废物资源综合利用技术丛书–煤矸石资源再生利用技术

本书是“十三五”国家重点图书《废弃物资源综合利用技术丛书》的一个分册，是一部环境工程实用技术书。本书为读者分享了各种煤矸石资源回收利用的新技术，对固体废物资源的回收利用有重要的借鉴意义。 

本书为《废物资源综合利用技术丛书》的一个分册。本书介绍了国内外煤矸石利用概况，叙述了煤矸石的产生、组成、结构、性质和分析方法，我国煤矸石综合利用现状及煤矸石资源化再生利用的前景，煤矸石分析方法，煤矸石中回收有用煤炭、硫铁矿等矿物及有用元素，煤矸石生产碱胶凝材料，煤矸石生产建筑材料，煤矸石在化学工业中的应用，煤矸石在农林业中的应用，煤矸石综合利用的相关国家政策和法规等内容。本书具有较强的应用性，可供从事煤矸石资源再生利用的工程技术、研究、生产和经营管理人员使用，也可作为高等学校资源循环科学与工程、环境科学与工程、冶金及相关专业的研究生、本科生选作教学用书或教学参考书。

张长森，盐城工学院，系主任/教授，长期从事无机非金属材料科研、教学、生产、管理等工作；先后主持省级以上课题5项，多项成果转化，主编出版教材3部，发表科研论文60余篇。自2001年来从事煤矸石的综合利用的研究工作，先后主持相关省级科研课题“碱激发煤矸石制备碱胶凝材料的研究”、“无污染无尾渣利用煤矿区共伴生高岭土技术及应用示范”和“煤矸石-粉煤灰基绿色胶凝材料的生产技术应用研究”等4项，其中3项获市科技进步奖。发表相关论文近20篇，编著出版“煤矸石资源化综合利用新技术”1部。

第1章煤矸石、环境、资源

1.1煤矸石的来源与分类001

1.1.1煤矸石的来源001

1.1.2煤矸石的分类002

1.2煤矸石对环境的影响005

1.2.1煤矸石对大气环境的影响005

1.2.2煤矸石对水体环境的影响006

1.2.3煤矸石对土壤环境的影响006

1.2.4煤矸石对地质的影响007

1.3矿区及煤矸石山的环境治理008

1.3.1防止自燃008

1.3.2微生物脱硫009

1.3.3复垦种植009

1.3.4发展养殖业009

1.3.5发展第三产业010

1.4煤矸石资源再利用概述010

1.4.1国外煤矸石资源再利用现状010

1.4.2国内煤矸石资源再利用现状011

1.4.3我国有关煤矸石资源综合利用的政策法规014

1.4.4煤矸石综合利用的技术原则016

1.4.5煤矸石资源再利用的思考和展望016

参考文献018

第2章煤矸石的理化特性

2.1煤矸石的化学组成及矿物组成020

2.1.1煤矸石的化学组成020

2.1.2煤矸石的矿物组成022

2.2煤矸石的物理性质027

2.2.1力学性能027

2.2.2密度和堆积密度027

2.2.3吸水率和塑型指数027

2.2.4多孔性027

2.2.5煤矸石的烧结性能027

2.3煤矸石的燃烧特性027

2.3.1低热值煤矸石燃烧过程028

2.3.2不同粒径对燃烧特性的影响028

参考文献029

第3章煤矸石成分分析方法

3.1试剂的配制与标定030

3.1.1普通试剂的配制030

3.1.2标准溶液的配制031

3.1.3标准滴定溶液的配制031

3.2试样的制备033

3.2.1含水量测定用试样制备033

3.2.2化学分析用试样制备033

3.3含水量的测定——烘干法033

3.3.1测定用器具033

3.3.2测定步骤033

3.4烧失量的测定——灼烧差减法034

3.4.1测定用器具034

3.4.2测定步骤034

3.4.3测定过程中应注意的事项034

3.5二氧化硅的测定——氟硅酸钾容量法034

3.5.1试样溶液的制备——氢氧化钠熔融分解试样034

3.5.2测定基本原理035

3.5.3测定所用试剂035

3.5.4测定步骤035

3.5.5测定过程中应注意的事项036

3.5.6其他测定方法036

3.6三氧化二铁的测定——EDTA直接滴定法036

3.6.1测定基本原理036

3.6.2测定所用试剂037

3.6.3测定步骤037

3.6.4测定过程中应注意的事项037

3.6.5其他测定方法介绍037

3.7三氧化二铝、二氧化钛的测定——EDTA-苦杏仁酸置换-铜盐返滴定法038

3.7.1测定原理(EDTA络合滴定法)038

3.7.2测定所用试剂038

3.7.3测定步骤038

3.7.4测定过程中应注意的事项039

3.7.5其他测定方法039

3.8二氧化钛的测定——二安替比林甲烷分光光度法039

3.8.1原理039

3.8.2测定所用试剂040

3.8.3二氧化钛(TiO2)标准溶液工作曲线的绘制040

3.8.4测试步骤040

3.9氧化钙的测定——EDTA-配位滴定法041

3.9.1测定所用试剂041

3.9.2测定步骤041

3.10氧化镁的测定——EDTA-配位滴定法041

3.10.1测定所用试剂041

3.10.2测定步骤041

3.11一氧化锰的测定——高碘酸钾氧化比色法042

3.11.1原理042

3.11.2测定所用试剂042

3.11.3一氧化锰标准溶液工作曲线的绘制042

3.11.4分析步骤043

3.12三氧化硫测定——硫酸钡重量法043

3.12.1测定所用试剂043

3.12.2测定步骤043

3.13氧化钾和氧化钠的测定——火焰光度法044

3.13.1方法提要044

3.13.2测定所用试剂044

3.13.3测定步骤044

3.14艾士卡法全硫测定045

3.14.1方法原理045

3.14.2测定所用试剂045

3.14.3测定步骤045

3.14.4其他测定方法046

3.15煤矸石热值的测定046

3.15.1工业分析法测定热值的原理046

3.15.2所需设备及用具046

3.15.3水分的测定046

3.15.4灰分的测定——快速灰化法047

3.15.5挥发分的测定047

3.15.6焦渣特征的鉴定047

3.15.7煤的种类判断047

3.15.8煤的发热量的计算048

3.16CID-ICP-AES法同时测定微量元素049

3.16.1仪器装置及操作条件049

3.16.2实验条件049

3.16.3样品制备050

参考文献050

第4章煤矸石中有用矿物回收

4.1煤矸石中硫铁矿的回收051

4.1.1煤矸石中硫形态051

4.1.2硫铁矿分选工艺051

4.1.3煤矸石中硫铁矿分选实例053

4.2煤矸石生产超细高岭土054

4.2.1煤系高岭土干法分选技术056

4.2.2工艺原理056

4.2.3工艺流程057

4.2.4粉磨时间与煅烧高岭土粒度的关系059

4.2.5煅烧时间、煅烧温度及入烧原料细度对煅烧高岭土白度的影响059

4.2.6应用实例060

4.3煤矸石中氧化铝提取技术060

4.3.1煤矸石处理060

4.3.2氧化铝浸取工艺061

4.3.3煅烧温度、煅烧时间对氧化铝浸出率的影响061

4.3.4酸浸浓度、时间对氧化铝浸出率的影响062

4.3.5除铁064

4.3.6制取超细氧化铝粉064

4.4煤矸石中二氧化硅提取技术065

4.4.1制备水玻璃技术065

4.4.2制备白炭黑技术066

4.4.3实例068

4.5煤矸石中氧化钛提取技术068

参考文献069

第5章煤矸石活化途径及评价

5.1煤矸石内部结构与活性的关系070

5.1.1新鲜煤矸石(风化煤矸石)070

5.1.2自燃煤矸石070

5.1.3烧煤矸石070

5.2煤矸石活性评价方法071

5.2.1石灰吸收法071

5.2.2火山灰性试验071

5.2.3强度法072

5.2.4活性率法072

5.2.5其他方法073

5.3煤矸石的活化途径073

5.3.1煤矸石的机械力活化073

5.3.2煤矸石的热活化077

5.3.3煤矸石的微波活化081

5.3.4煤矸石的复合活化084

参考文献089

第6章煤矸石应用于建筑材料

6.1煤矸石生产新型水泥090

6.1.1煤矸石制备碱胶凝材料090

6.1.2流化床煅烧煤矸石生产水泥099

6.1.3低温合成煤矸石水泥100

6.2煤矸石代黏土生产水泥101

6.2.1生产硅酸盐水泥技术101

6.2.2生产硫铝酸盐水泥技术107

6.2.3生产氟铝酸盐水泥技术109

6.3煤矸石作水泥混合材料110

6.3.1生产工艺流程110

6.3.2烧煤矸石作水泥混合材料111

6.3.3自燃煤矸石作水泥混合材料113

6.4煤矸石作混凝土掺合料113

6.4.1掺用机理113

6.4.2煤矸石性状对混凝土性能的影响113

6.4.3煤矸石掺合料对混凝土性能的影响114

6.5煤矸石作混凝土集料116

6.5.1自燃煤矸石轻集料117

6.5.2自燃煤矸石集料混凝土性能118

6.6煤矸石制备墙体材料119

6.6.1煤矸石烧结砖技术119

6.6.2煤矸石免烧砖技术125

6.6.3煤矸石混凝土砌块技术127

6.6.4蒸养煤矸石砌块技术128

6.6.5煤矸石制备微孔轻质烧结砖技术130

6.7煤矸石制备陶粒136

6.7.1全煤矸石烧制陶粒技术136

6.7.2部分煤矸石轻质陶粒技术137

参考文献140

第7章煤矸石应用于路基材料

7.1煤矸石作路基材料的可行性142

7.1.1煤矸石理化特性分析142

7.1.2无机结合料稳定煤矸石强度形成机理分析146

7.1.3煤矸石自燃的问题分析147

7.1.4煤矸石淋溶问题分析 147

7.2煤矸石作公路路基材料148

7.2.1煤矸石技术要求148

7.2.2无机稳定材料的选择与配合比确定150

7.2.3煤矸石路基的施工151

7.2.4用煤矸石填筑路基需要解决的问题152

7.2.5煤矸石在道路工程中的应用实例152

7.3煤矸石作铁路路基材料153

7.3.1铁路路基对材料的要求153

7.3.2煤矸石铁路路基施工154

7.3.3煤矸石作铁路路基材料的经济分析154

7.3.4煤矸石在铁路工程中的应用实例156

参考文献157

第8章煤矸石应用于制备陶瓷

8.1煤矸石制备堇青石158

8.1.1原料及配比158

8.1.2合成工艺158

8.1.3添加剂对堇青石合成的影响158

8.1.4原料性能对堇青石合成的影响159

8.1.5煤矸石中杂质含量对堇青石合成的影响159

8.1.6合成温度对堇青石粉体物相和形貌的影响159

8.1.7保温时间对堇青石粉体物相和形貌的影响160

8.1.8合成堇青石实例162

8.2煤矸石制备β-SiC163

8.2.1碳热还原法163

8.2.2原料及配比164

8.2.3合成工艺164

8.2.4合成温度的影响165

8.2.5保温时间的影响166

8.2.6原料粒度、碳过量数对产率的影响166

8.2.7合成SiC实例166

8.3煤矸石制备赛隆陶瓷（Sialon）167

8.3.1合成方法167

8.3.2煤矸石合成Sialon的方法168

8.3.3氮化还原法制备Sialon的影响因素169

8.3.4合成实例170

8.4煤矸石制备莫来石陶瓷171

8.4.1煤矸石制备莫来石陶瓷的工艺流程171

8.4.2烧成温度与保温时间的影响171

8.4.3添加剂的影响172

8.4.4合成实例173

8.5煤矸石制备多孔陶瓷滤球173

8.5.1煤矸石制备多孔陶瓷滤球工艺流程173

8.5.2原料174

8.5.3成孔剂对气孔率的影响175

8.5.4强度的影响因素175

8.5.5合成实例176

参考文献176

第9章煤矸石应用于化工产品

9.1煤矸石用于有机高分子材料的填充改性178

9.1.1煤矸石的处理178

9.1.2煤矸石填充改性橡胶制品179

9.1.3煤矸石填充改性塑料制品181

9.2煤矸石制备分子筛技术185

9.2.1原材料技术要求及工艺流程185

9.2.2煤矸石的处理186

9.2.3水热合成法工艺及参数187

9.3煤矸石制备铝化合物188

9.3.1制备结晶氯化铝188

9.3.2制备无机高分子絮凝剂(IPF)189

9.3.3制备硫酸铝191

参考文献192

第10章煤矸石应用于农林业

10.1煤矸石充填复垦造田193

10.1.1国内外矿区复垦造田现状193

10.1.2煤矸石充填复垦材料的基本要求195

10.1.3煤田塌陷区土地复垦的主要复垦模式195

10.1.4煤田塌陷区土地复垦的主要技术措施196

10.1.5应用实例197

10.2煤矸石山复垦造林197

10.2.1煤矸石的立地条件197

10.2.2煤矸石山基质改良的主要技术198

10.2.3煤矸石山复垦造林树种的选择199

10.2.4植被恢复栽植技术200

10.2.5复垦效益200

10.2.6应用实例200

10.3煤矸石废弃地建生态园林景观201

10.3.1规划依据、目标和原则201

10.3.2场地分析202

10.3.3景观规划203

10.3.4应用实例204

10.4煤矸石生产农肥204

10.4.1煤矸石生产复合有机肥料205

10.4.2煤矸石微生物肥料206

参考文献209

第11章煤矸石的能源利用

11.1煤矸石中煤炭的回收技术210

11.1.1水力旋流器分选210

11.1.2重介质分选211

11.2煤矸石发电212

11.2.1相关政策规定212

11.2.2燃烧技术213

11.2.3烟气处理技术214

11.2.4煤矸石发电工艺218

11.2.5煤矸石发电综合效益分析218

11.2.6实例220

11.3作为炉窑燃料直接生产建材产品220

11.3.1生产烧结砖220

11.3.2生产水泥222

参考文献222

附录

附录1煤矸石综合利用管理办法（2014年修订版）223

附录2热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定227

附录3“十二五”资源综合利用指导意见230

附录4大宗固体废物综合利用实施方案235

附录5煤矸石分类（GB/T 29162—2012）241

索引

 

废弃物的资源化利用是当今经济与社会发展的重大课题。我国对废弃物的政策是减量化、资源化和无害化，国家“十三五”规划中明确指出“树立节约、集约循环利用的资源观，推动资源利用方式根本转变，加强全过程节约管理，大幅提高资源利用综合效益”“做好工业固废等大宗废弃物资源化利用，加快建设城市餐厨废弃物、建筑垃圾和废旧纺织品等资源化利用和无害化处理系统”。探索废弃物资源化利用的新方法、新技术和新工艺，将会有力地推动技术创新和技术进步，推动社会生产力的发展，促进生态文明建设。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放出的废弃物，是目前我国排放量最大的固体废弃物之一，约占全国工业固体废弃物的20％以上。2015年我国煤炭产量约3.75×109t，较2005年增长70%左右，同年煤矸石排放总量达到7.76×108t，较2005年增长近1倍。自20世纪50年代我国科技工作者就开展了煤矸石综合利用的研究，几十年来研究并开发了许多煤矸石资源再生利用技术，煤矸石已在众多领域得到应用，如建材业（生产水泥、砖、砂浆、混凝土和陶粒等）、化工工业（生产分子筛、硅铝炭黑、无机高分子絮凝剂及塑料和橡胶填料等）、农林业（生产肥料、作为回填料等）等，在许多方面都已有了成熟的技术，并建立了相应的生产线。随着科学技术的发展，人们对煤矸石资源化再生利用的认识不断深入，为及时反映煤矸石再生利用的最新成果，推广煤矸石资源化技术，促进新型生态环境材料和环保产业发展，在本人多年从事煤矸石研究的基础上，并参考国内外煤矸石资源再生利用的文献资料，进行煤矸石资源化再生利用条件分析。本书介绍了国内外煤矸石利用概况，我国政府出台的煤矸石资源化再利用的政策法规，论述了煤矸石的产生、组成、结构、性质和成分分析方法，思考和展望了我国煤矸石资源化再利用的前景，介绍了煤矸石在建材、陶瓷、化学等工业及农林业等方面的资源化综合利用技术和相关产品的生产工艺。本书理论与实践相结合，既有一定的理论深度，又有实用技术及工程实例，可供从事建材、化工、煤炭、电力生产和科研的技术人员，以及高等学校相关专业的学生参考。本书由张长森编著，盐城工学院张建利、李杨、冯桢哲、朱宝贵、王毓和胡志超等参与了本书的文献查阅、整理和校对工作，在此表示感谢。本书参考了大量的资料文献，引用了他人公开发表或未公开发表的重要理论成果或部分数据成果，在此向这些文献的作者们一并表示衷心感谢。另外，本书的出版得到了江苏省生态建材与环保装备协同创新中心的支持，在此表示衷心感谢。煤矸石资源化再生利用技术和产品众多，限于篇幅，还有一些技术和产品未能述及；另外，限于编著者的水平和经验，可能取舍不尽合理，叙述中有不足和疏漏之处，敬请读者批评指正。编著者2017年4月