专利名称：一种煤矸石制备的扩蓄增容剂及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤扩蓄增容剂及其生产方法。特别是一种利用废弃资源(煤矸石)为主要原料制备的扩蓄增容剂及其生产方法，为综合利用城乡废弃资源，变废为宝开辟了一条新途径。
背景技术：
1.我国煤矸石现状煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，是目前我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一。煤矿经过多年开采，废弃的煤矸石堆积如山。20世纪50年代以来，由于采掘机械化的发展和煤层开采条件的逐渐恶化，煤矿排出的矸石大量增加。我国煤炭系统多年来积存下来的煤矸石达10亿吨以上，现在每年还要排放出近1亿吨，其中洗矸石约1500多万吨。煤矸石的堆积不但占用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物散发后会污染大气和水源，造成严重的后果。煤矸石中所含的黄铁矿(FeS2)易被空气氧化，放出的热量可以促使煤矸石中所含煤炭风化以至自燃。煤矸石燃烧时散发出难闻的气味和有害的烟雾，使附近居民慢性气管炎和气喘病患者增多，周围树木落叶，庄稼减产。煤矸石山受雨水冲刷，常使附近河流的河床淤积，河水受到污染。国外曾发生一起煤矸石堆滑坡事故，以至埋没了山谷下的一所小学校，造成多人伤亡事故。因此，随着我国对于保护耕地和环境保护的各项法律法规的颁布和实施，如何处理和利用煤矸石已经成为煤矿开采和环境保护部门面临的一个重要课题。
资源综合利用是治理污染、改善环境、促进可持续发展的重要措施。煤炭开采和洗选过程中产生的煤矸石既是一种固体废弃物，也是可以利用的资源。目前，国内外煤歼石综合利用的途径主要有利用煤矸石发电，生产建材，开发煤矸石中的共、伴生矿物，利用煤矸石生产肥料，利用煤矸石筑路、填坑、土地复垦等。
2.国外煤矸石综合利用现状目前，国外对煤矸石的综合利用与国内基本相同，主要集中在利用煤矸石发电，生产建材，及开发煤矸石中的共、伴生矿物等方面。近年来国外科学家还研究发现，煤矸石中含有多种农作物生长所必需的微生物肥料成分。但关于利用煤矸石生产土壤扩蓄增容剂，变废为宝的多功能综合利用技术，却鲜见报道。
3.国内煤矸石综合利用现状扩大煤矸石综合利用是我国可持续发展的必然要求。坚持“因地制宜，积极利用”的指导思想，实行“谁排放、谁治理”、“谁利用、谁受益”的原则，在国家关于煤矸石综合利用一系列鼓励政策的引导下，我国煤矸石综合利用规模不断扩大，综合利用技术水平显著提高，将资源化利用与企业发展相结合，资源化利用与污染治理相结合，实现了经济效益、环境效益、社会效益的统一。
3.1煤矸石综合利用途径改革开放以来，我国引进法国等发达国家的先进技术，使煤矸石建筑材料工业的发展迈上了一个新台阶。1989年，中央两委两部联合发出综合利用煤矸石的通知，将煤矸石的资源化定为国家推行的方针，此后，又出台了一系列的减免税等优惠政策，有力地促进了煤矸石综合利用事业的发展。
3.1.1利用煤矸石作燃料供热发电含碳量相对较高，发热量在6300kJ/kg以上的煤矸石，适宜用作燃料发电。利用丰富的煤矸石燃烧，代替优质煤发电供热，既利用了煤矸石的热值，又节约了煤炭，还减少了环境污染、废物占地和水土流失。
平煤集团建成的3座综合利用电厂，每年可消耗煤泥23万吨、煤矸石30万吨，年可发电5.2亿千瓦时，实现销售收入1.6亿元，目前，平顶山市区己经全部取消了小锅炉，实现了集中供热，全市50％以上的餐饮企业和90％以上的居民用上了煤气、液化气等清洁燃料，城市空气和环境质量明显提高，实现经济效益和生态效益双丰收。
2005年8月，总投资近14亿元的重庆松藻煤电公司矸石发电厂己经进入到输电阶段，该电厂正式投产后，年发电量将达到16亿千瓦时。重庆目前批准了7个煤矸石资源综合利用电厂，装机总容量达58万千瓦.这些项目建成后，可年利用煤矸石360万吨，年发电35亿千瓦时。
3.1.2回收矿产资源，制取化工产品煤矸石中含有硫、铝、铁、钡、钙、钛、硅等50多种元素，当煤矸石中某一种或几种元素富集到具有工业利用价值时，便可提取化工原料或化工产品。
煤矸石可以制取碱式氯化铝和水玻璃；以煤矸石为原料，通过破碎、焙烧、连续酸溶、浓缩结晶、沸腾分解和配水聚合等工序，用酸溶法制取聚合氯化铝的技术已经成熟，且生产过程产生的残渣可用作水泥配料，或制成水玻璃和碳黑等产品；经过破碎、酸解、过滤提纯、蒸发结晶和脱水烘干等工序可制备出十八水硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)，生产工艺简单，产品质量可靠。对于二氧化二铁含量较高的煤矸石，可采用直流矿热炉冶炼硅铝铁合金。我国北方石炭一二叠纪煤系地层中，有一种不可多得的煤矸石——高铝煤矸石，它以高岭石为主要矿物成分，是我国特有的新型粘土资源，世界罕见。我国的这种高铝煤矸石，不仅储量大，分布稳定，而且质量优异，有一定的开采价值，有明显的资源优势。以前，这种煤矸石绝大多数都当作废石废料被排放堆弃，造成巨大的资源浪费和环境污染。今天，若对它加以综合利用，则可变废为宝。我们可以充分利用该资源，研制出工业市场迫切需要的、具有更高利用价值的矿物新材料——高纯度硅酸铝耐火纤维节能新产品、高纯莫来石及其复合材料等。这种用煤矸石综合开发出来的矿物新材料，不仅具有重要的科学意义，而且具有重大的经济和社会意义。
3.1.3在建材中的应用(1)制砖。利用煤矸石制砖包括用煤矸石生产烧结砖和作烧砖内燃料。煤矸石一般占坯料重量的80％以上，有的全部以煤矸石为原料，煤矸石经破碎、粉磨、搅拌、压制、成型、干燥、焙烧，制成矸石砖。利用煤矸石生产烧结砖一般采用全内燃焙烧技术，即用煤矸石自身的发热量提供热能来完成干燥和焙烧的工艺过程，基本不需外加燃料。仅在煤矸石发热量较低时(＜2.1～4.2MJPkg)才向矸石中掺入少量煤炭。每万标块煤矸石砖比粘土砖约节省1吨标煤，不用或少用30％的土地，但其性能与普通粘土砖相同。用煤矸石作烧砖内燃料制砖生产工艺与用煤作燃料基本相同，仅需增加煤矸石的粉碎工序。
(2)制水泥。煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3的总含量一般在80％以上，是一种天然的粘土质原料，可代替粘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。衡阳市白沙煤电集团方宁建材公司利用煤矸石取代粘土生产水泥，节约了生产成本，为企业生产经营带来了可观的经济效益和社会效益。
(3)作水泥混合材和混凝土掺合料。煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性，可掺入水泥中作活性混合材料，改善水泥的性能，降低水泥的生产成本。如大同水泥集团有限公司利用煤矸石作水泥混合材，其各项技术指标都能符合水泥生产的技术要求，并使生产成本降低3.84元/吨。
煤矸石也可以替代部分水泥，作为活性掺合料掺入混凝土中，从而改善水泥浆体的级配组成，提高混凝土的工作性、密实度和抗硫酸盐侵蚀性等。但用煤矸石粉直接作为混凝土掺合料使用的工程实例很少，至今未能推广到混凝土生产中去，有待于加强这方面的研究(4)生产轻集料和空心砌块。将含碳量＜13％的碳质页岩矸或选煤厂排出的洗矸，经破碎磨细加水成球，用烧结机或回转窑工艺焙烧，矸石球膨胀，冷却后即成煤矸石轻骨料。以煤矸石生产的轻集料作为骨料，水泥为胶结材料，加入少量外加剂，加水搅拌并经成型、自然养护而成的空心砌块简称煤矸石空心砌块。这种砌块性能稳定，可取代全部砂石和水泥，并具有质轻、高强、工艺简单、成本低和利废率高、使用效果好等优点，用煤矸石空心砌块代替普通砖，可以节约大量粘土，减少用土毁田。
(5)作筑路和填充材料。煤矸石具有很好的抗风雨侵蚀性能，国外已广泛利用自燃煤矸石作为筑路材料。实践证明，它是一种与碎石土相似的良好的筑路材料，具有良好的水稳性。煤矸石混合料作道路基层材料，其强度、冻稳性和抗温缩防裂性，均能满足多种等级公路的规范要求，而且有些混合料的性能还优于常用的基层材料。因此，用煤矸石作道路基层材料具有广泛的推广价值。利用煤矸石作塌陷区复地的充填材料，可使采煤破坏的土地得到恢复，由于煤矸石中含有大量SiO2和Al2O3等，若加上少量石灰或水泥调制成灰浆，可提高充填体的强度和密实性。
3.1.4利用煤矸石生产复合农肥近年来国外科学家研究发现，煤矸石中含有多种农作物生长所必需的微生物肥料成分。北京林业大学、山西潞安矿业集团、潞安职业技术学院合作组建的科研课题组，筛选出两种适合以煤矸石为基质生产生物肥料的菌种，成功研制出煤矸石复合微生物肥料生产工艺。经国家农业部谷物品质监督检验测试中心检测，施用煤矸石复合微生物肥料的青椒、玉米、谷子，分别比施用普通化肥的同类农作物增产9.3％、0.4％和10.3％，维生素BI含量提高103.1％。测试结果表明，这种肥料具有无毒、无害、无污染、广谱、优质、高效等优点。
以煤矸石和廉价的磷矿粉为原料基质，外加添加剂等，可制成煤矸石微生物肥料，这种肥料可作为主施肥应用于种植业。利用煤矸石的酸碱性及其中含有的多种微量元素和营养成分，可将其用于改良土壤，调节土壤的酸碱度和疏松度，并可增加土壤的肥效。
我国是农业大国，水资源紧缺且肥料水分利用率低下，水肥高效利用是农业生产的关键，因此，如何减少水肥损失，提高水肥利用效率是当前农业生产中面临的重大问题。同时，随着科学技术的不断进步，如何有效地利用工业废渣，变废为宝，减轻环境污染，是当前全世界共同关注的话题。目前，煤矸石再利用的科技越来越多，但是这些大多局限在工业领域，而将其作为扩蓄增容剂用于农业上的研究相对较少且不成熟。本发明的指导思想就是利用外来介质既煤矸石制备土壤扩蓄增容剂，施入土壤中提高土壤的持水能力，减少农业发展中用水量，提高天然降水利用率和土壤持水保水能力，同时其还可提高土壤的肥力，这样既促进农业发展，又变废为宝保护了环境。
发明内容
本发明目的在于提供一种土壤扩蓄增容剂及其制备方法，原料采用城乡建筑垃圾、生活炉渣、煤矸石、污水污泥、作物秸秆、秸秆活性炭、秸秆木炭以及废弃生活垃圾等，能够洁净生产出有利生态农业的新型扩蓄增容剂产品，这些产品可广泛应用于生态农业节水工程中，有利于充分利用天然降水，保水保肥，增产增收。
为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种土壤扩蓄增容剂，其特征在于，制得的该土壤扩蓄增容剂由以下原料及其重量百分比组成煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氢钾10％～20％、磷酸二铵15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、农作物混合秸秆10％～18％，上述原料的百分比之和为100％。
上述土壤扩蓄增容剂的制备方法，其特征在于，该方法选用经筛选分级的煤矸石为主要原料，并加入磷酸二氢钾、磷酸二铵、油菜渣、秸秆、尿素、高脂膜，具体包括下列步骤首先将煤矸石剔除杂物，分级，经粉碎后研磨至1mm以下，过20目筛，得到煤矸石粉末；将辅料磷酸二氢钾，磷酸二铵，油菜渣，农作物混合秸秆风干，分别粉碎并研磨至1mm以下，过20目筛备用；将煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氢钾10％～20％、磷酸二铵15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、作物混合秸秆10％～18％混合，搅拌均匀，经制粒、包装即得。
采用本发明制备的土壤扩蓄增容剂可充分提高煤矸石的综合利用效率，变废为宝。同时可提高水分利用率10％以上，更能增产增收。经实验研究证明，本发明制备的扩蓄增容剂，施用于棉花等作物，离地表面20cm-30cm的土壤层含水量增高2％，每公顷节水900m3～1000m3，可增产12％以上，农民节约投资2250元/hm2～3000元/hm2。日产100吨的企业，年可生产30000余吨扩蓄增容剂产品，产值3000余万元，节约天然雨水1800万m3～3000万m3。可安排农村剩余劳动力300-500人，农民增收300-500万元，每年产品可施用土地面积200万公顷，增产增收7500万元。因此具有良好的社会效益，环境效益和生态效益。
图1是本发明的制备方法工艺流程图；图2是基础材料吸水效果图；图3是基础材料保水效果图；图4是扩蓄增容剂对苗干重的影响图。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明所述的土壤扩蓄增容剂是指能有效改善土壤团粒结构、增加土壤有效孔隙的扩蓄增容，抑制土壤表面无效蒸发、有效改善土壤持水保水能力的复合材料。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是这些实施例均为本发明较优的实例，本发明并不限于这些实施例，本领域的技术人员按照本发明公开的方案，对其中的技术特征所作的等效替换、添加，均属于本发明的保护范围。
实施例1本实施例的土壤扩蓄增容剂，由以下原料及其重量百分比组成煤矸石粉末40％、磷酸二氢钾10％、磷酸二铵20％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸秆18％。
制作上述土壤扩蓄增容剂方法，具体包括下列步骤(1)原料选择煤矸石废弃资源，剔除其中杂物另作他用。将煤矸石等原料分级，然后粉碎研磨至1mm(20目)以下，研磨后过筛备用。
(2)再将辅料磷酸二氢钾，磷酸二铵，油菜渣，混合作物秸秆等风干，粉碎，研磨，过1毫米(20目)筛备用。
(3)将煤矸石粉末40％、磷酸二氢钾10％、磷酸二铵20％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸秆18％混合，搅拌均匀。
经常规的制粒机制粒(采用山东青山市制粒机)、包装(25公斤/袋)即可得到土壤扩蓄增容剂。
实施例2本实施例与实施例1所不同的是原料的成分有所不同，其制备方法与实施例1相同。
原料及其重量百分比组成为煤矸石粉末35％、磷酸二氢钾15％、磷酸二铵15％、油菜渣15％、尿素2％，高脂膜1.5％、作物混合秸秆16.5％。
实施例3
本实施例与实施例1所不同的是原料的成分有所不同，其制备方法与实施例1相同。
原料及其重量百分比组成为煤矸石粉末45％、磷酸二氢钾18％、磷酸二铵15％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸秆10％。
实施例4本实施例与实施例1所不同的是原料的成分有所不同，其制备方法与实施例1相同。
原料及其重量百分比组成为煤矸石粉末40％、磷酸二氢钾16％、磷酸二铵15％、油菜渣15％、尿素1％，高脂膜2％、作物混合秸秆11％。
实施例5本实施例与实施例1所不同的是原料的成分有所不同，其制备方法与实施例1相同。
原料及其重量百分比组成为煤矸石粉末40％、磷酸二氢钾15％、磷酸二铵15％、油菜渣12％、尿素3％，高脂膜1％、作物混合秸秆14％。
实施例6本实施例与实施例1所不同的是原料的成分有所不同，其制备方法与实施例1相同。
原料及其重量百分比组成为煤矸石粉末35％、磷酸二氢钾15％、磷酸二铵15％、油菜渣20％、尿素2％，高脂膜1％、作物混合秸秆12％。
上述实施例中的高脂膜是20年前由北京农业大学韩金声教授研究成功，在果树等作物上应用有一定效果。高脂膜是一种油性物质，实验证明加入适量的高脂膜对保水保墒有一定的促进作用。
采用本发明的土壤扩蓄增容剂，每公顷用量为750kg-1500kg。实验表明，棉花等作物可增产12％以上，提高水分利用效率10％以上，在干旱半干旱地区，能充分利用天然降雨，保水保肥提高土壤肥力，有利于生态保护。
本发明采取室内与大田试验相结合的方法，对制备的土壤扩蓄增容剂进行了验证，实验采取基础材料粉碎、研磨后装营养钵、置于瓷盘内自行吸水、失水的方法。土壤为对照，重复四次，连续实验2-3次，然后计算其吸水性、吸水速率、保水性以及失水特性。优先选择吸水、保水、失水效果好的基楚材料为扩蓄增容剂主要原料，辅料选择有利扩蓄增容无机有机肥料和化合物，进一步粉碎、研磨，搅拌均匀后再行营养钵自行吸水、保水、失水实验，土壤为对照，重复4次，连续实验2-3次，然后计算吸水性、吸水速率、保水性以及失水特性。优先选择吸水、保水、失水效果良好的扩蓄增容剂配方，进行土壤不同水平模拟实验，按材料特性和产品成本进行不同作物苗期鲜、干重鉴定，进一步测试扩蓄增容剂新产品对作物苗期鲜、干重的影响，从中筛选最佳的配方及施用量。在此基楚上，再行大田试验示范。经多年多点试验示范，选择效果最好的配方，加工，生产，检验，在大田推广。
保水、失水实验实施例扩蓄增容剂的基础材料的选择最重要，所有合成剂所使用的原料及辅料均有吸水、保水、失水等功能。据此，发明人设计了不同质地基础材料的吸水、保水、失水实验，实验结果见表1、表2、图1、图2。
表1基础材料吸水效果表(g)
表2基础材料失水效果表
由表1、表2、图2、图3可知小麦和玉米秸秆吸水性最强，为本身重量的20倍以上；煤矸石吸水性高于土壤(对照)；经六天(温度50℃、湿度30％)失水后，含水量比对照高12.3个百分点，因此，具有一定保水性；且是磷酸二铵、磷酸二氢钾的良好载体；油菜渣吸水性明显高于土壤(对照)。因此，以上基础材料是合成扩蓄增容剂的优质材料。
土壤扩蓄增容剂的实验研究结果利用基础材料合成土壤扩蓄增容剂后，经实验研究，对作物(棉花等)苗期鲜、干重具有良好的促进作用，详见表3、图4。
表3土壤扩蓄增容剂不同水平对棉苗干重的影响(g/株)
由表3、图4可知，利用煤矸石生产土壤扩蓄增容剂，在棉花苗期实验结果显示，比土壤(对照)高2个百分点，说明本发明制备的土壤扩蓄增容剂不仅节水保墒，而且能提高土壤肥力，促进棉苗生长，增加干物质积累，因此，利用煤矸石等废弃资源生产土壤扩蓄增容剂，无疑是节水农业，生态农业的一项创新技术。
本发明带来的技术效果是(1)环境效益利用煤矸石、作物秸秆、油菜渣与磷酸二氢钾，磷酸二铵等辅料混合后生产土壤扩蓄增容剂，大大减少蚊蝇等的滋生机会，降低病原菌存活时间，切断了病原菌传播到人类的途径，避免了城市污水污泥二次污染和城市垃圾的潜在威胁。将城市固体废物回用到自然中，在保护城市环境的同时，又解决了农业上造成的偏施无机肥，使土壤养分比例失调、土壤退化等问题，有利于农业生态环境良性循环和农业经济的可持续发展。
(2)社会效益把煤矸石、作物秸秆、油菜渣等废弃资源充分综合利用，生产农用土壤扩蓄增容剂，为农业部门提供了优质、价廉、高效的生态肥料，也使作物增产增收，同时变废为宝，既发展了环保产业，同时也为城市、乡村增加了新的就业机会。
(3)经济效益若按年产3000万吨的生产能力进行经济核算，按照本研究的方法生产出的土壤扩蓄增容剂成本价为800～850元/吨，而市售高效三元复合肥市场售价一般为1100～1200元/吨，每年可增加3000万元产值。因此本发明的土壤扩蓄增容剂有较好的经济效益，市场应用前景广泛。
权利要求
1.一种煤矸石制备的土壤扩蓄增容剂，其特征在于，制得的该土壤扩蓄增容剂由以下原料及其重量百分比组成煤矸石35％～45％、磷酸二氢钾10％～20％、磷酸二铵15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％，作物混合秸秆10％～18％，上述原料的百分比之和为100％。
2.权利要求1所述的煤矸石制备的土壤扩蓄增容剂的制备方法，其特征在于，该方法选用经筛选分级的煤矸石为主要原料，并加入辅料磷酸二氢钾、磷酸二铵、油菜渣、秸秆、尿素、高脂膜及其作物混合秸秆，具体包括下列步骤首先将煤矸石剔除金属、木屑、塑料杂物，分级，经粉碎后研磨至1mm以下，过20目筛，得到煤矸石粉末；将辅料磷酸二氢钾，磷酸二铵，油菜渣，作物混合秸秆风干，分别粉碎并研磨至1mm以下，过20目筛备用；将煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氢钾10％～20％、磷酸二铵15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％、高脂膜1％～2％、作物混合秸秆10％～18％混合，搅拌均匀，经制粒、包装即得。
全文摘要
本发明公开了一种煤矸石制备的土壤扩蓄增容剂，制得的该土壤扩蓄增容剂由以下原料及其重量百分比组成煤矸石35％～45％、磷酸二氢钾10％～20％、磷酸二铵15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、作物混合秸秆10％～18％。其制备方法是先将煤矸石剔除杂物，分级，经粉碎后研磨至1mm以下，过20目筛，将辅料磷酸二氢钾，磷酸二铵，油菜渣，作物混合秸秆风干，分别粉碎并研磨至1mm以下，过20目筛，然后混合，搅拌均匀，经制粒、包装即得。每公顷施用750kg－1500kg。棉花等作物可增产12％以上，提高水分利用效率10％以上，在干旱半干旱地区，能充分利用天然降雨，保水保肥提高土壤肥力，有利于生态保护。
文档编号C05F11/02GK101045659SQ20071001779
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者冯浩, 吴普特, 杜健, 赵西宁, 许晓平, 杜璇, 张燕, 李卓, 洪小强, 张月丽, 胡森, 秦勇 申请人:西北农林科技大学