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        清潔利用

        煤矸石分級分質加工與利用的研究

        許澤勝,陳佳蕊,王森彪,李曉東,舒元鋒,李 軍,舒新前

        (中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京市海淀區,100083)

        摘 要 對煤矸石的分級分質加工利用是解決其大宗利用的有效方法之一,在前人對煤和矸石選擇性破碎研究的基礎上,以山西焦煤集團屯蘭煤矸石為研究對象,重點對煤矸石分級分質利用進行研究,尤其是對煤矸石破碎后煤與石的分布規律進行系統研究。研究發現,煤矸石破碎后煤向細粒級富集,而石向粗粒級富集。屯蘭煤矸石經過鄂式和錘式多重破碎和篩分分級后,每次破碎結果均呈現出粒度越小灰分越低發熱量越高、粒度越大灰分越高發熱量越低的分布規律。煤矸石的選擇性破碎優先在煤矸石層理面與節理面發生,屯蘭煤矸石通過選擇性破碎,一次性破碎分級分質能獲得高位熱值為7.06~13.22 kJ/g的矸石電廠燃料,而多重破碎具有顯著的分級分質效果,能分出高位熱值為7.13~7.71 kJ/g的矸石電廠燃料,同時能制備出灰分高達83%以上、產率36%左右、壓碎值低于30%的砂石骨料,對于煤矸石建材化的大宗利用和解決屯蘭煤矸石的排放具有重要意義。

        關鍵詞 煤矸石;選擇性破碎;分級分質;分布規律

        0 引言

        煤矸石是我國排放量最大的工業固體廢棄物之一[1],也是我國“十四五”重點關注的大宗固廢之一[2]。加強對煤矸石性質的基礎研究,對其分級分質利用研究尤為重要[3]。利用對環境友好且低成本的物理加工方法將煤矸石進行選擇性破碎,以便將煤矸石中的煤、石分離和富集,分別用做低熱值燃料和建材砂石骨料,對于回收煤炭資源和煤矸石作為建材大宗利用具有十分重要的意義[4]。

        陳哲等研究人員[5]基于砂巖與矸石的硬度探討了煤矸石選擇性破碎分選的可行性,發現樣品中不同粒級的煤矸石均發生了充分破碎,認為煤矸石選擇性破碎可行;Xiao[6]通過試驗研究煤和矸石的壓力分布曲線,確定在合理的壓力值范圍內可實現煤矸石的選擇性分離;鄭文翔和潘兆科[7-8]從煤與矸石的力學性質分析,提出了煤與矸石選擇性分選模型;王雙喜[9]對比煤和矸石強度,認為采用劈裂破碎方式適合于煤和矸石的選擇性破碎與分離;陳巖等研究人員[10]以粒度與熱值分布為評價手段,對比顎式破碎機、輥式破碎機、錘式破碎機、反擊式破碎機等不同類型破碎機破碎煤矸石的效果,分出一定熱值的煤炭和三級混凝土骨料;封金鵬[11]通過對合山礦務局煤矸石進行特征分析,提出了借助礦物間天然的可碎性差異,通過破碎強化礦物間的粒度差異,從而使得難碎礦物(主要是Ca成分)在粗粒級中富集,易碎礦物(含Al、Fe、Si、C部分)在細粒級中富集;楊曉紅[12]指出煤矸石的強度和粒度有一定關系,粒度越大強度也越大,富含黏土礦物及炭質的巖類優先破碎,趨向于分布在細粒級,反之強度較大的碳酸鹽等趨向分布在粗粒級;鄭克洪等研究人員[13]發現巖類矸石的沖擊破碎需至少20 m/s,而煤沖擊破碎則需6.21~14.39 m/s,同時指出煤和矸石的力學性質差別越大,選擇性破碎分選效果更佳;陳天虎等研究人員[14-15]就山東省某礦煤矸石進行選擇性破碎試驗,發現選擇性破碎可以提高煤矸石的利用熱值及Al2O3含量。

        以上研究多側重于煤和矸石力學性質對煤和煤矸石選擇性破碎的影響,并未系統地分析和研究煤矸石破碎過程中各粒級的灰分分布和發熱量的關系,尤其是多重破碎后煤矸石中煤與石分級分質效果和分布規律。本試驗選取山西焦煤集團屯蘭煤炭洗選加工煤矸石和混合煤矸石作為原料,用破碎篩分的方法,研究煤矸石破碎過程中煤與石選擇性破碎的分布規律以及煤矸石多重破碎分級分質利用特性。

        1 試驗原料特性

        將屯蘭煤炭洗選加工煤矸石和混合煤矸石分別編號為TLXG和TLHG,分別對其基本性質進行分析。

        1.1 化學成分分析

        屯蘭煤矸石XRF分析結果見表1。

        由表1可以看出,屯蘭煤矸石主要成分以SiO2、Al2O3為主,其中TLXG的Fe2O3比TLHG高,Al2O3比TLHG低。

        表1 屯蘭煤矸石XRF分析結果 %

        樣品SiO2Al2O3Fe2O3K2OCaOTiO2MgONa2OSO3P2O5其他TLXG59.7231.524.371.760.221.190.520.290.100.110.72TLHG57.1135.792.572.040.131.290.500.280.060.070.16

        1.2 發熱量與工業分析

        屯蘭煤矸石工業與發熱量分析見表2。

        表2 屯蘭煤矸石工業與發熱量分析

        樣品Mad/%Ad/%Vdaf/%FCdaf/ %Qgr,v,ar/(kJ·g-1)TLXG1.3073.1142.56 57.44 6.45TLHG1.1975.5243.3556.654.91

        由表2可以看出,屯蘭煤矸石中含有一定的煤,TLXG的灰分比TLHG低,其熱值比TLHG高。

        1.3 煤矸石的物相分析

        屯蘭煤矸石的XRD分析如圖1所示。

        圖1 屯蘭煤矸石的XRD分析

        由圖1的物相分析來看,屯蘭煤矸石的主要成分為高嶺石、石英、黃鐵礦、菱鐵礦等礦物,TLXG中可見鈣長石等礦物成分。

        1.4 煤矸石壓碎值的表征

        壓碎值是集料抵抗壓碎的性能指標,集料的壓碎值用于衡量混凝土骨料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力,屬于集料力學性質的指標,以評定其在混凝土中的適用性。煤矸石的壓碎指標試驗參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法》(JGJ52-2006)標準來進行測定。壓碎指標見式(1) :

        (1)

        式中:Qe——壓碎指標, %;

        G1——試樣的質量,g;

        G2——壓碎試驗后篩余的試樣質量,g。

        2 試驗方法

        將屯蘭煤矸石進行預破碎,使進行試驗時煤矸石的入料粒度為-80 mm。試驗將煤矸石在小型鄂式破碎機和錘式破碎機中進行單次和多重破碎,分析煤矸石經過破碎后各粒級灰分和發熱量的分布特征,考察煤矸石選擇性破碎后煤與石的分布規律。煤矸石分選后,煤的特征用發熱量來表征,石的特性用壓碎值等指標來表征[16]。

        3 煤矸石破碎選擇性規律的研究

        3.1 煤矸石單次破碎分級煤與石的分布規律研究

        3.1.1 煤矸石單次破碎各粒級產率與灰分關系

        將屯蘭煤矸石分別用鄂式破碎機和錘式破碎機進行一次破碎分級。TLXG鄂式破碎后各粒級產率與灰分的關系如圖2所示,其中+16 mm粒級進行二次破碎后各粒級產率與灰分的關系如圖3所示; TLHG錘式破碎后各粒級產率與灰分的關系如圖4所示,其中+9.5~16.00 mm粒級進行二次破碎后各粒級產率與灰分的關系如圖5所示。

        圖2 TLXG鄂式破碎產率與灰分

        圖3 TLXG+16 mm粒級鄂式破碎產率與灰分

        圖4 TLHG錘式破碎產率與灰分

        圖5 TLHG+9.5~16.00 mm錘式破碎產率與灰分

        由圖2和圖3中可明顯看出,TLXG鄂式破碎后隨著粒級的增大而灰分明顯增加,灰分從59.87%增加到74.42%,從低灰分粒級到高灰分粒級提高灰分為14.55%;+16 mm粒級破碎后同樣出現類似規律,灰分從71.42%增加到最高灰分77.02%,提高灰分為5.6%。這說明通過破碎能將煤矸石中的煤和石選擇性分離,這是因為煤矸石中砂巖、高嶺巖和矸石的普氏硬度系數分別為7.35、4.10和1.80[5],而煤比石更容易破碎[17]。

        由圖4和圖5同樣可以看出,TLHG錘式破碎后隨著粒級的增大而灰分明顯增加,灰分從70.82%增加到82.72%,灰分提高了11.9%,+9.5~16 mm粒級破碎后也同樣出現類似規律,其灰分從70.13%增加到74.29%,灰分提高了4.16%。

        圖2~圖5反映煤矸石在破碎過程中煤與石破碎分離的選擇性,即煤矸石在破碎過程中破碎總是優先在煤與石的層理面和節理面的結合力簿弱環節發生[18]。Bond[19]認為,破碎是從巖石發生形變開始,產生裂縫擴展而形成的。而煤矸石中煤與石的層理面和節理面間結合力弱總是優先產生裂縫,進而優先破碎,也就說明煤矸石破碎的選擇性發生在煤與石結合力弱環節[20-22]。圖2和圖4中的+9.5~16 mm粒級的灰分比左右粒級低是因為存在“石包煤”的情況,煤矸石中的石包煤如圖6所示。

        圖6 煤矸石中的石包煤

        3.1.2 煤矸石破碎各粒級發熱量變化規律研究

        將上述煤矸石分別測定其發熱量以研究各粒級灰分與發熱量的關系,圖7~圖10表示破碎后各粒級灰分與發熱量的關系。 TLXG鄂式破碎灰分與發熱量如圖7所示,TLXG+16 mm粒級鄂式破碎灰分與發熱量如圖8所示;TLHG錘式破碎灰分與發熱量如圖9所示,TLHG+9.5~16 mm錘式破碎灰分與發熱量如圖10所示。

        圖7 TLXG鄂式破碎灰分與發熱量

        圖8 TLXG+16 mm鄂式破碎灰分與發熱量

        圖9 TLHG錘式破碎灰分與發熱量

        由圖7~圖10可以看出,破碎后各粒級的煤矸石灰分與熱值呈負相關,無論是鄂式破碎還是錘式破碎,煤矸石破碎后各粒級的灰分與發熱量的關系呈現相同的分布規律,粒級越小、灰分越低,含煤越多、發熱量越高;粒級越粗、灰分越高,含煤越少、發熱量越低(存在石包煤的情況除外)。TLXG經破碎后可分出部分高位熱值為最高達13.22 kJ/g的煤,TLHG經破碎后可分出部分高位熱值為最高達7.06 kJ/g的煤,均可作為矸石電廠的燃料。這說明屯蘭煤矸石通過破碎分級分質能將煤矸石中不同組分進行分離和富集而分別加以利用,這對于充分回收矸石中的煤炭資源同時減少煤矸石的排放具有重要意義。

        圖10 TLHG+9.5~16 mm錘式破碎灰分與發熱量

        3.2 煤矸石多重破碎分級分質研究

        3.2.1 煤矸石多重破碎分級分質規律的研究

        考慮到屯蘭煤矸石以混矸的方式排放到矸石山上,用前文提到的方法,先將屯蘭混合排放的煤矸石進行預破碎,將試驗時煤矸石的入料粒度定為-80 mm。然后對TLHG分別用鄂式破碎機和錘式破碎機進行多重破碎分級,破碎分析結果見表3和表4。

        表3 TLHG鄂式多重破碎結果

        粒級/mm破碎1次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)破碎2次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)-0.604.5067.039.326.5268.608.49+0.60~1.182.7472.216.534.0672.316.58+1.18~2.363.3572.876.336.4472.756.47+2.36~4.756.6073.876.1310.2373.786.21+4.75~9.5013.6276.913.8318.5074.515.64+9.50~16.0013.9575.535.2016.8177.173.71+16.0055.2476.683.9737.4478.553.26粒級/mm破碎3次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)破碎4次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)-0.608.5269.218.0216.4670.517.70+0.60~1.185.3972.906.269.7673.846.17+1.18~2.368.1774.595.8210.6374.285.80+2.36~4.7514.6774.055.9018.7175.394.97+4.75~9.5026.6776.054.6634.8376.653.90+9.50~16.0023.6978.083.466.5183.322.13+16.0012.8980.212.983.1085.151.82

        表4 TLHG錘式多重破碎結果

        粒級/mm破碎1次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)破碎2次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)破碎3次產率/%灰分/%高位熱值/(kJ·g-1)-0.622.4768.208.5125.1169.897.7726.7770.537.13+0.6~1.1813.8373.096.1414.9673.476.1815.9473.516.29+1.18~2.3617.4476.533.9919.3175.674.6120.2176.284.28+2.36~4.7539.6078.463.1636.2678.473.1833.9879.033.12+4.756.6680.822.674.3682.652.493.1084.122.01

        從表3和表4可以看出,屯蘭煤矸石經過鄂式和錘式多重破碎和篩分分級后,每次破碎結果均呈現粒度越小發熱量越高、粒度越大發熱量越低的分布規律。通過多重破碎,煤矸石中的煤與石結合力弱的解理面與節理面逐次破碎,煤進一步向細粒級富集,而石由于硬度大而難以破碎,向粗粒級富集。原煤矸石經過4次鄂式破碎后最小粒級-0.6 mm的最高發熱量為7.70 kJ/g,表明高熱值的煤逐步向細粒級富集,而最粗粒級+16 mm的最低發熱量僅為1.82 kJ/g,灰分達85.15%,高灰分的石逐步向粗粒級富集,表明通過多重鄂式破碎逐步可以對煤矸石進行分級分質,將煤矸石中的煤和石梯級分開;同樣,經過3次錘式破碎后最小粒級-0.6 mm的最高發熱量為7.13 kJ/g,是煤最富集的粒級,而最粗粒級+4.75 mm的最低發熱量為2.01 kJ/g,灰分高達84.12%,是石最富集的粒級。這說明通過多重破碎,煤逐步向細粒級富集,而石難破碎,逐步在粗粒級富集,同時也表明多重破碎具有將煤矸石中的煤和石選擇性梯級分離的效果[23-25]。煤矸石通過多重破碎能分出高位發熱量在7.13~7.70 kJ/g的煤作為矸石電廠的燃料,而分出灰分高達83%以上、產率36%左右的石可作為路面集料。

        3.2.2 多重破碎矸石集料性質的評定

        為了評定多重破碎高灰分矸石作為骨料的可行性[26-27],通過測定煤矸石作為集料有關壓碎值等指標并與砂石集料進行比較,煤矸石集料與砂石集料基本物理性能比較見表5。

        表5 煤矸石集料與砂石集料基本物理性能比較

        類別壓碎值/%針片狀顆粒含量/%基層底基層基層底基層吸水率/%表觀密度/(g·cm-3)瀝青混凝土路面粗集料高速公路和一級公路極重、特重交通重、中、輕交通二級及二級以下公路Ⅰ類≤22a≤30≤18-Ⅱ類≤22≤26≤18≤20Ⅰ類≤26≤30≤22-Ⅱ類≤26≤26≤18≤20Ⅰ類≤35≤40--Ⅱ類≤30≤35≤20≤20<2.00>2.60<3.00>2.50<3.00>2.45原煤矸石38.5428.83.232.41高灰分煤矸石28.419.32.592.54

        注:a對花崗巖石料,壓碎值可放寬至25%

        目前路面混凝土集料主要是用天然砂石集料。根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)粗集料的有關技術要求,對于高速公路和一級公路對粗集料的壓碎值等指標的要求非常高,因集料的用途不同而要求不同。對于極重和特重交通公路的瀝青混凝土路面要求作基層的Ⅰ類和Ⅱ類集料壓碎值≤22%,針片狀顆粒含量Ⅰ類和Ⅱ類集料≤18%,Ⅰ類集料的吸水率<2.00%,要求表觀密度>2.60 g/cm3,Ⅱ類集料吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3。對于極重和特重交通公路路面對作底基層集料的要求稍低,Ⅰ類集料要求壓碎值≤30%,吸水率<2.00%,要求表觀密度>2.60 g/cm3;Ⅱ類集料要求壓碎值≤26%,針片狀顆粒含量≤20%,吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3。重、中、輕交通公路作基層Ⅰ類集料壓碎值≤26%,Ⅰ類集料針片狀顆粒含量≤22%,吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3;Ⅱ類集料壓碎值≤26%,針片狀顆粒含量≤18%,吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3。對于作底基層的Ⅰ類集料壓碎值≤30%,針片狀顆粒含量不要求,吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3;Ⅱ類集料壓碎值指標≤26%,針片狀顆粒含量≤20%,吸水率<3.00%,要求表觀密度>2.50 g/cm3。瀝青混凝土路面二級及二級以下公路對作基層Ⅰ類粗集料壓碎值≤35%,針片狀顆粒含量不要求,吸水率<3.00%,要求表觀密度<2.45 g/cm3;Ⅱ類集料壓碎值≤30%,針片狀顆粒含量≤20%,吸水率和表觀密度不作要求。瀝青混凝土路面二級及二級以下公路對作底基層Ⅰ類粗集料壓碎指標≤40%,針片狀顆粒含量不要求,吸水率<3.00%,要求表觀密度<2.45 g/cm3;Ⅱ類集料壓碎值≤35%,針片狀顆粒含量≤20%,吸水率和表觀密度不作要求。

        由表5可以看出,原煤矸石除壓碎值指標滿足二級及二級以下公路作底基層Ⅰ類粗集料的要求外(壓碎值≤40%),其它指標均不滿足作瀝青路面二級及二級以下公路作底基層的要求,而經選擇性破碎分級分質后的高灰分煤矸石壓碎值等指標雖不符合作為高速公路和一級公路路面二級及二級以下集料的部分要求,但可以滿足作為瀝青混凝土路面粗集料的指標要求,這對于煤矸石制砂石骨料具有重大現實意義。

        4 結論

        (1)由于煤矸石中煤與石的硬度不同,煤矸石在破碎過程中發生選擇性破碎,破碎后煤向細粒級富集,而石向粗粒級富集。

        (2)屯蘭煤矸石經過鄂式和錘式多重破碎和篩分分級后,每次破碎結果均表現粒度越小,灰分越低,發熱量越高;粒度越大,灰分越高,發熱量越低的分布規律。

        (3)煤矸石的選擇性破碎優先在煤矸石層理面與節理面發生。

        (4)煤矸石通過選擇性破碎進而能對煤矸石進行分級分質,一次性破碎能分出熱值最高達7.06~13.21 kJ/g矸石電廠燃料的煤,而多重破碎能分出的電廠燃料7.13~7.70 kJ/g,這對于煤矸石的加工利用和回收煤炭資源具有重要意義。

        (5)煤矸石的多重破碎具有顯著的分級分質效果。通過多重破碎,灰分73%以上的屯蘭煤矸石能制備出灰分高達83%以上、產率36%左右、壓碎值低于30%的砂石骨料,這對于煤矸石建材化的大宗利用和解決屯蘭煤矸石的排放具有重要意義。

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        Study on the grading and quality-separating processing and utilization of coal gangue

        XU Zesheng, CHEN Jiarui, WANG Senbiao, LI Xiaodong,SHU Yuanfeng, LI Jun, SHU Xinqian

        (School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), 100083, China)

        Abstract The grading and quality-separating processing and utilization of coal gangue was one of the effective methods to solve its bulk utilization. Based on the previous research on the selective crushing of coal and gangue, taking coal gangue from Tunlan Coal Mine of Shanxi Coking Coal Group as the object, the grading and quality-separating utilization of coal gangue was studied, especially the distribution law of coal and rock after coal gangue crushing was studied systematically. It was found that after the coal gangue was broken, the coal enriched to the fine-grained level, while the gangue enriched to the coarse-grained level. After multiple crushing and screening grading of coal gangue from Tunlan Coal Mine by jaw and hammer crush, it showed the distribution law that the smaller particle size, the lower ash content and higher calorific value; the larger particle size, the higher ash content and lower calorific value. Selective crushing of coal gangue took place preferentially on the bedding plane and joint plane of coal gangue. Through selective crushing, the gangue power plant fuel with high calorific value of 7.06~13.22 kJ/g could be obtained by one-time crushing, grading and quality-separating, while multiple crushing had significant grading and quality-separating effect, and could separate gangue power plant fuel with high calorific value of 7.13~7.71 kJ/g, at the same time, sand aggregate with ash content of more than 83%, yield of about 36% and crushing value of less than 30% could be prepared, which was of great significance for the bulk utilization of coal gangue as building materials and solving the discharge of coal gangue from Tunlan Coal Mine.

        Key words coal gangue; selective crushing; grading and quality-separating; distribution rules

        中圖分類號 TQ536.91

        文獻標志碼 A

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        引用格式:許澤勝,陳佳蕊,王森彪,等. 煤矸石分級分質加工與利用的研究[J].中國煤炭,2021,47(11):61-68.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.11.010

        XU Zesheng,CHEN Jiarui,WANG Senbiao, et al. Study on the grading and quality-separating processing and utilization of coal gangue[J]. China Coal, 2021,47(11):61-68. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.11.010

        基金項目:國家重點研發計劃資助(2020YFC1806504,2019YFC1904601)

        作者簡介:許澤勝(1964-),男,湖北武漢人,副教授,主要從事礦物加工及固廢處理與場地污染治理方面的研究。E-mail:xzs@cumtb.edu.cn

        (責任編輯 王雅琴)

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