通過分級預處理降低煤矸石山自燃的技術研究

趙寶龍

(山西沁新能源集團股份有限公司煤轉化技術研發中心，長治 046500)

0 引 言

煤矸石是煤在形成過程中與煤共同沉積的以無機化合物為主的混合體，主要成分為硅、鋁、鈣、鎂、鐵的復雜氧化物，從礦井中采掘出的原煤經過洗選加工后將煤矸石分離，分離后的煤矸石作為固體廢棄物進行露天堆積處理，對環境造成了較大的污染，特別是近年來開采的優質煤種的原煤含矸量增加，部分洗選產生的煤矸石量占到原煤的30%～40%，甚至更高，導致選煤排矸量巨大，特別是當煤煤矸石的硫分過高時，矸石中所含的硫化鐵等成分與空氣中的氧氣發生化學反應不斷散發熱量，聚集的熱量將洗選過程中殘留在煤矸石殘留的有機碳質可燃物引燃，最終造矸石山的自燃，釋放出大量SO2、CO、H2S等有害氣體，對周邊的大氣環境造成污染，同時有發生火災的危險[1]。

對于矸石山自燃后除滅火方法，常用的有噴漿灌注、深部注漿和推平壓實等方法，但由于自燃矸石山的高溫區位于內部，造成滅火困難。為了提高治理矸石山自燃的主動性，從煤矸石的源頭進行治理，按照“以防為主，防治結合”的原則，對排入矸石山的煤矸石進行預處理，通過降低煤矸石中的硫鐵礦含量防止煤矸石自燃[2]。

1 煤矸石山自燃原因分析

造成煤矸石山自燃的原因有很多，其中有黃鐵礦氧化學說、煤-氧復合物導因學說、細菌作用學說、晶核理論與自由基作用學說和揮發分學說等，下面為黃鐵礦氧化學說和煤-氧復合物導因學說的主要觀點為研究內容[3]。

(1)煤-氧復合物導因學說：由于煤矸石是煤炭在洗選過程中分離出的產物，受洗選效率和洗選精度的限制，洗選后產生的煤矸石會夾帶部分灰分較高的煤(精煤和中煤)，并且煤矸石在與煤共同沉積過程中本身也含有部分可燃有機碳，測定灰分80%以上的煤矸石發熱量在800大卡左右，說明煤矸石可與氧氣在一定條件下反應會釋放出熱量，當外界條件適宜時，由于煤吸附空氣中的氧氣后發生氧化放熱，熱量不能及時釋放，達到自燃著火點后導致矸石山發生自燃。

(2)黃鐵礦氧化學說：對于高硫原煤洗選后產生的煤矸石，當高硫煤中的硫是以有無機硫(硫鐵礦)為主時，洗選后大量的硫會進入煤矸石，在一定條件下，煤矸石中的硫化鐵會與空氣中的氧氣發生氧化反應而釋放出大量熱，在矸石山內部熱量不能及時有效的釋放，當熱量聚集到一定程度后達到煤的著火點后點燃了矸石中的殘留有機可燃物造成矸石山的自燃。

2 不同硫分矸石的篩分試驗分析

依據黃鐵礦氧化學說和煤-氧復合物導因學說的觀點進行分析后認為導致煤矸石自燃的主要原因為黃鐵礦氧化和煤-氧復合物導因的雙重作用產生的，特別是對于高硫煤洗選產生的高硫矸石，氧化自燃更容易發生，為分析高硫矸石和低硫矸石中的硫鐵礦含量，對其進行篩分分析和矸石形態硫及自燃傾向性的分析研究。

2.1 高硫煤矸石篩分試驗

對高硫煤洗選產生的煤矸石進行自然級篩分試驗，分析匯總各粒級產物的產率、硫分和灰分的分布情況，具體的分析指標數據匯總見表1。

表1 高硫矸石自然級篩分試驗數據匯總表

根據試驗匯總的數據分析：

(1)高硫煤矸石各粒級硫分分布極不均勻，特別是矸石的粒度組成中>50 mm的矸石占比為33.35%，但這部分矸石的硫分只有0.20%，是可以考慮作為低硫矸石處理的。

(2)高硫煤矸石粒度組成中13～25 mm粒級的矸石硫分最高，全硫含量達到7.26%，灰分也相對較高，達到83%以上，產率占比為17.13%，可見矸石中硫分的分布情況為中等粒級的顆粒硫分較高，灰分較高，矸石較純。

(3)高硫矸石中硫分超過4.0%的產率占比達到46.49%，粒度集中在13～50 mm，分析矸石中與其他礦物結合的含硫礦物主要集中在該粒級范圍，可通過對矸石的粒度分級預處理將高硫分的矸石提前分離，從而降低矸石山自燃的風險。

2.2 低硫煤矸石篩分試驗

對低硫煤洗選產生的煤矸石進行自然級篩分試驗，分析匯總各粒級產物的產率、硫分和灰分的分布情況，具體的分析指標數據匯總見表2。

表2 低硫矸石自然級篩分試驗數據匯總表

根據上表2數據分析可以知，低硫煤洗選后產生的矸石各粒級硫分分布相對均勻，與高硫煤矸石規律有所不同的是矸石中硫分最低的粒度組成分布在13～25 mm，硫分含量為0.05%，產率為26.28%，其他粒級的硫分相對較高，-0.5 mm的硫分最高，總體來看，低硫煤矸石隨著粒度的降低，硫分呈現增加的趨勢。

3 不同硫分矸石的形態硫和自燃傾向性分析

根據對各類矸石的篩分試驗數據選取部分粒級的煤矸石檢測矸石的形態硫和矸石的自燃傾向性，需要說明的是由于矸石沒有專門的自燃傾向性化驗的國家標準和行業標準，本次對煤矸石自燃傾向性的檢測化驗方法按照煤的標準進行，檢測匯總情況見表3。

表3 高、低硫矸石的形態硫和自燃傾向性檢測匯總表

根據上表4數據分析可以得出：

(1)高硫矸石中的硫以硫鐵礦硫為主，有機硫占比較低，只有1.72%，粒度分級后50 mm以上的矸石中有機硫的含量增加，說明高硫矸石中有機硫主要富集在粒度較大的矸石中。低硫矸石中以有機硫為主，有機硫占比達到了75%以上。從理論來說，有機硫主要是以噻吩、硫醇/硫醚、亞砜形式存在，且噻吩及硫醇/醚含量較高，這些形式只有在可燃體中才存在，可見煤矸石中有機硫分主要集中在可燃體組分，有機硫分的存在也證明煤矸石中是有一定量的碳類有機質的。

(2)高硫矸石在粒級為13～25 mm中，硫化鐵硫占比達到98.74%，說明煤矸石中的硫分主要集中在矸石的不可燃組分中，并且以硫鐵礦的形式存在。通過對比各粒級矸石的吸氧量數值，13～25 mm粒級矸石的吸氧量最大，達到了0.41 cm3/g，自燃傾向性等級為II級，與空氣接觸有發生自燃的傾向。對于低硫矸石來說，吸氧量都在0.3 cm3/g以下，均為不易自燃。通過對比高、低硫矸石各粒級的吸氧量數值，可知高硫矸石中硫鐵礦硫的占比量對矸石的吸氧量影響較大，規律為矸石中隨著硫鐵礦的增加，矸石的吸氧量呈現增加的趨勢，并且高硫矸石的吸氧量明顯高于低硫矸石。

4 結束語

(1)高硫煤矸石中的含硫礦物主要以硫鐵礦的形式存在，低硫煤矸石中硫主要以有機硫為主。對于高硫矸石來說，由于硫鐵礦與空氣接觸后發生氧化反應過程中會釋放出熱量，當熱量不能及時釋放時，隨著溫度的升高會加劇硫鐵礦的氧化速率，釋放出更多的熱量，當熱量達到煤矸石中可燃有機物的著火點后即發生自燃現象，對于低硫矸石自燃傾向性為不易自燃，對于矸石山處理硫分不同的矸石可以采用分級治理的方法，重點治理高硫煤矸石的自燃。

(2)高硫矸石與低硫矸石由于硫鐵礦含量的顯著差異是造成矸石的吸氧量不同的一個重要因素。高硫矸石中硫鐵礦的含量與矸石的吸氧量呈正向關系，隨著矸石硫鐵礦含量的增加，吸氧量呈現增加的趨勢。本次試驗的高硫煤矸石中，當矸石中的硫鐵礦含量達到5%以上時，自燃傾向性等級為II級，屬于易自燃煤矸石，雖然本次測煤矸石的自燃傾向性采用煤的標準，但也可以區分煤矸石的自燃傾向，有一定的參考價值。在矸石上自燃的學說方面，黃鐵礦氧化學說和煤-氧復合物導因學說是相輔相成的，如果矸石中沒有可燃有機質，即使黃鐵礦氧化釋放出的熱量足夠多也不可能引起矸石的自燃，如果煤矸石中沒有黃鐵礦與空氣中的氧氣反映釋放出熱量，單純依靠矸石中可燃有機質與氧氣反應達到其自燃的溫度也較為困難。

(3)試驗的高硫煤矸石中硫鐵礦主要集中在粒度為13～50 mm范圍內，可通過對煤矸石進行預篩分處理，將該粒級的矸石進行單獨處理，其余的矸石即可按照低硫煤矸石進行處理，起到依據煤矸石的自燃程度實現煤矸石的分級處理，減少了部分煤矸石的自燃傾向，起到了從源頭對矸石山的自燃進行治理和預防作用。