一种煤矸石的综合利用系统及方法与流程

本申请涉及固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种煤矸石的综合利用系统及方法。

背景技术：

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，其主要成分是al2o3和sio2。我国煤矸石堆积量35亿吨以上，占中国工业固体废物排放总量的40％以上。因煤矸石中含有10％-30％的碳成分和一定量的腐殖酸，在堆放时不但占用大量土地，其所含的硫化物还直接污染地下水，空气和土壤，造成环境污染，甚至可能通过环境介质直接或间接进入人体，威胁人体健康，另外，大量的煤矸石露天堆放形成矸石山，长期堆积中还可能自燃，甚至造成地质灾害滑坡泥石流等。为了消除污染，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。

目前，最便捷且成本较低的处理方式是将煤矸石用作充填物填充煤矿的塌陷区及矿坑，以及沉陷公路、堤坝等，但该方法并不能充分利用煤矸石中的固定碳以及硅铝成分，附加值较低。

相关技术中，多将煤矸石作为低热值燃料与其他燃料或助燃剂混配后，进行燃烧发电，或将煤矸石研磨后与磷酸钙混合，再加入活化剂和水制作出新型的有机复合肥，利用煤矸石中的有机质及微量元素可以改善土壤，调节土壤的ph值和疏松度，对土壤起到增肥的作用。

但是，上述方法均对煤矸石的利用途径较为单一，利用力度较弱，且处理过程对于环保的重视程度不高，缺乏系统的综合利用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷之一，本申请的目的在于提供一种煤矸石的综合利用系统及方法，对于含碳量不均匀的煤矸石，可进行最大限度利用。

本申请第一方面提供一种煤矸石的综合利用系统，其包括：

分选子系统，其用于将原矿煤矸石进行破碎筛分，得到碳富集料和矸石粒料；

气化子系统，其用于接收上述碳富集料，并对碳富集料进行连续高温热解气化，还用于将产生的高温可燃气进行热交换，并将热交换后产生的水蒸气作为气化剂，将热交换后产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统进行脱硫脱硝处理；

回收子系统，其用于接收脱硫脱硝处理后的净可燃气，并将净可燃气部分输送至气化子系统作为气化燃料，部分驱动内燃机进而驱动发电机产生电能；

第一衍生制造子系统，其用于以热解气化产生的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤；

第二衍生制造子系统，其用于以热解气化产生的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材；

第三衍生制造子系统，其用于以热解气化产生的部分高温炉渣和冰晶石作为原料，制备硅铝复合板；

上述回收子系统还用于将产生的电能分别输送至上述分选子系统、气化子系统、第一衍生制造子系统、第二衍生制造子系统和第三衍生制造子系统。

一些实施例中，还包括第四衍生制造子系统；

上述分选子系统还用于将上述矸石粒料破碎，并再次筛分，得到机制砂和粒径大于该机制砂的不同粒径的石富集料；

第四衍生制造子系统用于以不同粒径的石富集料制备砼骨料。

一些实施例中，上述系统还包括：

第五衍生制造子系统，其用于以热解气化产生的部分高温炉渣、脱硫石膏和上述机制砂为原料，制备发泡陶板；

上述回收子系统还用于将产生的电能分别输送至第四衍生制造子系统和第五衍生制造子系统。

一些实施例中，上述气化子系统包括：

竖式气化炉，其用于接收上述碳富集料，并对碳富集料进行连续高温热解气化；

蒸汽发生器，其用于对上述竖式气化炉产生的高温可燃气进行热交换，并将产生的水蒸汽输送至上述竖式气化炉内作为气化剂，以及将产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统。

本申请第二方面提供一种煤矸石的综合利用方法，其包括步骤：

将原矿煤矸石进行破碎筛分，得到碳富集料和矸石粒料；

将上述碳富集料进行连续高温热解气化，对产生的高温可燃气进行热交换，并将热交换产生的低温可燃气进行脱硫脱硝处理，得到净可燃气；

将上述净可燃气部分作为热解气化的气化燃料，部分驱动内燃机进而驱动发电机产生电能；

以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤；

以热解气化后的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材；

以热解气化后的部分高温炉渣和冰晶石作为原料，制备硅铝复合板。

一些实施例中，上述方法还包括：

将上述矸石粒料破碎，并再次筛分，得到机制砂和粒径大于该机制砂的不同粒径的石富集料；

以热解气化产生的部分高温炉渣、脱硫石膏以及机制砂为原料，制备发泡陶板。

一些实施例中，上述以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤，具体包括：

将部分高温炉渣输送至马弗炉，进行高温煅烧，随炉降温，得到熟料；

将上述熟料进行磨粉，得到的粉料置于电弧炉中，熔融喷丝得到陶瓷短纤。

一些实施例中，上述以热解气化后的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材，具体包括：

按照2-4：100的质量份数比将固化剂溶解于水中形成固化剂水溶液；

按重量份取上述炉渣30-50份、水泥2-6份、陶瓷短纤0.2-0.4份、以及固化剂水溶液6-10份，混合均匀后得到砂浆状混合物；

将上述砂浆状混合物注入网格模具内抹平后，加压成型得到预制板；

对上述预制板自然养护后，得到上述无机板材。

一些实施例中，上述以热解气化后的部分高温炉渣和冰晶石作为原料，制备硅铝复合板，具体包括：

以重量份数计，将100份高温炉渣加入反应釜中，升温至850-950℃后，加入3-7.5份冰晶石；

在保持搅拌的条件下，将上述反应釜置于均匀磁场进行磁化，得到熔融状产物；

将上述熔融状产物注入板坯模具成型并轧制，得到硅铝复合板坯；

将上述硅铝复合板坯的两面分别进行至少两次表面熔覆、及至少两次轧制，得到硅铝复合板；表面熔覆的熔覆材料为上述硅铝复合板坯的表面经熔融后得到的熔融层脱氧得到；

每次表面熔覆后进行轧制，再继续表面熔覆。

一些实施例中，还包括：

以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备氧化亚硅。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种煤矸石的综合利用系统及方法，由于气化子系统可将分选子系统筛分得到的碳富集料进行连续高温热解气化，并将产生的高温可燃气进行热交换，以及将热交换后产生的水蒸气作为气化剂，将热交换后产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统经脱硫脱硝得到净可燃气，然后将净可燃气部分输送至气化子系统作为气化燃料，部分驱动内燃机进而驱动发电机产生电能，以供分选子系统、气化子系统、第一衍生制造子系统、第二衍生制造子系统和第三衍生制造子系统的用电，另外，热解气化产生的炉渣还可作为原料，制备陶瓷短纤、无机板材和硅铝复合板，因此，对于含碳量不均匀的煤矸石，可进行最大限度利用，实现无燃烧地有效脱碳和能源聚集，且产生的清洁能源可供整个设备利用，实现近零污染、零排放和循环利用的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的综合利用方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的制备发泡陶板的流程图；

图3为本申请实施例提供的制备陶瓷短纤的流程图；

图4为本申请实施例提供的制备无机板材的流程图；

图5为本申请实施例提供的制备硅铝复合板的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种煤矸石的综合利用系统及方法，其能解决现有煤矸石利用率不高的问题。

本申请实施例的煤矸石的综合利用系统包括分选子系统、气化子系统、回收子系统、第一衍生制造子系统、第二衍生制造子系统以及第三衍生制造子系统。

上述分选子系统用于将原矿煤矸石进行破碎筛分，得到碳富集料和矸石粒料。

上述气化子系统用于接收上述碳富集料，并对碳富集料进行连续高温热解气化，气化子系统还用于将产生的高温可燃气进行热交换，并将热交换后产生的水蒸气作为气化剂，将热交换后产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统进行脱硫脱硝处理。

上述回收子系统用于接收脱硫脱硝处理后的净可燃气，并净可燃气部分输送至气化子系统作为气化燃料，部分驱动内燃机进而驱动发电机产生电能。

上述第一衍生制造子系统用于以热解气化产生的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤。

上述第二衍生制造子系统用于以热解气化产生的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材。

上述第三衍生制造子系统用于以热解气化产生的部分高温炉渣和冰晶石作为原料，制备硅铝复合板。

上述回收子系统还用于将产生的电能分别输送至上述分选子系统、气化子系统、第一衍生制造子系统、第二衍生制造子系统和第三衍生制造子系统。其中，回收子系统产生的电能还可供其他系统使用，或保存至储能电池进行储存，或并入电网。

本申请实施例的煤矸石的综合利用系统，由于气化子系统可将分选子系统筛分得到的碳富集料进行连续高温热解气化，并将产生的高温可燃气进行热交换，以及将热交换后产生的水蒸气作为气化剂，将热交换后产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统经脱硫脱硝得到净可燃气，然后将净可燃气部分输送至气化子系统作为气化燃料，部分驱动内燃机进而驱动发电机产生电能，以供分选子系统、气化子系统、第一衍生制造子系统、第二衍生制造子系统和第三衍生制造子系统的用电，另外，热解气化产生的炉渣还可作为原料，制备陶瓷短纤、无机板材和硅铝复合板，因此，对于含碳量不均匀的煤矸石，可进行最大限度利用，实现无燃烧地有效脱碳和能源聚集，且产生的清洁能源可供整个设备利用，实现近零污染、零排放和循环利用的目的。

本实施例中，上述综合利用系统还包括第四衍生制造子系统。

上述分选子系统还包括用于将上述矸石粒料破碎，并再次筛分，得到机制砂和粒径大于该机制砂的不同粒径的石富集料。第四衍生制造子系统用于以该不同粒径的石富集料制备砼骨料，为大规模道路施工提供优质、廉价的材料。其中，机制砂和砼骨料还可用于其他混凝土工程中。

具体地，分选子系统包括振动给料机、破碎机和筛分机。煤矸石原料经振动给料机进入破碎机进行破碎、并经过筛分机进行筛分后，筛下物为粒径小于或等于5mm的碳富集料，并输送至碳富集料的仓储罐内以后续使用。5mm以上矸石粒料经皮带机送入反击式破碎机进行反破碎，破碎后的矸石粒料进入筛分机进行多级筛分，得到粒径小于或等于2mm的机制砂、粒径大于2mm且不大于5mm的第一石料、粒径大于5mm且不大于15mm的第二石料、以及粒径大于15mm的第三石料，并分别进入四个仓储罐内进行储存，以供后续使用。其中，粒径大于15mm的第三石料还可直接作为水稳材料进入水稳站。

本实施例的分选子系统分选速度快，分选效率高，可带来丰厚的原材料，充分保障后续工艺的原料需求及供给，加速对煤矸石的高效利用。可选地，分选子系统规划安排在巷道地下车间，以便于将噪音和粉尘在密封的巷道内处理，实现绿色环保的要求。

进一步地，上述系统还包括第五衍生制造子系统，第五衍生制造子系统用于以热解气化产生的部分高温炉渣、脱硫石膏和上述机制砂为原料，制备发泡陶板。

其中，脱硫石膏可选用脱硫脱硝子系统进行脱硫脱硝处理后得到的产物。

回收子系统还用于将产生的电能分别输送至第四衍生制造子系统和第五衍生制造子系统。

本实施例中，气化子系统包括竖式气化炉和蒸汽发生器。

竖式气化炉用于接收上述碳富集料，并对碳富集料进行连续高温热解气化。

上述蒸汽发生器用于对上述竖式气化炉产生的高温可燃气进行热交换，并将产生的水蒸汽输送至竖式气化炉内作为新的气化剂，以及将产生的低温可燃气输送至脱硫脱硝子系统进行脱硫脱硝。

其中，作为气化剂的水蒸汽与高温的碳富集料接触，继续发生气化反应生成可燃气。

可选地，竖式气化炉下端连接有抽气机，抽气机另一端连接蒸汽发生器，上述蒸汽发生器连接上述竖式气化炉的水蒸汽进口。抽气机用于将竖式气化炉内产生的高温可燃气抽出传输至蒸汽发生器，以保证炉内的负压。

通过竖式气化炉内热管辐射高温蒸汽对碳富集料进行高温高效脱碳处理，使碳富集料在气化炉中快速产生一氧化碳、氢气及甲烷等可燃气，经过快速回收或提纯，完成能源聚集，然后通过再次输送，成为本生产环节或下一个生产环节的能源。

可选地，上述综合利用系统还包括第六衍生制造子系统和第七衍生制造子系统。第六衍生制造子系统用于以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备氧化亚硅。

第七衍生制造子系统包括布袋除尘器和金属镓提取装置。布袋除尘器一端连接脱硫脱硝子系统，另一端连接回收子系统。布袋除尘器用于将脱硫脱硝处理后的可燃气进行气粒分离，还用于将除尘后的可燃气输送至回收子系统。金属镓提取装置用于从气粒分离得到的除尘灰中分离并提取金属镓。

本实施例的回收子系统还用于将产生的电能分别输送至上述第六衍生制造子系统和第七衍生制造子系统。

参见图1所示，本申请实施例还提供一种煤矸石的综合利用方法，其包括步骤：

s1.将原矿煤矸石运送至分选子系统进行破碎筛分，得到碳富集料和矸石粒料。

s2.将上述碳富集料通过封闭式传输带运送至气化子系统中，在气化子系统中进行连续高温热解气化，并对产生的高温可燃气进行热交换，然后将热交换产生的水蒸汽作为气化剂，将热交换产生的低温可燃气进行脱硫脱硝处理，得到净可燃气。

s3.回收子系统将上述净可燃气部分作为热解气化的气化燃料，部分输送至内燃机进而驱动发电机产生电能。

s4.以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤。

s5.以热解气化后的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材。

s6.以热解气化后的部分高温炉渣和冰晶石作为原料，制备硅铝复合板。

其中，利用回收子系统产生的电能可供本综合利用系统中各子系统用电。

可选地，以热解气化后的高温炉渣为原料，除了制备上述陶瓷短纤之外，还可制备其他陶瓷材料和耐火材料。

优选地，上述综合利用方法还包括：

首先，将上述矸石粒料破碎，并再次筛分，得到的机制砂和粒径大于该机制砂的不同粒径的石富集料。

然后，以热解气化产生的部分高温炉渣、脱硫石膏以及机制砂为原料，制备发泡陶板。

如图2所示，本实施例中，制备发泡陶板的具体过程包括：

a1.按重量份取15份高温炉渣和15份脱硫石膏进入搅拌机，搅拌均匀后通过球磨机进行磨细至小于200目。

a2.加入70份机制砂、5份石膏发泡剂、0.35份聚丙烯纤维、0.15份稳泡剂进行混合搅拌，得到混合料。

a3.将混合料通过浇注机浇注入模并静养后，通过挤压机挤压成型，得到发泡陶板板坯。其中，通过挤压机挤压成型时，将静养后的坯体表面进行轻度挤压，以便于在坯体上挤压出卯榫结构的凹槽。

a4.将发泡陶板板坯放入蒸养釜中养护，得到发泡陶板。

如图3所示，进一步地，上述步骤s4中，以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备陶瓷短纤，具体包括：

b1.将热解气化后的高温炉渣从竖式气化炉底部的螺旋卸灰机排出。

b2.将部分高温炉渣输送至马弗炉，进行高温煅烧，随炉降温，得到熟料。

b3.将上述熟料进行磨粉，得到的粉料置于电弧炉中，经熔融喷丝得到陶瓷短纤。

如图4所示，进一步地，上述步骤s5中，以热解气化后的部分降温后的炉渣和上述陶瓷短纤作为原料，制备无机板材，具体包括：

c1.按照2-4：100的质量份数比将固化剂溶解于水中形成固化剂水溶液。

c2.按重量份取上述常温炉渣30-50份、水泥2-6份、陶瓷短纤0.2-0.4份、以及固化剂水溶液6-10份，至于原料混合机中，混合均匀后得到砂浆状混合物。

c3.将上述砂浆状混合物注入网格模具内抹平后，加压成型得到预制板。

c4.对上述预制板自然养护后，得到上述无机板材。本实施例中的无机板材为无机硅酸钙板。

本实施例中，固化剂水溶液中固化剂的质量浓度为3％，该固化剂为硅酸钙。

优选地，上述无机板材按重量份包括降温后的常温炉渣40份，水泥4份，陶瓷短纤0.3份，硅酸钙水溶液8份，无机板材的抗压强度可达到26mpa，抗折强度可达到4.1mpa。其中，炉渣包含45％及以上的铝元素。通过本实施例生产的无机板材可代替现有的木模、竹模、铝模或钢模，每消耗2万吨碳富集料可生产免拆模板约3.6万立方米。

由于高温炉渣活性高，可通过搅拌、自蔓延、降温、结晶等过程进行改性。因此，如图5所示，上述步骤s6中，制备硅铝复合板具体包括：

d1.以重量份数计，将100份高温炉渣(不降温)加入反应釜中，升温至850-950℃后，加入3-7.5份冰晶石。

d2.在保持搅拌的条件下，将所述反应釜置于均匀磁场进行磁化，得到熔融状产物。

其中，得到的熔融状产物主要包括二氧化硅、三氧化二铝和硅铝合金，通过均匀磁场进行磁化，可使熔融状产物整体向硅铝合金(金属相)偏移，改善硅铝合金组织性能，降低熔融状产物成型后的脆性。

可选地，上述均匀磁场的磁场强度为12000-15000at。

d3.将所述熔融状产物注入板坯模具成型并轧制，得到硅铝复合板坯。

d4.将所述硅铝复合板坯的两面分别进行至少两次表面熔覆、及至少两次轧制，得到硅铝复合板；表面熔覆的熔覆材料为所述硅铝复合板坯的表面经熔融后得到的熔融层脱氧得到。

其中，每次表面熔覆后，进行轧制，再继续表面熔覆。

本实施例中，表面熔融的过程可以是激光熔融也可以是高频/中频熔融。其中，高频/中频熔融为感应加热方式，其成本相对于激光熔融更低。

本实施例中，还可通过挤压机对硅铝复合板进行挤压，形成带挤压槽的硅铝复合板，以便于后续卯榫结构的拼接。

由于硅铝复合板主要包括煤矸石和冰晶石，通过冰晶石可将高温下的煤矸石中的三氧化二铝和二氧化硅分离开，然后由该熔融状产物成型得到硅铝复合板坯，并对硅铝复合板坯进行表面熔覆后再轧制，使最终的硅铝复合板的两面均得到金属相的熔覆层，因此，多层结构可增加硅铝复合板的强度和韧性，使得该硅铝复合板不仅强度高、耐久性和防火性均较好，且生产成本低。另外，通过直接利用热解气化后的高温炉渣进行板材生产，无需降温再升温，可节约能源。

本实施例中，硅铝复合板坯的两面分别为第一面和第二面。上述将硅铝复合板坯的两面分别进行至少两次表面熔覆、及至少两次轧制，具体包括：

首先，在上述硅铝复合板坯的两个表面分别进行熔融后得到熔融层，并以该熔融层为熔覆材料进行表面熔覆后，对两个表面进行一次轧制。

然后，再次对上述硅铝复合板坯的两个表面分别进行熔融得到熔融层，并以该熔融层为熔覆材料进行表面熔覆后，对两个表面进行二次轧制。

优选地，将上述硅铝复合板坯的两个表面进行熔融得到熔融层时，还包括：

对上述硅铝复合板坯叠加不均匀磁场，以对熔融层进行脱氧。

本实施例中，不均匀磁场为均匀梯度磁场。由于磁场的不均匀，导致熔融层中的氧朝向磁场强度高的方向偏移并脱离，使熔融层进一步向金属相偏移，增加熔覆层的强度。

优选地，上述步骤s1中，加入3-7.5份冰晶石之后，还包括：加入0.1-1.2份改性剂。上述改性剂为氧化镁、al-p中间合金、铼、al-5p中间合金、al-sr中间合金中的一种。通过改性剂可进一步使熔融状产物整体向硅铝合金(金属相)偏移，以改善硅铝合金组织性能。本实施例中，上述改性剂为0.1-1.2份的铼。

可选地，上述单次的熔覆层的厚度为0.1-1mm。

可选地，上述步骤s3中，将上述熔融状产物注入板坯模具之前，还包括：将上述熔融状产物恒温静置0.5-1h，恒温的范围为550-650℃。

高纯氧化亚硅是锂离子电池负极所用的原材料，价格高昂。本实施例的综合利用方法还包括：以热解气化后的部分高温炉渣作为原料，制备氧化亚硅，即一氧化硅。

具体地，将热解气化后的高温炉渣进行加热升温，添加一定比例冰晶石，混合均匀后进行渣水分离，得到熔融状态的三氧化二铝和固态的二氧化硅，进而通过二氧化硅制备氧化亚硅。

优选地，上述步骤s3中，将脱硫脱硝处理后的可燃气输送至上述回收子系统之前，还包括：

首先，将上述可燃气经过布袋除尘器进行气粒分离，得到除尘灰和除尘后的可燃气，其中，除尘后的可燃气输送至回收子系统。

然后，利用现有的金属镓提取技术，从上述除尘灰中分离并提取金属镓。

本实施例中，除尘后的可燃气为干煤气，干煤气中可燃气体的含量约为：38％co、35％h2、5％ch4，热值约3000大卡/m³。利用该干煤气作为内燃机燃料，可驱动燃气发电机组发电。

可选地，本实施例的综合利用方法还包括：以碳富集料作为原料，通过裂解石墨化处理，得到石墨烯材料，进而通过石墨烯材料制备碳晶电热膜。其中，碳富集料还可用于制备建筑陶粒。

本实施例的煤矸石的综合利用方法，适用于上述各综合利用系统，对于含碳量不均匀的煤矸石，可进行最大限度利用，并实现无燃烧地有效脱碳和能源聚集，且产生的清洁能源可供整个设备利用。

本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。