趙寶龍

(山西沁新能源集團(tuán)股份有限公司煤轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)中心，長(zhǎng)治 046500)

0 引 言

煤矸石是煤在形成過(guò)程中與煤共同沉積的以無(wú)機(jī)化合物為主的混合體，主要成分為硅、鋁、鈣、鎂、鐵的復(fù)雜氧化物，從礦井中采掘出的原煤經(jīng)過(guò)洗選加工后將煤矸石分離，分離后的煤矸石作為固體廢棄物進(jìn)行露天堆積處理，對(duì)環(huán)境造成了較大的污染，特別是近年來(lái)開(kāi)采的優(yōu)質(zhì)煤種的原煤含矸量增加，部分洗選產(chǎn)生的煤矸石量占到原煤的30%～40%，甚至更高，導(dǎo)致選煤排矸量巨大，特別是當(dāng)煤煤矸石的硫分過(guò)高時(shí)，矸石中所含的硫化鐵等成分與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)不斷散發(fā)熱量，聚集的熱量將洗選過(guò)程中殘留在煤矸石殘留的有機(jī)碳質(zhì)可燃物引燃，最終造矸石山的自燃，釋放出大量SO2、CO、H2S等有害氣體，對(duì)周邊的大氣環(huán)境造成污染，同時(shí)有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)[1]。

對(duì)于矸石山自燃后除滅火方法，常用的有噴漿灌注、深部注漿和推平壓實(shí)等方法，但由于自燃矸石山的高溫區(qū)位于內(nèi)部，造成滅火困難。為了提高治理矸石山自燃的主動(dòng)性，從煤矸石的源頭進(jìn)行治理，按照“以防為主，防治結(jié)合”的原則，對(duì)排入矸石山的煤矸石進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)降低煤矸石中的硫鐵礦含量防止煤矸石自燃[2]。

1 煤矸石山自燃原因分析

造成煤矸石山自燃的原因有很多，其中有黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)、煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)、細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)、晶核理論與自由基作用學(xué)說(shuō)和揮發(fā)分學(xué)說(shuō)等，下面為黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)和煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)的主要觀點(diǎn)為研究?jī)?nèi)容[3]。

(1)煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)：由于煤矸石是煤炭在洗選過(guò)程中分離出的產(chǎn)物，受洗選效率和洗選精度的限制，洗選后產(chǎn)生的煤矸石會(huì)夾帶部分灰分較高的煤(精煤和中煤)，并且煤矸石在與煤共同沉積過(guò)程中本身也含有部分可燃有機(jī)碳，測(cè)定灰分80%以上的煤矸石發(fā)熱量在800大卡左右，說(shuō)明煤矸石可與氧氣在一定條件下反應(yīng)會(huì)釋放出熱量，當(dāng)外界條件適宜時(shí)，由于煤吸附空氣中的氧氣后發(fā)生氧化放熱，熱量不能及時(shí)釋放，達(dá)到自燃著火點(diǎn)后導(dǎo)致矸石山發(fā)生自燃。

(2)黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)：對(duì)于高硫原煤洗選后產(chǎn)生的煤矸石，當(dāng)高硫煤中的硫是以有無(wú)機(jī)硫(硫鐵礦)為主時(shí)，洗選后大量的硫會(huì)進(jìn)入煤矸石，在一定條件下，煤矸石中的硫化鐵會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)而釋放出大量熱，在矸石山內(nèi)部熱量不能及時(shí)有效的釋放，當(dāng)熱量聚集到一定程度后達(dá)到煤的著火點(diǎn)后點(diǎn)燃了矸石中的殘留有機(jī)可燃物造成矸石山的自燃。

2 不同硫分矸石的篩分試驗(yàn)分析

依據(jù)黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)和煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)的觀點(diǎn)進(jìn)行分析后認(rèn)為導(dǎo)致煤矸石自燃的主要原因?yàn)辄S鐵礦氧化和煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因的雙重作用產(chǎn)生的，特別是對(duì)于高硫煤洗選產(chǎn)生的高硫矸石，氧化自燃更容易發(fā)生，為分析高硫矸石和低硫矸石中的硫鐵礦含量，對(duì)其進(jìn)行篩分分析和矸石形態(tài)硫及自燃傾向性的分析研究。

2.1 高硫煤矸石篩分試驗(yàn)

對(duì)高硫煤洗選產(chǎn)生的煤矸石進(jìn)行自然級(jí)篩分試驗(yàn)，分析匯總各粒級(jí)產(chǎn)物的產(chǎn)率、硫分和灰分的分布情況，具體的分析指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 高硫矸石自然級(jí)篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

根據(jù)試驗(yàn)匯總的數(shù)據(jù)分析：

(1)高硫煤矸石各粒級(jí)硫分分布極不均勻，特別是矸石的粒度組成中>50 mm的矸石占比為33.35%，但這部分矸石的硫分只有0.20%，是可以考慮作為低硫矸石處理的。

(2)高硫煤矸石粒度組成中13～25 mm粒級(jí)的矸石硫分最高，全硫含量達(dá)到7.26%，灰分也相對(duì)較高，達(dá)到83%以上，產(chǎn)率占比為17.13%，可見(jiàn)矸石中硫分的分布情況為中等粒級(jí)的顆粒硫分較高，灰分較高，矸石較純。

(3)高硫矸石中硫分超過(guò)4.0%的產(chǎn)率占比達(dá)到46.49%，粒度集中在13～50 mm，分析矸石中與其他礦物結(jié)合的含硫礦物主要集中在該粒級(jí)范圍，可通過(guò)對(duì)矸石的粒度分級(jí)預(yù)處理將高硫分的矸石提前分離，從而降低矸石山自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 低硫煤矸石篩分試驗(yàn)

對(duì)低硫煤洗選產(chǎn)生的煤矸石進(jìn)行自然級(jí)篩分試驗(yàn)，分析匯總各粒級(jí)產(chǎn)物的產(chǎn)率、硫分和灰分的分布情況，具體的分析指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。

表2 低硫矸石自然級(jí)篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

根據(jù)上表2數(shù)據(jù)分析可以知，低硫煤洗選后產(chǎn)生的矸石各粒級(jí)硫分分布相對(duì)均勻，與高硫煤矸石規(guī)律有所不同的是矸石中硫分最低的粒度組成分布在13～25 mm，硫分含量為0.05%，產(chǎn)率為26.28%，其他粒級(jí)的硫分相對(duì)較高，-0.5 mm的硫分最高，總體來(lái)看，低硫煤矸石隨著粒度的降低，硫分呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

3 不同硫分矸石的形態(tài)硫和自燃傾向性分析

根據(jù)對(duì)各類(lèi)矸石的篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取部分粒級(jí)的煤矸石檢測(cè)矸石的形態(tài)硫和矸石的自燃傾向性，需要說(shuō)明的是由于矸石沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的自燃傾向性化驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本次對(duì)煤矸石自燃傾向性的檢測(cè)化驗(yàn)方法按照煤的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，檢測(cè)匯總情況見(jiàn)表3。

表3 高、低硫矸石的形態(tài)硫和自燃傾向性檢測(cè)匯總表

根據(jù)上表4數(shù)據(jù)分析可以得出：

(1)高硫矸石中的硫以硫鐵礦硫?yàn)橹?，有機(jī)硫占比較低，只有1.72%，粒度分級(jí)后50 mm以上的矸石中有機(jī)硫的含量增加，說(shuō)明高硫矸石中有機(jī)硫主要富集在粒度較大的矸石中。低硫矸石中以有機(jī)硫?yàn)橹鳎袡C(jī)硫占比達(dá)到了75%以上。從理論來(lái)說(shuō)，有機(jī)硫主要是以噻吩、硫醇/硫醚、亞砜形式存在，且噻吩及硫醇/醚含量較高，這些形式只有在可燃體中才存在，可見(jiàn)煤矸石中有機(jī)硫分主要集中在可燃體組分，有機(jī)硫分的存在也證明煤矸石中是有一定量的碳類(lèi)有機(jī)質(zhì)的。

(2)高硫矸石在粒級(jí)為13～25 mm中，硫化鐵硫占比達(dá)到98.74%，說(shuō)明煤矸石中的硫分主要集中在矸石的不可燃組分中，并且以硫鐵礦的形式存在。通過(guò)對(duì)比各粒級(jí)矸石的吸氧量數(shù)值，13～25 mm粒級(jí)矸石的吸氧量最大，達(dá)到了0.41 cm3/g，自燃傾向性等級(jí)為II級(jí)，與空氣接觸有發(fā)生自燃的傾向。對(duì)于低硫矸石來(lái)說(shuō)，吸氧量都在0.3 cm3/g以下，均為不易自燃。通過(guò)對(duì)比高、低硫矸石各粒級(jí)的吸氧量數(shù)值，可知高硫矸石中硫鐵礦硫的占比量對(duì)矸石的吸氧量影響較大，規(guī)律為矸石中隨著硫鐵礦的增加，矸石的吸氧量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且高硫矸石的吸氧量明顯高于低硫矸石。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)高硫煤矸石中的含硫礦物主要以硫鐵礦的形式存在，低硫煤矸石中硫主要以有機(jī)硫?yàn)橹?。?duì)于高硫矸石來(lái)說(shuō)，由于硫鐵礦與空氣接觸后發(fā)生氧化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出熱量，當(dāng)熱量不能及時(shí)釋放時(shí)，隨著溫度的升高會(huì)加劇硫鐵礦的氧化速率，釋放出更多的熱量，當(dāng)熱量達(dá)到煤矸石中可燃有機(jī)物的著火點(diǎn)后即發(fā)生自燃現(xiàn)象，對(duì)于低硫矸石自燃傾向性為不易自燃，對(duì)于矸石山處理硫分不同的矸石可以采用分級(jí)治理的方法，重點(diǎn)治理高硫煤矸石的自燃。

(2)高硫矸石與低硫矸石由于硫鐵礦含量的顯著差異是造成矸石的吸氧量不同的一個(gè)重要因素。高硫矸石中硫鐵礦的含量與矸石的吸氧量呈正向關(guān)系，隨著矸石硫鐵礦含量的增加，吸氧量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。本次試驗(yàn)的高硫煤矸石中，當(dāng)矸石中的硫鐵礦含量達(dá)到5%以上時(shí)，自燃傾向性等級(jí)為II級(jí)，屬于易自燃煤矸石，雖然本次測(cè)煤矸石的自燃傾向性采用煤的標(biāo)準(zhǔn)，但也可以區(qū)分煤矸石的自燃傾向，有一定的參考價(jià)值。在矸石上自燃的學(xué)說(shuō)方面，黃鐵礦氧化學(xué)說(shuō)和煤-氧復(fù)合物導(dǎo)因?qū)W說(shuō)是相輔相成的，如果矸石中沒(méi)有可燃有機(jī)質(zhì)，即使黃鐵礦氧化釋放出的熱量足夠多也不可能引起矸石的自燃，如果煤矸石中沒(méi)有黃鐵礦與空氣中的氧氣反映釋放出熱量，單純依靠矸石中可燃有機(jī)質(zhì)與氧氣反應(yīng)達(dá)到其自燃的溫度也較為困難。

(3)試驗(yàn)的高硫煤矸石中硫鐵礦主要集中在粒度為13～50 mm范圍內(nèi)，可通過(guò)對(duì)煤矸石進(jìn)行預(yù)篩分處理，將該粒級(jí)的矸石進(jìn)行單獨(dú)處理，其余的矸石即可按照低硫煤矸石進(jìn)行處理，起到依據(jù)煤矸石的自燃程度實(shí)現(xiàn)煤矸石的分級(jí)處理，減少了部分煤矸石的自燃傾向，起到了從源頭對(duì)矸石山的自燃進(jìn)行治理和預(yù)防作用。