煤矸石制生态建材

　　煤矸石是与煤体伴生的岩石。煤矸石在煤的开采和洗涤过程中被排出，我国煤矸石的积存量高达3.0X109t,每年不断递增1.5X108t。利用煤矸石研制生态建材在我国已获得重大的成果，如利用煤矸石代替黏土烧制内燃炉砖和生态水泥熟料。煤矸石经过燃烧后具有活性，可用于生产煤矸石水泥、煤矸石混凝土、煤矸石砌块、煤矸石陶粒、卫生瓷砖等。
　　在产煤地区，煤矸石是对环境影响较大的一类固体废物。随着市场经济的继续深入，对煤矸石的开发利用也在不断发展。煤矸石除作以上用途外，自燃后的煤矸石可用作公路路基和堤坝材料；用煤矸石（含氧化铝较高的一种）还可以生产耐火砖等。
　　煤矸石的大量堆放，不仅压占土地，影响生态环境，矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下发生自燃，排放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境，影响矿区居民的身体健康。如辽宁本溪矿区曾发生过因矸石自燃造成人员中毒死亡的事故。保护环境是中国的基本国策，随着国家环保执法力度的不断加大，人们对环境质量要求的提高，解决煤矸石污染环境问题显得越来越突出，煤矸石发电是充分利用煤矸石的有效热成分，变废为宝，解决污染的有效途径。
　　煤矸石弃置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。中国积存煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。为了消除污染，自60年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。利用途径有以下几种：①回收煤炭和黄铁矿：通过简易工艺，从煤矸石中洗选出好煤，通过筛选从中选出劣质煤，同时拣出黄铁矿。或从选煤用的跳汰机──平面摇床流程中回收黄铁矿、洗混煤和中煤。回收的煤炭可作动力锅炉的燃料，洗矸可作建筑材料，黄铁矿可作化工原料。②用于发电：主要用洗中煤和洗矸混烧发电。中国已用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物（发热量每公斤约2000大卡）发电。炉渣可生产炉渣砖和炉渣水泥。日本有10多座这种电厂；所用中煤和矸石的混合物，一般每公斤发热量为3500大卡；火力不足时,用重油助燃。德意志联邦共和国和荷兰把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以利用中煤、煤泥和煤矸石发电。测试煤矸石的发热量应使用专门的仪器进行，微机量热仪可以满足发热量的测试。③制造建筑材料：代替粘土作为制砖原料，可以少挖良田。烧砖时，利用煤矸石本身的可燃物，可以节约煤炭。煤矸石可以部分或全部代替粘土组分生产普通水泥。自燃或人工燃烧过的煤矸石，具有一定活性,可作为水泥的活性混合材料，生产普通硅酸盐水泥(掺量小于20%)、火山灰质水泥（掺量20～50%）和少熟料水泥（掺量大于50%）。还可直接与石灰、石膏以适当的配比，磨成无熟料水泥，可作为胶结料，以沸腾炉渣作骨料或以石子、沸腾炉渣作粗细骨料制成混凝土砌块或混凝土空心砌块等建筑材料。英国、比利时等国有专用煤矸石代替硅质原料生产水泥的工厂。煤矸石可用来烧结轻骨料。日本于1964年用煤矸石作主要原料制造轻骨料，用于建造高层楼房，建筑物重量减轻20%。用盐酸浸取可得结晶氯化铝。浸取后的残渣，主要为二氧化硅，可作生产橡胶填充料和湿法生产水玻璃的原料。剩余母液内所含的稀有元素（如鍺、镓、钒、铀等），视含量决定其提取价值。此外，煤矸石还可用于生产低热值煤气，制造陶瓷，制作土壤改良剂，或用于铺路、井下充填、地面充填造地。在自燃后的矸石山上也可种草造林，美化环境。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，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。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。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴）。煤矸石代替燃料：化铁；烧锅炉；烧石灰；回收煤炭。生产水泥：生产普通硅酸盐水泥；生产特种水泥；生产无熟料水泥。生产建筑材料：煤矸石烧结砖，质量较好，颜色均匀；煤矸石生产轻骨料，轻骨料是为了较少混凝土的相对密度，而选用的一类多孔骨料；生产煤矸石棉，以煤矸石和石灰为原料，经高温融化，喷吹而成的一种建筑材料。生产化工产品：制结晶三氯化铝，以煤矸石和化工工业副产盐酸为主要原料，经过破碎、培烧、磨碎、酸浸、沉淀、浓缩结晶和脱水等生产工艺而制成，是一种新型的净水剂；制水玻璃；生产硫酸铵，煤矸石内的硫化铁在高温下生产SO2，再氧化而生产SO3，遇水生产硫酸，并与氨的化合物生产硫酸铵。
　　
　　
　　
　　1煤矸石的化学成分和矿物组成
　　①煤矸石的化学成分煤矸石是由有机物（含碳物）和无机物（岩石物质）组成的混和物。前者可燃烧，但含量少；后者不能燃烧，且含量多。我国煤矸石的主要化学成分见下图。可以看出，煤矸石的无机组分多在80%以上，而可燃物仅10%左右，煤矸石还含有有害组分硫。
　　SiO2 AL2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 燃烧量
　　59.5 22.4 3.22 0.46 0.76 0.12 10.49
　　57.24 25.14 1.86 0.96 0.53 1.78 12.75
　　52.47 15.28 5.94 7.07 .051 1.99 13.27
　　②煤矸石的矿物组成煤矸石主要有高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝、氧化物组成。煤矸石中的金属组分含量偏低，一般不具回收价值，但也有回收稀土元素的实例。
　　2煤矸石生产建筑砖瓦
　　煤矸石经过配料、粉碎、成型、干燥和焙烧等工序可以制成砖和瓦。除煤矸石必须破碎外，其它工艺与普通粘土砖瓦的生产工艺基本相同。黑龙江鹤岗等8个企业用煤矸石生产矸石砖、空心砖、矸石水泥瓦、陶粒、水泥等产品，使煤矸石的处理利用率达87%以上，经济效益十分明显。
　　①煤矸石半内燃烧的生产利用煤矸石本身的发热量作为燃料，将煤矸石均匀掺入黏土内压制成砖坯，经干燥焙烧而成。这种转化一般单靠外部燃烧制成的砖可节约用煤量50%～60%。砖的抗压强度达9.8X106～1.47X107Pa，吸水率〈15%，容积密度为1400到1700kg/cm3,抗压强度≥2.25X106Pa。
　　②微孔吸声砖微孔吸声砖具有隔热、保温、隔声、防潮、防火、防冻等性能，是良好的环保建筑材料，且质轻、性能可靠、便于运输。
　　用煤矸石、石膏、白云石、锯末、硫酸作原料可生产微孔吸声砖。其原材料的配比参考下表
　　微孔吸声砖的原材料参考配比
　　名称 煤矸石 石膏 白云石 锯末 硫酸
　　微孔吸声砖 100 20 4 20 2
　　生产微孔吸声砖可以利用大量的煤矸石，是变废为宝的好路子。
　　微孔吸声砖的生产工艺是将破碎后的煤矸石晒干锯末，与白云石、半水石膏混合，选入硫酸溶液中混拌。白云石与硫酸反应生成气泡，使混合料膨胀，然后浇注入模，之后经干燥、焙烧。
　　③煤矸石瓦煤矸石瓦的生产工艺与一般土瓦的生产工艺很相似。利用煤矸石来生产瓦，减少了泥土用量，节约了土地，同时还减少了煤矸石的占地。生产煤矸石瓦最好采用自燃煤矸石（含水量不超过3%，粒径1mm以下）。在瓦坯成型过程中，其泥料水分保持21%~24%为好。瓦坯干燥1~2天可入窑焙烧，其温度为1050~1100℃。煤矸石瓦是一种新型的屋面材料，其质量符合土瓦的标准。
　　3煤矸石生产生态水泥
　　煤矸石中二氧化硅、氧化铝及氧化铁的总含量一般在80%以上，它是一种天然黏土质原料，可代替黏土配料烧制普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、煤矸石炉渣水泥等。
　　①煤矸石快硬硅酸盐水泥利用氧化硅含量高的煤矸石与石灰石、铁粉混合磨成生料，然后与无烟煤混拌，加水制成生料球后煅烧（温度1400～1450℃）。将其烧成熟料，与石膏磨细即成快硬硅酸盐水泥。煤矸石快硬硅酸盐熟料参考配比为石灰石：煤矸石：铁粉=0.82：0.13：0.05，还需加入少量无烟煤和水。
　　煤矸石快硬硅酸盐水泥具有早期硬度高、凝结硬化快等特点，其各项性能指
　　标均符合国家标准《快硬硅酸盐水泥》（GB199-79）的规定。
　　②煤矸石矿渣水泥将煤矸石与粒径1mm以下的烟煤（或无烟煤）混合后（70%煤矸石、30%无烟煤），喷入沸腾炉内在900～1000℃下煅烧，燃烧后的炉渣再与生石灰、石膏混合磨细即成煤矸石炉渣水泥。其参考配比为：煤矸石炉渣67%～77%，生石灰15%～25%，石膏8%。
　　生产该水泥时，要求生石灰氧化钙含量在60%以上；采用低含碳量低煤矸石，制成的水泥构件需热气养护。
　　③煤矸石无熟料水泥由自燃煤矸石或经800℃煅烧的煤矸石与石灰、石膏（亦可加入适量高炉水渣）混合磨细而成，其标号为225～325。煤矸石无熟料水泥参考配比为：煤矸石30%～34%，高炉水渣25%～35%、无水石膏10%～13%，石灰20%～30%。
　　4煤矸石生产预制构件
　　利用煤矸石中所含的可燃物，经800℃煅烧后成为熟煤矸石，再加入适量磨细生石灰、石膏，经轮辗、蒸汽养护可生产矿井支架、水沟盖板等水泥预制构件，其强度可达1.96X107～3.92X107Pa。这种水泥预制等灰浆的参考配比为：熟煤矸石85%～90%，石膏1%～2%，外加水18%～20%。
　　5煤矸石生产空心砌块
　　煤矸石空心砌块是以煤矸石无熟料水泥作胶结料、自燃煤矸石作粗细骨料、加水搅拌配制成半干硬性混凝土，经振动成型，再经蒸汽养护而成的一种新型墙体材料。其规格可根据各地建筑特点选用。生产煤矸石空心砌块是处理利用煤矸石的一条重要途径，具有耗量大、经济、实用等优点，可以大量减少煤矸石的占地。煤矸石空心砌料原材料使用参考配比见下表1。煤矸石空心砌块与普通砌块的物理性能完全可以媲美，能满足建筑力学要求，其物理力学性能见下表2。
　　
　　
　　
　　表1煤矸石空心砌块参考配比
　　煤矸石空心砌块混凝土质量配比 水灰比 煤矸石空心砌块用料量/（kg/m）
　　煤矸石无熟料水泥 粗骨料 细骨料  煤矸石无熟料水泥 粗骨料 细骨料
　　1 2.7 0.8 0.5 302 815 242
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　表2煤矸石砌块物理力学性能
　　抗压强度/Pa 抗折强度/Pa 抗拉强度
　　/Pa 密度
　　/（kg/m3） 吸水率
　　/% 软化系数 导热系数 收缩值
　　/(mm/m) 碳化系数 抗冻性
　　1. 47X
　　107～
　　1. 96X
　　107 3.64X
　　106 1. 22X
　　106 1900～2000 3 0.91 0.613 0.38 0.87 经15次冻融循环强度损失0.94%
　　6煤矸石生产轻骨料
　　轻骨料是为了减少混凝土的密度，而选用的一类多孔骨料，轻骨料应比一般卵石、碎石石密度小得多，有些轻骨料甚至可以浮在水上。用煤矸石生产轻骨料的工艺大致可分为两种：一种是用烧结机生产烧结型的煤矸石多孔烧结料；另一种是用回转窑生产膨胀型的煤矸石陶粒。国外大多采用烧结机生产煤矸石多孔烧结料来作轻骨料。
　　用煤矸石烧制轻骨料的原料最好是碳质页岩或洗煤厂排出的矸石，将其破碎成块或磨细后加水制成球，用烧结机或回转窑焙烧，使矸石球膨胀，冷却后即成轻骨料。

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