煤矸石提取氧化铝工艺设计

煤系固体废弃物（煤矸石）处理工艺设计

煤系固体废弃物主要成分为煤矸石、粉煤灰和锅炉渣。煤矸石的来源于煤的开采、加工过

程。粉煤灰和锅炉渣来源于煤的利用过程(火力发电)。本工艺设计主要针对煤矸石的资源化处理。

一、煤矸石的来源

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排出的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。它包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。一般每采1t原煤排出矸石0.2t左右。

煤矸石是指煤矿在建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中排出的含碳岩石及岩石，是指煤矿建设生产过程中所排放出的固体废弃物的总称。煤矸石的来源主要有以下三个方面

（1）岩石巷道掘进时产生的煤矸石，通常称为原矿石，占煤矸石的60%-70%。主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩、石灰岩等。

（2）采煤过程中从顶板、底板和夹在煤层中的岩石夹层里所产生的煤矸石，占煤矸石的10%-30%。煤层顶板常见的岩石包括泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩；煤层底板的岩石多为泥岩、页岩、黏土岩、粉砂岩；煤层夹肝的岩石有黏土岩、碳质泥岩、粉砂岩、砂岩等。

（3）煤炭分选或洗选过程中产生的煤矸石，又被称为洗矸石，约占煤矸石的5%。其中主要由煤层中的各种夹石如高岭石、黏土岩、黄铁矿等组成。

二、煤矸石的特性

2.1 煤矸石的组成

煤矸石的组成有有机物（含碳物）和无机物（岩石物质）组成的混合物。一般，煤矸石的热值：837~418KJ/kg。

煤矸石的化学组成，%

主要矿物包括高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝等。 2.2 煤矸石的外观特征和显微结构

2.2.1 外观特征碳质页岩为黑色或黑灰色，层状结构，表面有油脂光泽，不完全理解，不规则块状，断面参差，易碎，滴入稀盐酸有小气泡缓慢放出。

泥质页岩为黄灰色或黑褐色，土状光泽，有松疏的黑色小粒，片状结构，不完全理解，质软性脆，不规则块状，易碎，滴入稀盐酸不起反应。

砂质页岩为深灰色或灰白色，腊状光泽，结构较泥质、碳质页岩粗糙坚硬，组成均一，沿层理有草叶状条痕，极不全完解理，滴入稀盐酸有气泡放出，还有铁锈斑点。 2.2.2显微结构

碳质页岩以不透明黑色矿物为主，有少量石英和粘土矿，泥质页岩以石英为主，有一定量的不透明黑色矿物和少量云母；砂质页岩主要是石英和云母，还有一定量的不透明矿与碳酸盐矿物，石英颗粒较粗。碳质页岩和泥质页岩在出煤井时含有较多的碳质，往往还含有胶质有机物、树脂，孢子以及其他植物残体，随着含量的增加岩石颜色加深，经长期堆积，内部发热自燃，大部分已起一定煅烧作用，使表面形成一层很厚的硫酸铝或其他复盐。砂质岩出井煤时，块度较其他页岩大，难粉碎，不自燃，难风化。 2.3 煤矸石的物理特性

1、可塑性

煤矸石必须经细碎后才有塑性，矸石中砂岩塑性较页岩差。混合矸石经粉碎至250目筛筛余>2%时,其可塑指标可达2.8~3相应含水率为23~25%,如果进一步细碎至300目筛筛余<2%,则塑性会更大.

2、粘度

随矸石的颗粒的比表面增大,矸石泥团基本可以塑性成型时,泥浆粘度在1.1左右,可用于注浆成型.

3、真比重和硬度

煤矸石中的砂岩的真比重和硬度较页岩的大,所以,各地矸石硬度差异很大,含页岩多的矸石硬度在2~3,含砂岩多的矸石在4~5之间.混合矸石的真比重一般在2.6左右,其安息角在40~50度间.

4、 收缩性

煤矸石塑性低,收缩也就较小,一般线收缩在2.5~3%.烧结后的线收缩在2.2—2.4%,相应吸水率在17~19%. 5、烧结温度范围

煤矸石的烧结温度一般在1050 左右.900 左右为一次膨胀,1120 至1160 时收缩最小,温度继续上升至1160 以上时产生二次膨胀,由固相转为固掖相或完全融熔 6、 脱碳温度

煤矸石的脱碳温度一般总是低于最佳烧结温度,最佳脱碳温度常发生在1000 上下,最低脱碳时间为200—250分钟;在整个脱碳过程中,应保持氧化气氛. 7、 耐火度

煤矸石属于中低耐火材料,一般耐火度在1300~1350,这主要取决于化学组成,从相图角度看,若含 和 高则熔点高,若含碱金属和碱土金属高则熔点就低.

三、煤矸石的危害

煤矸石露天堆放，侵占大量土地；矸石堆易坍塌形成重力灾害；其淋滤液携带有害可溶物，可污染水环境、土壤环境；矸石堆扬尘或自燃又污染了大气环境。 3.1 矸石占地

矸石堆多位于井口附近，紧邻居民区，侵占大量耕地、林地、居民地和工矿用地，破坏地质地貌景观。

3.2 矸石堆引发重力灾害

矸石堆自然安息角为38°～40°，在人为开挖和降雨淋滤作用下，易失稳引发重力灾害，如渣石流、坍塌等。 3.3 矸石堆淋滤液污染水环境

破坏土壤的有机养分煤矸石对土壤的污染除了占用土地以外，还表现为使土地盐渍化以及破坏土壤的有机养分，影响农作物的生长。煤矸石在风化过程中可分解成部分可溶盐，如Co、SO2、Mg+、Ca+、K+或Na+等，当这些可溶盐浸入土壤，将导致土壤盐渍化。另外，煤矸石中含有有害重金属，经过雨淋之后会渗入土壤，增加了土壤中重金属的含量，从而破坏土壤中的有机养分。

四、煤矸石的主要处理途径

根据我国各地煤矸石组成的特点，我国煤矸石主要用于发电、肥料、建筑材料、化工原料等。 4.1 发电

煤矸石中含有部分碳和其他可燃物，可以被用作燃料使用。但是由于一般煤矸石中可燃物的含量比较低，发热量大约在1000- 3000kcal/kg 之间。其作为一种低热值燃料，利用其发电时一般采用循环流化床锅炉燃烧技术。该锅炉在燃烧时，由炉底鼓风

机向炉膛进风使破碎成颗粒的煤粒呈悬浮状态，形成流化床。煤可在炉内与空气充分混合，强化了燃烧和传热。一般来说，热值大于4200kJ/kg 的煤矸石通过洗选后可作为燃料直接利用， 热值高于6270kJ/kg 的煤矸石可而直接作为燃料燃烧供电。 4.2 化工原料

煤矸石中所含的化合物种类较多，以SiO2 和Al2O3 的含量最高。其主要化工利用途径是通过各种方法，提取其中化学元素，生产硅铝材料。含铝较高的煤矸石，化工产品主要有硫酸铝、结晶氯化铝、聚合氯化铝、4A 沸石等。 4.3 建筑材料

我国利用煤矸石来制造建筑材料普遍。用其制成的建材强度高、质量轻、吸水率小、稳定性好。因为其本身含可燃物，用来代替粘土制砖，减小了能源消耗。从建筑材料的发展趋势来看，煤矸石制造空心砖前景更为广阔。 4.4 肥料

矸石含有10%- 20%的有机质和多种植物生长所需的B、Zn、Cu、Mn、Mo 等微量元素。部分煤矸石中的氮、磷、钾和微量元素含量是普通土壤的数倍，可生产有微生物和机肥肥料。煤矸石有机肥一般采用化学活化法制成，将有机质含量较高的矸石磨成

粉末后与过磷酸钙按照一定的比例混合，加入活化添加剂，搅拌，加入适量水，堆肥活化。还可以在其中加入氨，钾和微量元素等制成复合肥料。煤矸石肥料可增加土壤的透气性、疏松性、改善土壤的团粒结构，提高土壤肥力。 4.5 利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦

煤矸石可以被用作充填采煤沉陷区，填筑沉陷的公路、铁路路基、堤坝等，而向沉陷区直接排矸与向矸石山排矸相比，并不增加费用，在经济上是可行的。用煤矸石填埋后的塌陷地，可以用作建筑用地，也可以在其上覆土还田，直接种植农作物。这样可以同时解决矿区塌陷地和煤矸石造成的生态问题。这些大批量处理矸石的方法，是解决矸石污染的有效途径之一。这种方法在平原矿区，如河北、河南、两淮等地已有20 多年的应用历史。如：开滦煤矿从1989 年起即用煤矸石填坑造地，并进行复土和种植试验，3 年共复土35 万m3 以上， 造地28.7hm2；阳泉矿与郊区富山村合作进行填矸造地6.67hm2，价值达500 万元，利用煤矸石达60 万吨，现已进行耕种绿色植物试验，并被列为山西省的示范项目。 4.6 比较常见的资源化流程图 4.6.1 煤矸石制固体聚合氯化铝

4.6.2 煤矸石制聚硅酸铝混凝剂

五、煤矸石资源化处理工艺设计

5.1 工艺设计流程图

由于煤矸石中有大量的氧化铝，因此，现行的常规处理煤矸石的工艺过程中，通常是先将其中的氧化铝提炼出来，再将提取后的废渣根据各组分的不同含量来决定作建筑材料、农用肥料。因此针对课题要求：每天2t；无二次污染，我选择以下的工艺流程作为煤矸石资源化处理工艺设计：

中和搅拌槽中的反应方程式：

NH3?H2O???NH4OHAl2(SO4)3?(NH4)2SO4???2NH4Al(SO4)22NH4Al(SO4)2?3NH4OH???Al(OH)3?2(NH4)2SO45.2 工艺设计中细节

5.2.1 滤液中和

由于煤矸石中含有少量的氧化铁，在提取氧化铝过程中会对氧化铝的纯度以及产量照成影响，因为三价铁在PH为2时开始水解，所以在流程中滤液中和这一步可以除去大部分的三价铁。

5.2.2 残渣的利用

第三步中过滤出的残渣可以用作建筑材料的制作。

六、工艺过程步骤详解

6.1 破碎

6.1.1 破碎目的

破碎是预处理，是为了后面的处理更加有效率已经反应更完全。

1.使矿石中有用成分解离，从地壳中开釆出来的矿物原料，或因有用成分含量过低，或因几种有用成分与杂质共生，或因粒度不合要求,通常不能直接使用。只有用煤矸石粉碎机将其充分粉碎，使有用成分与杂质充分解离，才能经选矿等一系列的加工处理，剔除杂质，提高有用成分