专利名称：煤矸石全面无废利用法的制作方法
技术领域：
本发明提供一种煤矸石制造煤气、水泥和免烧砖原料的方法。属于环境工程技术和煤的综合利用技术。
我国煤矸石堆存量已达20亿吨，矸石山多达1200座以上，占地已逾15万亩。煤矸石的堆存量每年递增1亿多吨。它是我国积存量和年产量最大的固体废弃物之一。众多矸石山中，除年久已燃尽有机质的外，大多正在自燃，未自燃的也在缓慢氧化中。矸石不仅大量占用土地，它的各种形式的氧化过程，还排放大量CO、SO2，H2S、NOX、苯并芘，是煤矿区大气和地下水的主要污染源；有的矿区的矸石山附近的居民饮用当地地下水，癌症的发病率增高。
对煤矸石的治理方法很多普遍采用的是各种方式的绝氧(隔绝空气)阻燃法，国外还在推广矸石不出井采煤法。这些方法的共同缺点是未能利用其中的可燃物质，存在能源的浪费。建材工业利用它制砖、配制水泥生、熟料，虽然利用了其中的部分物质，但利用量不多，矸石积存量仍在与日俱增，对环境的污染越来越大。
煤矸石是一种低热值燃料，成份变化幅度很大，含碳量为20％左右，含硫量多为1％左右。碳在燃烧反应中释放出的热量达393.8MJ/Kmol，硫铁矿在氧化时释放的热量达853KJ/Kmol。煤矸石由于数量巨大，其中的能量是很大的。按煤矸石排放量为我国原煤产量的15％估算，其能量相当于3300万吨原煤，对它的充分利用，是我国利废节能的重要方面。煤矸石的化学成分和矿物成分，除石灰石等不足外，与水泥生料的组成相似，经配料后即可用于制造水泥等。
本发明提供全面利用煤矸石的方法，其主要产物为以CO为主要成分的煤气、水泥和供制免烧砖瓦的原料，这些产品之间的比例，可按当地的需要量决定。本发明的设计原理为煤炭气化工艺和水泥制造工艺，其具体实施方法如下整个处理设施(不包括产品的利用、净化部分)如附图
所示。它可分两大部分。中心部分为煅烧窖1，它由个字形孔的耐火砌块2砌成的园柱形窑腔壁3、拱形顶盖4、排气管道5和底部的承重送气孔板6组成。它是拼合式的，煅烧结束后，可拆卸部分板块以便卸下熟料。在窑腔内可充填水泥生料球。其底部为内环形供气管道7，其下有起支承作用的环形墙8；整个装置位于经处理的地基9之上。煅烧窑外的部分为制气矸石堆10，它由煤矸石11等构成。煤矸石呈大致的截顶园台体(中心部分为煅烧窑)，台面12与水平面的夹角为煤矸石的自然休止角，台底有外环形供气管道13，此管道的上面为多孔承重板14，在它上面可根据园台体直径和高低以及矸石透气能力安装若干个字形孔耐火砌块柱15，锥面之上有隔气密封罩16，它由玻璃纤维布铺盖后涂抹以树脂等制成(即玻璃钢板，比重为钢的1/4，耐温-20～200℃)，它的上缘、中部和下缘还有起加强定形作用的玻璃钢质园环17、18、19。他们之间均有若干T型支撑板20。当需要时，密封罩可以用吊车整体吊起、移动，去罩复新的园台体；园台过大的，可分割后吊、移。
为监测煅烧窑和园台体内温度，还设置了若干热电偶；为安全起见，有分别连通窑腔和园台体内部的多孔管安全阀；玻璃钢质园环之间有许多纵向肋板；对透气性极差的矸石堆，在台面上亦可安设个字形孔耐火砌块。这些在附图中均未画出根据煤矸石产量和自燃发火期，可以决定园台体的大小。当园锥体很大，且对水泥的需求量较大时，其中的煅烧窑可以增设。煅烧窑的高度可参考一般立窑的高度(8m±)，它主要决定于生料球的抗压强度。窑内亦可填以矸石，这时它将与窑外一样，制取煤气和供制免烧砖的原料。
生产工艺过程如下根据水泥品种、原料与燃料的品质和生料制备等选择熟料组成。一般说，煅烧窑内要生产高标号水泥；煅烧窑外以生产煤气(CO)为主，经煅烧可供制作免烧砖瓦的似水泥原料则为副产品。
根据生产目的，进行配料计算。煅烧窑内的生料要求按一定的原料配合比；煅烧窑外的矸石，主要为添加石灰石，大致符合配合比即可。
选定料球粒度和级配。为增大孔隙率，它们可取Φ10～20和20～30mm。
生料成球为提高成球质量可添加外加剂。
把生料球投入窑腔(下部)。
在生料球投入窑腔、生料球在腔内逐步堆高过程，腔外的矸石亦逐步堆高，个字形孔耐火砌块和耐火砌块柱亦适当超前砌高。煅烧窑腔在达到预定高度、腔内充满生料球为止窑腔顶安置拱形顶盖，此盖正中有可加接排气管道的园孔。
接上排气管道。它亦由个字形孔的耐火砌块砌成(但内径加大)，随周围的矸石堆高而接长，直到预定高度。排气管道连接气泵。为减小拱形顶盖的载荷，排气管道用的每个砌块上缘加大外径。每隔几个砌块，在其周围的矸石上要铺带许多小孔的高强度陶瓷板，以便将大部份重量转移到窑腔壁。此种板的正中间有一大孔，此大孔的直径与砌块的外园一致，后者能插入前者的大孔中而被陶瓷板架住其上缘。
铺设隔气密封罩等用气泵A向密封罩供气，气体为CO2，供气压力为P1。
用气泵B向外环形供气管道供气，点火时用氧气，正常生产时亦可用空气。供气压力为P2。
用气泵C控制内环形管道的供气成分、压力和温度，供气压力为P3。
用气泵D给窑腔供气，点火时用纯氧，正常生产时亦可用空气，供气压力为P4。
用气泵E在排气管道抽气，抽出的为经过窑内外燃烧带后形成的以CO为主的气体。这些CO有的是由气泵A送入，经渗透进入矸石堆的CO2还原而成，有的由气泵B、C、D送入的氧气使窑腔内外之下部的生料球和矸石中的还原性物质(煤、沥青质和FeS2等)氧化后生成的CO2和SO2等经上部炽热的还原性物质又被还原成CO等。抽气的压力为P5。
为保证氧气流入和渗入窑腔内和矸石园锥体内，并使CO2也渗入矸石园锥体内(因此矸石氧化产生的热量将随CO2进入园锥体内部而很少向外传导)，并使所有经化学反应形成的新气体由排气管道抽出。整个生产过程要求P1＞P2＞P5，P5为负压，P4一般等于P2，P3用以调控窑腔气体成分和温度。
根据华蓥山矿务局实测资料，堆存矸石自燃的燃烧层厚约7-15m，所以在正压送气、负压排气的情况下，送气管和排气管之间的矸石层间距可大于15m。
在本发明的条件下，水泥生料的煅烧过程最关心的是它对水泥的质量。水泥熟料质量的关键是煅烧过程的温度及变化。岩石为热的不良导体，矸石堆内部能达到1300℃左右是有把握的。温度高低和延续时间，可通过燃料的配比来控制(必要时可加入部分煤泥)，升、降温速度则可通过供给的氧、空气和CO2等的量、速度和温度来控制。当生料球中煤的配比一定时，煅烧过程先从窑腔底部开始，当延续到一定时间后，底部的料球中可燃物质燃尽，这底部的料球层就为送入的空气所降温，燃烧层下界面逐渐上移。整个窑腔各料球层由下而上均经过升温--高温--冷却的过程。为提高熟料冷却速度，以改善熟料质量与易磨性，还可以通过园柱形窑腔壁送入冷空气，并加大排气管道的负压。窑外的矸石亦经历上述温度变化在窑腔点火煅烧的同时，腔外矸石亦同时点火，故窑腔内外温度基本一致，窑腔内料球层近腔壁部分没有因腔壁散热而降温的问题。但必要时亦可窑内和窑外分别先后点火。
从气泵E送出的高温可燃气(主要为CO)，可直接作能源使用，也可经热交换器供热降温后输送到远处利用但最好能当地作工业燃料气使用，这时燃烧形成的CO2和未燃成分，可由气泵A送到隔气密封罩内，开始新的循环。在CO2循环利用的情况下，其它有害或有益气体会得到富集，这有利于对它们的清除或回收。
在经过长时间燃烧后，由E抽出的气体将减少且CO浓度逐渐降低，这时可减少B、D的供气速度，并改为供纯氧，以求整个装置内可燃物质的较完全氧化。当埋设各部位的热电偶指示出内部燃烧基本停止时，这整个矸石堆(包括窑腔内的料球)就处理完毕。经煅烧的固态物质可在隔气密封罩的防护下(这时主要为防雨水)备用。
在利用时，隔气密封罩可局部提高后固定，让它起防雨水作用。水泥熟料及免烧砖原料搬运掉后，设施各部分均可再次投入使用。
对矸石日产量大、延续时间长的大矿井，可集中设置2-3个处理装置，矸石堆放和利用在不同装置同时进行。它们的中心可安装皮带运输机，从高处往下倾倒，使堆放矸石具有最大孔隙度。
附图中煅烧窑尺寸已放大。实际工作中，制气矸石堆比煅烧窑大、高得多。对大的矸石堆，要通过试验，减少燃烧死角，避免气流短路，这会影响处理效果和产品质量。这问题是本发明的重点和难点。当矸石堆很大时，排气管道可增设。为提高CO浓度和延长稳定供气时间，可在拱形顶盖以上增添大量煤泥球，也可选用催化剂等提高CO产率的措施。
本发明将达到全国每年生产的1亿多吨煤矸石全部得到充分利用；其可燃部分几乎全部制成工业燃料气，矸石经配料在煅烧后绝大部分制成水泥和免烧砖瓦；矸石不再长期堆放，不再占用大量土地，不再污染大气和地下水，使煤炭工业向洁净工业迈出巨大的一步。
煤矸石全面无废利用法适用于所有煤矿区。大小矿均应用该法处理煤矸石。对于矸石产量很少的小煤窑，应将它们的矸石集中处理，可分区建立公用煤矸石处理设施。
经济效益将极为巨大，由于缺乏有关的全国性统计基础数据，下面只作概略估计。
由于绝大部分水泥、砖瓦等不再使用煤炭，每年可节省煤炭1000万吨，价值10亿元。生产的工业燃料气每年1亿立方米，价值0.5亿元。矸石不占土地，节约土地购置费0.3亿元。矸石污染环境罚款不再存在，每年节约0.5亿元。烧砖瓦不再取土破坏耕地，节省0.2亿元。矸石不再污染地下水，使矿区地下水的利用净化变得简单，节省0.1亿元。合计上述各项，每年可增收节支11.6亿元。
权利要求
1.煤矸石全面无废利用法是将煤矸石中的能量和组分统一、全面地加工利用的方法，其特征为a.制取煤气(CO为主)与煅烧建材原料在同一设施中进行；b.煅烧窑外设矸石堆，矸石堆外架设隔气密封罩；c.设施底部有四个供气口，由各自的气泵控制压力(供气量或排气量)、供气种类及温度；d.由隔气密封罩向煅烧窑，有四个环状供气带，它们分别来自各供气口的气体供给设施需气的部位；e.设施的顶部设排气口，它由自己的气泵控制负压大小；f.煅烧窑壁由个字形孔耐火砌块砌成，煤矸石要改善透气性的部位亦用此种砌块。
2.根据权利要求1所述特征，煅烧的建材原料包括水泥生料和免烧砖瓦生料，前者按所制水泥的要求配料(包括一定量煤矸石)成球，入窑腔煅烧，后者为煤矸石混入经粉磨的石灰石粉等，在窑壁外堆置后煅烧；
3.根据权利要求1所述特征，由气泵(A)向隔气密封罩内充CO2，其供气压力(P1)相对其它气泵压力最高；
4.根据权利要求1所述特征，由气泵(B)为矸石堆供气，供气压力(P2)略小于P1；
5.根据权利要求1所述特征，由气泵(C)控制窑壁的供气状态，其泵压(P3)和供气种类、温度是可变的，煅烧时P3可等于P2，用它供冷气降窑腔温度时，P3小于P2而大于P4(P4为窑腔供气的压力)；
6.根据权利要求1所述特征，气泵(D)为窑腔供气，供气压力(P4)一般等于P2和P3，为窑腔降温时略小于P3，这时所供的为低温气体；
7.根据权利要求1所述特征，气泵(E)恒为负压排气；
8.根据权利要求1所述特征，矸石堆和窑腔下界面、供气管道之上为带孔载重板，窑腔下的带孔载重板为组合式，可拆卸；
9.根据权利要求1所述特征，由气泵(E)排出的煤气作工业燃料气使用后，其废气(以CO2为主)在利用废热、降温后供气泵(A)使用，形成气态产物的闭路循环，其中的CO2以外的成分，设回收净化装置；
10.根据权利要求1所述特征，隔气密封罩由玻璃纤维布涂抹树脂等在现场制成玻璃钢罩，其上、中、下有加强园环，各环间有与之垂直的加强肋板，它们均由玻璃钢制作；
11.根据权利要求1所述特征，隔气密封罩可整体提升或移动到新的矸石堆上使用；
12.根据权利要求1所述特征，除隔气密封罩外，煅烧窑及全部供气管道均可在原地重复使用；
13.根据权利要求1所述特征，集中建几个煤矸石处理设施供一个产矸量大而久的煤矿使用，亦可只建2个，为周围的许多小煤矿轮流堆放矸石和煅烧作业；
14.根据权利要求1所述特征，窑内固体产物供作水泥，窑外固体产物供作免烧砖瓦等；
15.根据权利要求1所述特征，个字形孔耐火砌块为中间有竖孔，由竖孔向砌块壁有若干倾斜向外的较小的孔，砌块由耐火材料烧制，其上端有两个凸起的定位柱，下端有两个下凹的定位槽，两者位置和深浅互相对应。
全文摘要
煤矸石全面无废利用法为统一全面利用煤矸石中的能量和成分的方法，其产品为煤气、水泥熟料和免烧砖原料，适用于大小矿厂处理煤矸石，使它不再占用土地，不再污染大气和地下水，有巨大的经济效益和环境效益。它技术较简单，易实施，投资在几年内即可收回，设施可重复使用。它是目前利用煤矸石的最佳方法。
文档编号C10J1/213GK1098669SQ9311896
公开日1995年2月15日 申请日期1993年10月17日 优先权日1993年10月17日
发明者钟显亮, 刘燕, 钟音, 朱忆鲁, 魏丽梅, 叶力 申请人:钟显亮