山西省部分地区煤矸石基础理化性质研究_杜韫哲.pdf

山西省部分地区煤矸石基础理化性质研究杜韫哲，柳一灵，沈 伟，白 燕，马 鹤，唐宋元，姚翔宇，郝广平（.大连理工大学化工学院，辽宁 大连；.山西省地质矿产二一三实验室有限公司，山西 临汾；.北京金隅集团股份有限公司，北京）摘 要：采集了山西省 个典型矿区的煤矸石样品，系统研究了煤矸石的基础理化性质。结果表明，不同矿区煤矸石的元素组成以 和 为主，其中 含量约为，的含量最高为.、最低.，煤矸石中其他元素如、等含量有较大差异。煤矸石的矿物组成有高岭土与石英，部分样品还含有赤铁矿、方解石、白云石。烧失研究表明，不同地区煤矸石样品的固定碳含量有较大差异，最低仅.，最高可达.。对煤矸石样品的元素组成以及物相结构分析，为山西省煤矸石资源化利用提供了依据。关键词：煤矸石；矿物分析；固定碳；资源化利用中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，；.，.，；.，.，）：，.，.，.，.，.，：；收稿日期：.基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：杜韫哲（），男，山西祁县人，年毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业，工学博士，大连理工大学化工学院工程师。引用格式：杜韫哲，柳一灵，沈 伟，等 山西省部分地区煤矸石基础理化性质研究 煤炭加工与综合利用，（）：概 述“富煤、贫油、少气”是我国能源结构的基本特征，其中煤炭约占我国能源消费比重的。由于煤炭的开采，大量的煤矸石废弃物也随之产生，约占煤炭产量的 。我煤炭加工与综合利用 .，国煤矸石的利用率低，目前煤矸石累积总量已达 亿，且每年仍以数亿吨的排放量增加，使我国的环境和土地资源面临了巨大的压力。煤矸石不仅占用土地、污染水体，还会发生自燃，产生 等有害气体，严重威胁矿区居民的生存环境。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物，主要成分为、以及，同时还含有，等矿物元素。根据煤矸石的矿物组成制定合理的资源化利用方案，能够变废为宝，解决煤矸石带来的环境和资源危机。例如，发热量在 以上的煤矸石可以用于发热、发电；提取煤矸石中的化学元素可生产铝系、硅系等化工产品；煤矸石还可用于制造水泥、耐火砖等建筑材料。因此，煤矸石综合合理利用，符合绿色发展战略，是实现煤炭产业可持续发展的必经之路。山西是产煤大省，在为我国经济发展提供能源的同时，也产生了大量的煤矸石废弃物。目前，山西省的煤矸石利用率不高，除技术不成熟等因素外，主要由于不同地区煤矸石的理化性质差异较大，且人们对其认识不清，因此还未形成有效的处理方案。针对上述问题，本研究收集了山西省 个典型矿区的煤矸石样品，系统分析了煤矸石样品的化学组成、矿物结构，测定了煤矸石的灰分、挥发分、含水率以及固定碳含量。上述实验结果揭示了山西省典型地区煤矸石的基础理化性质，为煤矸石的综合利用提供了指导依据。试验部分.煤矸石的来源本论文试验所用的煤矸石样品均由山西省地质矿产二一三实验室有限公司提供，煤矸石样品为选煤过程中排出的废弃物，煤矸石采集地点如图 所示，并分别编号为 号。.煤矸石化学组成与物相分析本研究运用德国布鲁克公司 型 射线荧光光谱仪（）分析煤矸石样品的元素组成。运用荷兰帕纳科公司 型 射线粉末衍射仪（）分析煤矸石的物相组成。基于谢乐公式（）计算不同晶相的晶粒大小。（）（）图 煤矸石样品采集地理分布示意 其中：为晶粒大小；为谢乐常数，取.；为 射线的波长，.；为样品衍射峰的半高宽度，弧度；为布拉格衍射角，（）。.煤矸石烧失性质分析本研 究 参 照 中 华 人 民 共 和 国 标 准 煤的工业分析方法，测定煤矸石中的水分、挥发分、灰分以及固定碳含量。结果与讨论.山西省不同地区煤矸石宏观特征图 为煤矸石样品所在矿区的地理分布图，煤矸石样品采集地点涵盖了山西省不同方位的矿区，保证了样品的广泛性与典型性。从外观看，煤矸石呈现不规则的块状，颜色为灰黑色（图）。从断口的放大照片可以看到，煤矸石内部镶嵌有不同密度的白色隐晶，表明煤矸石中显著存在的非炭类矿物。不同矿区煤矸石断口呈现出不同形貌，号、号、号煤矸石样品的断口比较平整，其余样品断口较为粗糙，其中 号样品的断口呈现出沥青光泽，号样品的断口为层状结构，号样品的断口呈现纤维状、具有丝绢光泽。另外，号与 号样品具有轻微的暗红色，可能是由于煤矸石中含铁矿物所致。对煤矸石外观的准确描述有助于对其分类，并一定程度上反应煤矸石的结构特征。为了深入理解煤矸石呈现出不同宏观特征的原因，需进一步分析其元素组成以及矿物结构。年第 期杜韫哲，等：山西省部分地区煤矸石基础理化性质研究图 号地区所采煤矸石的外观以及断口的光学照片.山西省不同地区煤矸石的元素组成及物相分析通过 射线荧光光谱仪分析煤矸石的化学组成，结果如表 所示。不同煤矸石样品的化学组成差异显著，表明了山西省地质结构的复杂多样性。其中 号和 号样品分别含有最多和最少的硅元素，号和 号样品分别含有最多和最少的铝元素，号样品的 含量达.，具有提取含铝化学品的潜力。号样品具有最高的，而 号样品的 最低，含不同 的煤矸石可作为合成不同硅铝比分子筛的原料。号和 号样品含有较多的铁元素，与两种样品外观呈暗红色对应，因此通过颜色特征可以粗略判断含铁量的不同。钾是植物生长必需的矿物元素，不同地区煤矸石中钾的含量从.到.不等。将煤矸石山复垦时，需控制钾含量以满足植物的生长条件。另外，煤矸石中还含有钙、镁、钛、钠等元素。对元素组成的分析可以作为煤矸石资源化利用的依据，结合 射线衍射数据可进一步判断煤矸石的矿物组成。表 山西省不同地区煤矸石化学组成的相对含量样品相对含量 .射线衍射技术常用于确定物质物相结构，山西省不同地区煤矸石样品的 射线衍射谱如图 所示。从图中可以看到，煤矸石的矿物组成以石英和高岭土为主，伴生矿物随着产地不同有较大差异。号、号样品的杂相最少，其余样品均显示出其他矿物的衍射峰。结合煤矸石的元素组成，可知伴生矿物包括方解石、赤铁矿、白云石，三 种 矿 物 对 应 的 化 学 式 分 别 为、（），不同地区煤矸石样品的矿物组成列于表。图 山西省不同地区煤矸石 谱图 煤炭加工与综合利用 年第 期表 山西省不同地区煤矸石物相分析样品石英高岭土石英粒径 高岭土粒径 矿物组成.高岭土，石英，方解石，白云石.高岭土，石英，方解石，赤铁矿.高岭土，石英.高岭土，石英，方解石，赤铁矿.高岭土，石英，方解石，白云石.高岭土，石英 注：.石英与高岭土对应 射线衍射主峰的峰强度比；、：根据谢乐公式，通过石英与高岭土衍射主峰的半峰宽计算得到粒径。除了检测物相结构，还可对矿物的组成进行半定量分析。根据石英与高岭土衍射峰的强度之比可知，号样品的高岭土含量最少，矿物组成以石英为主；号样品高岭土含量最高，高岭土主峰的衍射强度与石英的主峰强度接近 。基于谢乐公式，可通过半峰宽计算得到晶体的粒径大小，不同煤矸石样品中高岭土与石英的粒径分别处于 、之间。结合样品的断口形貌可得，富含石英的煤矸石样品断口比较平整（号样品），而高岭土含量较高的煤矸石断口呈现层状结构（号样品）。同时，富含石英的煤矸石样品含硅较多；随着高岭土比重的增加，煤矸石的含铝量提高。.山西省不同地区煤矸石烧失性质分析本论文进一步研究了煤矸石烧失性质，评价了不同煤矸石样品的挥发分、灰分、含水率，并根据上述数据计算得到了煤矸石固定碳的含量（表）。山西省不同地区煤矸石的烧失性质存在较大差异，挥发分最高为.（号）、最低为.（号），灰分最低为.（号）、最高为.（号）。其中含有最高灰分以及最低挥发分的 号样品具有最低的固定碳含量，仅.；而含有最低灰分的 号样品，固定碳含量可达.。根据.等人的理论，煤矸石的发热量可由灰分、水分、挥发分、固定碳含量计算得到，如公式（）所示。.（）其中：为发热量；为灰分；为水分；为挥发分；为固定碳含量。煤矸石中的可燃物可以直接燃烧提供动力，例如发热量在 以上的煤矸石可以辅以适量的中煤和泥煤作为发电的燃料。计算结果表明，大部分煤矸石样品满足发电的热值要求，其中 号样品的发热量可达.，号样品发热量最低，仅.。分析表 数据可知，煤矸石的发热量主要受固定碳含量与灰分的影响，灰分越少、固定碳含量越高则发热量越高。表 山西省不同地区煤矸石烧失性质分析样品挥发分 灰分 含水率 固定碳 发热量（）.结 语系统研究了山西省 个典型矿区煤矸石样品的基础理化性质，结果表明，不同地区的煤矸石化学组成均以 和 为主，同时还含有，等元素。测试结果证实，煤矸石的矿物组成中均含有高岭土和石英，此外不同样品中还含有赤铁矿、方解石、白云石等矿物。不同地区煤矸石样品的固定碳含量有较大差异，最高可达.，最低仅.。依据上述煤矸石样品理化性质的测试结果，可为山西省煤矸石的综合利用提供依据。参考文献 李 鹏，夏元鹏，张立魁，等 煤矸石综合利用产业政策和发展方向 陕西地质，（）：杨盛炜，龙祖根 煤矸石中碳的浮选回收试验研究 价值工程，（）：王红美 煤矸石综合利用现存问题分析与解决对策研究 资源节约与环保，（）：卫 兴，叶明霞，付婷，等 改性煤矸石在废水处理中的应用研究 能源环境，（）：温鹏飞，李 静，何振嘉 煤矸石在土地复垦中应用探究 煤炭技术，（）：杨权成 煤矸石提取氧化铝及其制备功能材料研究 中国矿业大学（北京），李华民 关于煤矸石资源化利用的问题与建议 煤炭工程，（）：彭 岩，李 强，郭晓倩，等 我国煤矸石应用现状及发展方向 矿业快报，（）：任鹏飞 煤矸石保温混凝土的研制及其钢筋混凝土剪力墙结构热工性能分析 太原理工大学，姚永建，张 辉，黄建军，等 煤矸石的分级分质技术研究 煤炭加工与综合利用，（）：秦小艳 山西省煤矸石推广应用现状及建议 煤炭加工与综合利用，（）：，（）：年第 期杜韫哲，等：山西省部分地区煤矸石基础理化性质研究