煤矸石分級分質(zhì)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(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

0 引言

煤矸石是我國排放量最大的工業(yè)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(zhì)的基礎研究，對其分級分質(zhì)利用研究尤為重要[3]。利用對環(huán)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(fā)現(xiàn)樣品中不同粒級的煤矸石均發(fā)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(nèi)可實現(xiàn)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(zhì)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(zhì)的巖類優(yōu)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(cè)重于煤和矸石力學性質(zhì)對煤和煤矸石選擇性破碎的影響，并未系統(tǒng)地分析和研究煤矸石破碎過程中各粒級的灰分分布和發(fā)熱量的關系，尤其是多重破碎后煤矸石中煤與石分級分質(zhì)效果和分布規(guī)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(guī)律以及煤矸石多重破碎分級分質(zhì)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(zhì)進行分析。

1.1 化學成分分析

屯蘭煤矸石XRF分析結(jié)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(jié)果 %

1.2 發(fā)熱量與工業(yè)分析

屯蘭煤矸石工業(yè)與發(fā)熱量分析見表2。

表2 屯蘭煤矸石工業(yè)與發(fā)熱量分析

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(zhì)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(zhì)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(zhì)量，g；

G2——壓碎試驗后篩余的試樣質(zhì)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(jīng)過破碎后各粒級灰分和發(fā)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(guī)律。煤矸石分選后，煤的特征用發(fā)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(guī)律的研究

3.1 煤矸石單次破碎分級煤與石的分布規(guī)律研究

3.1.1 煤矸石單次破碎各粒級產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)率與灰分的關系如圖3所示； TLHG錘式破碎后各粒級產(chǎn)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(chǎn)率與灰分的關系如圖5所示。

圖2 TLXG鄂式破碎產(chǎn)率與灰分

圖3 TLXG+16 mm粒級鄂式破碎產(chǎn)率與灰分

圖4 TLHG錘式破碎產(chǎn)率與灰分

圖5 TLHG+9.5～16.00 mm錘式破碎產(chǎn)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(xiàn)類似規(guī)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(shù)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(xiàn)類似規(guī)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(yōu)先在煤與石的層理面和節(jié)理面的結(jié)合力簿弱環(huán)節(jié)發(fā)生[18]。Bond[19]認為，破碎是從巖石發(fā)生形變開始，產(chǎn)生裂縫擴展而形成的。而煤矸石中煤與石的層理面和節(jié)理面間結(jié)合力弱總是優(yōu)先產(chǎn)生裂縫，進而優(yōu)先破碎，也就說明煤矸石破碎的選擇性發(fā)生在煤與石結(jié)合力弱環(huán)節(jié)[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(fā)熱量變化規(guī)律研究

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

圖7 TLXG鄂式破碎灰分與發(fā)熱量

圖8 TLXG+16 mm鄂式破碎灰分與發(fā)熱量

圖9 TLHG錘式破碎灰分與發(fā)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(fā)熱量的關系呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，粒級越小、灰分越低，含煤越多、發(fā)熱量越高；粒級越粗、灰分越高，含煤越少、發(fā)熱量越低(存在石包煤的情況除外)。TLXG經(jīng)破碎后可分出部分高位熱值為最高達13.22 kJ/g的煤，TLHG經(jīng)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(zhì)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(fā)熱量

3.2 煤矸石多重破碎分級分質(zhì)研究

3.2.1 煤矸石多重破碎分級分質(zhì)規(guī)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(jié)果見表3和表4。

表3 TLHG鄂式多重破碎結(jié)果

表4 TLHG錘式多重破碎結(jié)果

從表3和表4可以看出，屯蘭煤矸石經(jīng)過鄂式和錘式多重破碎和篩分分級后，每次破碎結(jié)果均呈現(xiàn)粒度越小發(fā)熱量越高、粒度越大發(fā)熱量越低的分布規(guī)律。通過多重破碎，煤矸石中的煤與石結(jié)合力弱的解理面與節(jié)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(jīng)過4次鄂式破碎后最小粒級-0.6 mm的最高發(fā)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(fā)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(zhì)，將煤矸石中的煤和石梯級分開；同樣，經(jīng)過3次錘式破碎后最小粒級-0.6 mm的最高發(fā)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(zhì)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

目前路面混凝土集料主要是用天然砂石集料。根據(jù)《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(jīng)選擇性破碎分級分質(zhì)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(xiàn)實意義。

4 結(jié)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(fā)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(jīng)過鄂式和錘式多重破碎和篩分分級后，每次破碎結(jié)果均表現(xiàn)粒度越小，灰分越低，發(fā)熱量越高；粒度越大，灰分越高，發(fā)熱量越低的分布規(guī)律。

(3)煤矸石的選擇性破碎優(yōu)先在煤矸石層理面與節(jié)理面發(fā)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(zhì)，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(zhì)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(chǎn)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。