概述了我 国煤矸石综合利用的情况,在此基础上总结了我国 在煤矸石综合利用方面的工业化进展,并对我国煤 矸石综合利用的未来发展方向进行了展望.

1 煤矸石性质 1.1 化学和矿物组成 煤矸石是夹在煤层中,与煤伴生的岩石,其来 源主要有

3 种[2] :露天开采剥离及采煤巷道掘进排 出的白矸,采煤过程中选出的普矸以及选煤过程产 生的洗选矸,三者所占比例分别约 45%、35%和20%.表2是不同地区所产煤矸石的化学组成,主 要含有 SiO

2、Al2O

3、Fe2O

3、CaO、MgO、TiO

2、 K2O 等. 其中 SiO2 和Al2O3 是煤矸石中的主要组分, SiO2 含量为 40%~70%, Al2O3 为13%~40%, 二者 的总量可达 60%~90%.煤矸石在堆存过程中,会 发生自燃现象,其中的挥发分和碳质燃烧,会使其 无机成分含量增高. 自燃煤矸石中 SiO2 含量一般高 于50%,Al2O3 含量一般高于 17%. 煤矸石中普遍存在高岭石、石英两种晶相矿 物, 其他可能存在的晶相矿物包括伊利石、 绿泥石、 白云母、长石、黄铁矿、菱铁矿、赤铁矿、方解石 等.此外,煤矸石中还包含一定量的非晶相物质, 主要是水分、碳质、风化物等[33] .煤矸石中的矿岩 主要包括黏土岩类、砂岩类、砾岩类、碳酸岩类、 石灰岩类和铝质岩类等沉积岩.石英属于砂岩类, 因其抗风化能力很强,不易分解,所以在矸石中大 量存在.高岭石、伊利石、绿泥石、白云母、长石 等同属于铝质黏土类矿物,是煤矸石中含量较大的 一类矿物.煤矸石中含铁矿物主要以菱铁矿和赤铁 矿存在,部分新产出的煤矸石中还含有黄铁矿;

碳 酸盐类矿物方解石是煤矸石中主要的含钙矿物. 表3对比了不同国家煤矸石矿物组成的含量分 布,其中石英、黏土类矿物、含碳物质是最主要的 矿物.煤矸石的矿物组成主要受到黏土矿物的影 响,典型的煤矸石含有 50%~70%的黏土矿物, 20%~30%的石英以及 10%~20%的其他矿物和碳 杂质[33] .与世界其他国家相比,我国煤矸石中高岭 石含量(10%~67%)丰富,石英含量中等(15%~ 3........