薛彥輝,薛大兵,崔濤(山東科技大學化學與環境工程學院,山東青島266510)
第一作者簡介:薛彥輝(1963-),山東臨沂人,畢業于成都理工大學,本科,副教授,主要從事環境工程與環境科學教學與研究。
煤矸石是煤炭生產過程中產生的固體廢物。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國,矸石排放量很大,約為原煤產量的15%~20%,是我國目前排放量最大的工業固體廢物之一,被視為氣、液、固三害俱全的“工業廢料”。目前全國煤矸石的總積存量己達40億t以上,形成矸石山1 500多座,而且排放量仍在逐年增長幾乎成為我國煤礦的“標志”。給我國環境造成很大壓力[1,2]。
矸石組成變化范圍大,成分復雜,主要由頁巖、泥巖類、砂巖、灰巖及煤粉組成,礦物成分主要由粘土礦物、石英、方解石、硫及鐵礦碳質等組成。煤矸石的化學組成除含有碳外,一般以氧化物為主,如SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等,其中SiO2和Al2O3占較大比例,此外還有常量組分C、Si、Na、K、Ca、Pb、Be、Cu、Mn、As、Zn、Cr、Cd、Ni、Mg、S、Fe等以及Ba、Se、Hg、F等。其主要化學成分[3]見表1。
產品白炭黑是白色粉末狀,化學名稱為水合無定形二氧化硅,是一種重要的精細無機化工產品,為高度分散的無定形粉末,在橡膠、乳膠、塑料、農藥、化妝品、油漆油墨、造紙、飼料、肥料等行業具有廣泛的應用。氫氧化鋁是一種理想的塑料阻燃劑填充料,具有填充、阻燃、消煙三大功能,也是化工工業的重要填料及鋁鹽的重要原料。
1試驗部分
煤矸石與酸浸液按比例在一定條件下反應一段時間后會在吸收液中產生白色不溶物,將其分離,清洗至中性,干燥后即得白炭黑,吸收液可重復利用。殘渣分離后,液體部分經過中和、過濾、烘干即可得到副產物氫氧化鋁;固體部分加堿反應可得到偏硅酸鈉[4]。工藝流程圖如圖1。
1.1條件試驗
試驗除了研制一種可以分解煤矸石的催化劑以外,試驗的主要內容是如何獲得硅系產品和鋁系產品。實驗選用固液比、反應溫度、反應時間等因素作為操作參數,重點考察了它們對煤矸石分解率的影響,以得出最佳酸浸反應條件。
(1)不同配比下溫度對分解率的影響見圖2所示。
(2)不同溫度下液固比對分解率的影響見圖3所示。
(3)反應時間對分解率的影響見圖4所示:
1.2應用試驗
取兗州礦區、新汶礦區、魯礦集團礦區、草埠煤礦礦區、阜新礦區五個地方煤矸石樣品用本方法做應用試驗,驗證本方法在具體應用時的效果。測定其組成含量如表2,測定結果如表3。
2試驗結果與討論通過對以上數據分析得到:當酸浸反應溫度在130℃時,分解率最高,反應效果最好。當所加酸量越大,最后所剩殘渣量越少,分解率越高,但當配比增加到2∶14以上時,再增加酸浸液氟硅酸的量對分解率的影響不大。反應時間在90 min內即可達到良好的反應效果。酸溶時加鹽酸調pH< 1時可去除幾乎所有的硫酸鈣。
從以上數據可看出:各礦區煤矸石的硅和鋁的浸出率和提取率均較高,說明本方法具有普遍適用性,是我國煤矸石處理十分有效的資源化利用方法。
3結論
本工藝與傳統工藝相比具有以下優點:
(1)無需焙燒,煤矸石在低溫下(130℃)即可反應,能耗低。
(2)投入產出比高,產品附加值高,性能好,市場前景好。
(3)酸浸液作為催化劑可以回收,循環使用降低了生產成本。
(4)吸收法中煤矸石的浸出率高達95%99%,提高了煤矸石資源的利用率。
(5)本工藝產品全部回收,沒有廢渣,酸浸應后的固體殘渣含碳量大于80%,可直接作為煤本廠利用或高價出售。
本文研究對擴大煤矸石的綜合利用有很大指導意義,如果能夠工業投產,將消耗掉大量煤石,減輕煤矸石對環境的壓力,具有很大的市場展潛力。
參考文獻:
[1]屈連忠.煤矸石綜合利用技術[J].煤礦環境保護,1997(0141~46.
[2]姜軍,程建光.新汶礦區煤矸石的環境效應及源頭綜合治[J].煤礦環境保護,2001,(04):32~34.
[3]賀永德.現代煤化工技術手冊[M].北京:化學工業出版社2004:15~30.
[4]邊炳鑫,解強,趙由才.煤系固體廢物資源化技術[M].北京化學工業出版社.2004:30~45.
