薛彦辉,薛大兵,崔涛(山东科技大学化学与环境工程学院,山东青岛266510)
第一作者简介:薛彦辉(1963-),山东临沂人,毕业于成都理工大学,本科,副教授,主要从事环境工程与环境科学教学与研究。
煤矸石是煤炭生产过程中产生的固体废物。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,矸石排放量很大,约为原煤产量的15%~20%,是我国目前排放量最大的工业固体废物之一,被视为气、液、固三害俱全的“工业废料”。目前全国煤矸石的总积存量己达40亿t以上,形成矸石山1 500多座,而且排放量仍在逐年增长几乎成为我国煤矿的“标志”。给我国环境造成很大压力[1,2]。
矸石组成变化范围大,成分复杂,主要由页岩、泥岩类、砂岩、灰岩及煤粉组成,矿物成分主要由粘土矿物、石英、方解石、硫及铁矿碳质等组成。煤矸石的化学组成除含有碳外,一般以氧化物为主,如SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等,其中SiO2和Al2O3占较大比例,此外还有常量组分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。其主要化学成分[3]见表1。
产品白炭黑是白色粉末状,化学名称为水合无定形二氧化硅,是一种重要的精细无机化工产品,为高度分散的无定形粉末,在橡胶、乳胶、塑料、农药、化妆品、油漆油墨、造纸、饲料、肥料等行业具有广泛的应用。氢氧化铝是一种理想的塑料阻燃剂填充料,具有填充、阻燃、消烟三大功能,也是化工工业的重要填料及铝盐的重要原料。
1试验部分
煤矸石与酸浸液按比例在一定条件下反应一段时间后会在吸收液中产生白色不溶物,将其分离,清洗至中性,干燥后即得白炭黑,吸收液可重复利用。残渣分离后,液体部分经过中和、过滤、烘干即可得到副产物氢氧化铝;固体部分加碱反应可得到偏硅酸钠[4]。工艺流程图如图1。
1.1条件试验
试验除了研制一种可以分解煤矸石的催化剂以外,试验的主要内容是如何获得硅系产品和铝系产品。实验选用固液比、反应温度、反应时间等因素作为操作参数,重点考察了它们对煤矸石分解率的影响,以得出最佳酸浸反应条件。
(1)不同配比下温度对分解率的影响见图2所示。
(2)不同温度下液固比对分解率的影响见图3所示。
(3)反应时间对分解率的影响见图4所示:
1.2应用试验
取兖州矿区、新汶矿区、鲁矿集团矿区、草埠煤矿矿区、阜新矿区五个地方煤矸石样品用本方法做应用试验,验证本方法在具体应用时的效果。测定其组成含量如表2,测定结果如表3。
2试验结果与讨论通过对以上数据分析得到:当酸浸反应温度在130℃时,分解率最高,反应效果最好。当所加酸量越大,最后所剩残渣量越少,分解率越高,但当配比增加到2∶14以上时,再增加酸浸液氟硅酸的量对分解率的影响不大。反应时间在90 min内即可达到良好的反应效果。酸溶时加盐酸调pH< 1时可去除几乎所有的硫酸钙。
从以上数据可看出:各矿区煤矸石的硅和铝的浸出率和提取率均较高,说明本方法具有普遍适用性,是我国煤矸石处理十分有效的资源化利用方法。
3结论
本工艺与传统工艺相比具有以下优点:
(1)无需焙烧,煤矸石在低温下(130℃)即可反应,能耗低。
(2)投入产出比高,产品附加值高,性能好,市场前景好。
(3)酸浸液作为催化剂可以回收,循环使用降低了生产成本。
(4)吸收法中煤矸石的浸出率高达95%99%,提高了煤矸石资源的利用率。
(5)本工艺产品全部回收,没有废渣,酸浸应后的固体残渣含碳量大于80%,可直接作为煤本厂利用或高价出售。
本文研究对扩大煤矸石的综合利用有很大指导意义,如果能够工业投产,将消耗掉大量煤石,减轻煤矸石对环境的压力,具有很大的市场展潜力。
参考文献:
[1]屈连忠.煤矸石综合利用技术[J].煤矿环境保护,1997(0141~46.
[2]姜军,程建光.新汶矿区煤矸石的环境效应及源头综合治[J].煤矿环境保护,2001,(04):32~34.
[3]贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京:化学工业出版社2004:15~30.
[4]边炳鑫,解强,赵由才.煤系固体废物资源化技术[M].北京化学工业出版社.2004:30~45.
