高灰煤泥资源化利用途径及研究现状.docx

? ? 高灰煤泥资源化利用途径及研究现状 ? ? 闵凡飞，陈 军，沈 亮，刘春福 (安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001) 煤泥水是煤炭湿法分选过程中由于煤及矸石泥化而产生的含有大量微细粒煤和各种矿物颗粒(主要为煤系黏土矿物)的工业废水[1]。煤泥水沉降脱水后形成选煤厂副产品——煤泥，煤泥的销售和利用面临诸多困难：①由于煤泥具有高灰分、高黏性、高持水性和低热值等诸多不利条件，很难实现工业应用，长期被电力用户拒之门外；②煤泥以民用地销为主，由于民用能源结构的变化，煤泥民用消费量大大下降，而随着我国原煤入选比例的逐年增加，煤泥产量明显上升，造成煤泥在选煤厂积压；③煤泥沉降脱水处理成本高，而煤泥销售价格低，给选煤厂经济效益带来不利影响。此外，煤泥的堆放还会产生粉尘污染等环境污染问题。而煤泥的传统利用主要以低值燃料利用为主，造成环境污染，销路有限，价值低，没有充分利用煤泥组成特点进行高效资源化利用。随着国家环境保护要求越来越高，高灰煤泥的资源化利用已成为迫切需要解决的问题。 1 高灰煤泥难以资源化利用的主要原因 1.1 多组分高灰分 煤泥中矿物组成非常复杂，不同矿区会存在差异性，其中高岭石、蒙脱石、伊利石、石英等是其主要矿物组成。近年来，由于采煤机械化比例增加导致原煤中矸石含量增加、浮选尾矿的灰分增大(部分选煤厂浮选尾矿灰分超过75%)、动力煤选煤厂截粗工艺的应用等原因，煤泥灰分呈现逐步增大的趋势，大部分选煤厂煤泥灰分已超过60%，煤泥的高灰特性使煤泥变为“鸡肋”副产品。 1.2 微细粒含量高 由于高灰煤泥中高岭石、蒙脱石等黏土矿物含量高、泥化严重，导致煤泥中微细粒含量特别高， 1.3 滤饼水分高、黏度大 由于高灰煤泥中微细粒的高岭石等黏土矿物含量大，其压滤脱水非常困难，黏土类矿物颗粒表面的强亲水性又进一步增加了高灰煤泥的脱水难度，导致高灰煤泥的滤饼水分一般都20%[2]，而且滤饼黏度大，为其利用、特别是配掺利用带来很大的困难。 1.4 复杂多变的表/界面性质 高灰微细煤泥中高岭石、蒙脱石和石英等颗粒在溶液中因类质同象、优先解离等原因，导致煤泥颗粒表面荷较强负电荷，研究表明高岭石、蒙脱石、伊利石和石英表面荷负电可达到-60、-65、-57、-67 mV[3-6]。煤泥颗粒的水化特性是影响煤泥特性的关键因素之一。水分子和煤泥颗粒表面间强烈的吸引作用，致使水分子在煤泥颗粒表面呈定向排列，在矿粒表面形成致密有序的边界层，该边界层称作水化膜[7]。高灰煤泥中的矿物界面具有不同暴露面，而不同的暴露面又具有不同性质，在不同溶液环境中会发生变化，导致煤泥颗粒表/界面性质复杂多变，难以调控。由于高灰煤泥粒度细，比表面积大，表面具有较强的自由能。 2 高灰煤泥的资源化特性 煤泥中含有高岭石、蒙脱石、伊利石、石英等具有高利用价值的战略非金属矿物[8]。黏土类矿物大多为层状硅酸盐结构，粒度细，比表面积大，具有优良的吸附性能，常被用作吸附材料。如黏土矿物对放射性元素的吸附，可阻滞地下水中铀溶液在土壤介质中的迁移[9]。高岭石具有优良的可塑性、黏结性、耐火性和化学稳定性，在塑料、橡胶、耐火材料、造纸、涂料、陶瓷等行业被广泛应用[10-11]。此外，通过水热晶化法工艺合成，高岭石还可制成具有良好骨架和热稳定的分子筛，也可作为离子交换剂，用在吸附净化废水等工业领域[12]。蒙脱石具有良好的离子交换性能和水化膨胀特性，广泛应用在生物医药领域[13]，改性蒙脱石则可制作多孔材料等应用在水处理领域[14-15]。宋少先教授研究团队在蒙脱石剥离制备二维纳米片及其特性研究的基础上，构建了蒙脱石纳米片功能化设计及组装调控体系，成功开发了基于蒙脱石二维纳米片的凝胶吸附剂、储能材料、阻燃系列材料，抑菌材料等[16]。此外，石英砂主要的应用领域有玻璃、陶瓷、水泥、板材和耐火材料等。高纯石英砂是我国战略性新兴产业(芯片产业、光伏产业和硅产业等功能材料)的基础原材料[17]。煤泥中富含这些高附加值的矿物，但目前综合利用现状并不理想，基于国家构建环境友好型社会政策的落实及新型环保、功能材料产业的发展，煤泥的高值化利用具有广阔的前景。 3 煤泥资源化利用途径及其研究现状 我国2019年原煤产量约为37.5亿t，其中煤泥量约为15%～20%，按照80%的入选比例，则煤泥年产量将近6亿t。这部分物料的露天堆放会造成严重的环境污染问题，如何高效地利用煤泥成为亟待解决的问题。近年来，国内外的专家学者就煤泥的资源化利用问题进行了大量的研究。煤泥一般泛指粒度 3.1 燃料资源 尽管目前关于煤泥资源化利用途径的研究较多，但煤泥作为燃料直接燃烧，仍然是目前煤泥利用的最主要途径。流化床锅炉燃烧技术是近年来业内采用最多的煤泥处理的技术。具有代表性的YG-90/5.29-M12型煤