煤矸石的综合利用 Microsoft Word 文档
煤矸石综合利用途径综述
摘要：煤矸石是煤炭生产中排放的废弃物,不仅占用了大量的土地,而且严重污染环境。同时,煤矸石又是一种宝贵的资源。基于煤矸石的组成和热值特点,介绍了目前利用煤矸石的多种方法和途径。
关键词：煤矸石；利用；工艺
目录
1 前言 (1)
2 煤矸石的组成与特性 (1)
2.1 煤研石的主要来源 (1)
2.2 煤矸石的组成 (2)
2.2.1 煤矸石的岩石组成 (2)
2.2.2煤歼石的矿物组成 (2)
2.2.3 煤矸石的化学组成 (2)
2.2.4 煤矸石的元素组成 (2)
2.3 煤矸石的特性 (3)
2.3.1 颗粒大小 (4)
2.3.2 发热量 (4)
2.3.3 熔融特性 (4)
2.3.4 膨胀性 (5)
2.3.5 可塑性 (5)
2.3.6 活性 (5)
2.3.7 煤矸石活性激发 (5)
2.4 铜川煤矸石的特征 (6)
3 煤矸石的综合利用 (6)
3.1 能源方面 (6)
3.1.1 发电 (6)
3.1.2 制气 (7)
3.2 农业方面 (7)
3.2.1 改良土壤 (7)
3.2.2 制肥料 (7)
3.2.3 煤矸石复垦 (7)
3.3 化工方面 (8)
3.3.1 制造填充剂 (8)
3.3.2 铝工业 (8)
3.3.3 制备聚硅酸铝盐 (9)
3.3.4制备聚铁铝硅 (9)
3.4 工程和建材 (10)
3.4.1 高品质煤矸石烧结多孔砖和空心砖 (10)
3.4.2 煤矸石生产劈开砖 (15)
3.4.3 自燃煤矸石制备轻集料混泥土 (16)
3.4.4 过火矸石充填地基建民房 (17)
3.4.5 煤矸石制水泥 (18)
3.4.6 煤矸石做筑路材料 (18)
4 结束语 (19)
参考文献 (19)
1 前言
能源是工业的粮食,是社会经济赖以发展的物质基础。2011年,我国煤炭采出量达到35亿t。煤炭在为国民经济发展作出巨大贡献的同时,也给矿区带来严重的生态环境问题,其煤矿固体废弃物煤矸石的堆山排放己成为矿区的主要环境问题之一。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排出的固体废弃物,其产量占原煤产量的10%～20%,随着煤炭开采量的逐年增加,煤矸石的排放量亦呈上升趋势。据统计,全国共有矸石山1600余座,矸石积存量超过45亿t,占地面积约30万亩,而且矸石还在以每年1.5～2.0亿t的速度递增,煤矸石已成为我国排放量及积存量最大、占用堆积场地最多的工业废弃物。煤矸石露天堆放带来了严重的环境污染,是矿区生态环境的主要污染源之一。煤矸石经日晒、雨淋、风化、分解,产生大量的酸性水或携带重金属的离子水,下渗损害地下水质,外流导致地表水的污染。此外,近1/3的矸石山由于硫铁矿和含碳物质的存在发生自燃,产生有害有毒
的SO
2、CO
2
、NH
3
等气体和有害的烟雾,严重污染环境。煤矸石堆放不仅对矿区的
自然景观造成一定影响,有时会产生滑坡、泥石流现象,甚至发生自燃、爆炸。
铜川市位于陕西省中部，处于关中平原向陕北黄土高原的过渡地带，属大陆性季风气候。近四十多年来，铜川累计生产煤炭 3 亿多吨，同时在市区周边的桃园煤矿、史家河煤矿和三里洞煤矿历年堆存的煤矸石约130 万t，已被国家列为陕西省首个国家级资源型城市可持续发展试点城市，因此对煤矸石进行综合利用显得尤为重要。
2 煤矸石的组成与特性
不同产地的矸石其组成成分及特性是不同的;同一产地的矸石,由于煤层的生成年代、成煤条件和开采等情况不同,矸石的组成和特性也不相同。因此须根据矸石类型确定加工利用工艺方向,制定综合利用方案,把矸石转化为有用物质。
2.1 煤研石的主要来源
(l)井筒和岩石巷道掘进过程中开凿排出的岩石，主要岩石有泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、砾岩和石灰岩。
(2)煤层开采和煤层巷道掘进过程中，由煤层中的夹矸或削下部分煤层的顶板和
底板组成。
(3)煤炭分选过程中排出的矸石，主要由煤层中的各种夹石如高岭石粘土岩、黄铁矿结核等组成。
2.2 煤矸石的组成
2.2.1 煤矸石的岩石组成
根据成岩矿物、成因、结构以及构造不同,把矸石中常见的岩石分为三类:碎屑岩类、黏土岩类和化学岩类。碎屑岩类矸石中的砂岩类矸石(SiO
2
含量大于
70%)主要用于生产碎石、混凝土骨料、水泥及硅砂的原料；黏土岩类矸石(SiO
2
含量40%～70%,A1
2O
3
含量15%～30%)主要用于生产建筑陶瓷、多孔烧结料、含铝
精矿、水泥及氯化铝等原料;化学岩类中的碳酸盐类矸石,如钙质岩矸石(CaO含
量大于30%)和铝质岩矸石(Al
2O
3
含量大于40%),主要用于生产碎石、水泥、改良
土壤用石灰及烧石灰的原料。
2.2.2煤歼石的矿物组成
矸石中的主要矿物有:硅酸盐类矿物(石英、长石类、闪石类、辉石类)、黏土矿物(高岭土类、膨润土类、水云母类)、碳酸盐矿物(方解石、白云石、菱铁矿)、硫化物(硫铁矿和白铁矿)、铝土矿(一水硬铝矿、一水软铝矿和三水铝矿)和其他矿物(石膏、磷灰石和金红石)。
2.2.3 煤矸石的化学组成
煤矸石的化学组成是评价矸石特性、决定利用途径、指导生产的重要指标。通常所指的煤矸石化学成分是矸石锻烧所产生的灰渣的化学成分,一般由无机化合物(矿岩)转变成氧化物,尚有部分烧失量。煤矸石的化学成分随着成煤地质年代、环境、地壳运动状况和开采加工方式不同而有较大的波动范围。我国矸石的
主要化学成分一般以SiO
2和Al
2
O
3
为主,前者含量一般在40%～60%;后者含量在
15%～30%,但在高岭土和铝质岩为主的矸石中可达40%。矸石中CaO含量一般都
很低,只有少数矿的矸石可作为石灰石利用。绝大部分矸石中Fe
2O
3
的含量小于
10%。
2.2.4 煤矸石的元素组成
为了在煤矸石处理处置过程中采取适当的污染防治措施,除了需要煤矸石主要构成元素含量的信息外,对矸石中各种有毒、微量元素情况的充分掌握也是必
要的。煤矸石主要由一些无机元素组成,以硅和铝为主,其次是钙、铁、镁、钾、钠、无机硫和磷等,还有微量的钦、钒、钻、镍和稼等稀有元素存在。
如表1所示。根据矸石含碳量大小可分为:低碳矸石(含碳0%～4%)、少碳矸石(含碳4%～8%)、中碳矸石(含碳8%～12%)、次高碳矸石(含碳12%～20%)和高碳矸石(含碳>20%）。高碳矸石的发热量可高于8338kJ/kg,适合做燃料,然后用其灰渣做建材原料;少碳矸石到次高碳矸石可做多孔烧结料;低碳矸石适合在回转窑中用于生产陶粒,也可生产饰面砖;一般含碳量高的矸石不宜做蒸养制品的硅质材料和水泥的混合料,但可能是烧砖和制水泥的好原料。
表 1 煤矸石中微量元素的含量、用途及其存在形式
我国大部分矸石含硫量比较低,一般低于1%。根据矸石中硫分含量大小可分为四类:低硫矸石(硫分含量<0.5%)、少硫矸石(硫分含量为0.5%～1.5%)、中硫矸石(硫为1.5%～3.0%)和高硫矸石(硫分含量>3%)。低硫矸石可用于生产陶瓷和耐火材料,生产硅酸合金只能用低硫矸石;高硫研可考虑从中回收硫铁矿。
煤矸石中的氯主要以NaCI 或KCI 的形式存在,一般含量在0.01%~0.2%,高者可达1%。在煤矸石燃烧时会强烈腐蚀管道和锅炉受热面。煤矸石中砷的含量极少,一般为3～5μg/g,高者超过100μg/ɡ。煤矸石燃烧时,砷会形成剧毒物质As 2O 3,其随烟气进人大气。
2.3 煤矸石的特性
元素 一般含量/（μɡ/ɡ） 个别含量/(μɡ/ɡ) 工业品位/（μɡ/ɡ） 用途 存在形式 铀 <10 500 300 原子能工业原料 低煤矸石化程度的褐煤矸石、不黏煤煤矸石中的含量高 锗 <5 10～200 20 半导体材料 富集于低煤矸石化程度的褐煤煤矸石中、长焰煤煤矸石、气煤煤矸石中 镓 <10 250 30 半导体元件的制造，优于锗和硅 在煤矸石中普遍存在 钒 优质合金钢，高效催化剂等 常常与镓一起存在于煤矸石中
2.3.1 颗粒大小
在一些筛分和分选(磁选、电选等)工序中,由于每一种工艺和设备能处理的物质的粒度都是一定的,煤矸石的几何尺寸对矸石的处理和利用会产生非常大的影响。根据矸石颗粒大小可分为粗粒矸石(粒径>25mm)、中粒矸石(粒径为25~1mm)和细粒矸石(粒径<1mm)。
2.3.2 发热量
发热量是煤矸石最重要的质量指标,是煤矸石作为能源的使用价值高低的体现。一般煤矸石发热量的大小随着挥发分和固定碳含量的增加而增加，随灰分含量的增加而降低。我国煤矸石的发热量一般在3347.2～6276kJ/kg 。根据发热量的高低可分为：低发热量矸石(发热量<2092kJ/kg)、中发热量矸石(发热量为3347.2～8368kJ/kg)和高发热量矸石(发热量>8338kJ/kg)。低发热量矸石用做一般建材原料，中发热量以上矸石用做沸腾炉的燃料,高发热量矸石可进行气化。具体情况如表2所示。
表2 煤矸石热值的合理利用途径
2.3.3 熔融特性
矸石在某种气氛下加热,随着温度升高,产生软化、熔化现象,称为熔融性。在规定条件下测得的随着加热温度而变化的煤矸石灰堆变形、软化和流动的特性,称为“灰熔点”。煤矸石灰熔点的高低影响到矸石利用的工艺与设备。如一些固定床热处理设备的热处理温度将取决于灰熔点,若床层的温度过高则有可能造成设备停车事故。根据熔融特性(灰熔点或软化区范围)可分为:难熔矸石(灰熔点为1400～1450℃)、中熔歼石(灰熔点为1250～1400℃)和低熔研石(灰熔点<1250℃)。难熔研石可作耐火材料原料。
热值（kJ/kg ）
合理利用途径 说明 <2090
2090～4180
4180～6270
6270～8360
8360～10450 回填、修路、造地、制骨料 烧内燃砖 烧石灰 烧混合材、制骨料、代土节煤烧水泥 烧混合材、制骨料、代土节煤烧水泥 制骨料以砂岩类末燃矸石为宜 CaO 含量低于5% 渣可做混合材、骨料 用于小型沸腾炉供热产气 用于大型沸腾炉供热
2.3.4 膨胀性
膨胀性一般是指矸石在一定温度和气氛下锻烧时,产生体积膨胀的现象。轻质陶粒的生产就是利用这种特性。根据膨胀性(膨胀系数)可分为:微膨胀矸石(膨胀系数<0.2%)、中等程度膨胀矸石(膨胀系数为0.2%～1.6线)和激烈膨胀矸石(膨胀系数>1.6%)。有膨胀性的矸石可烧制轻骨料。
2.3.5 可塑性
矸石的可塑性是指矸石粉和适当比例的水混合均匀制成任何几何形状,当除去应力后泥团能保持该形状,这种性质称为可塑性。矸石可塑性大小主要和矿物成分、颗粒表面所带离子、含水量及细度等因素有关。按可塑性可分为:低可塑性矸石(可塑性<1)、中等可塑性矸石(可塑性为7～15)和高可塑性矸石(可塑性>15)。中等以上的可塑性矸石适合制矸石砖。
2.3.6 活性
在使用煤矸石生产水泥和烧结砖等建材时,其强度和性能在很大程度上取决于煤矸石的活性。煤矸石经过燃烧,烧渣属人工火山灰类物质而具有活性,其根本原因是煤矸石受热矿物相发生变化。作为煤矸石主要矿物组分的黏土类矿物和云母类矿物的受热分解与玻璃化是煤矸石活性的主要来源。煤矸石的活性依赖于煤矸石煅烧温度和制品的养护条件,这是煤矸石综合利用时应当重视的问题。
2.3.7 煤矸石活性激发
由于煤矸石是火山灰质混合材料，自身几乎没有水硬性胶凝材料，因而需要在一定的物理化学激发下，改变煤矸石的化学组成和内部结构，从而改善其物理化学性能。煅烧和碱性激发是激发活性的有效手段。煤矸石经过自燃或煅烧，矿物相发生变化，是产生活性的根本原因。煤矸石中的黏土矿物成分，经过适当温度煅烧，便可获得与石灰化合成新的水化物的能力。所以，煤矸石又可视为一种火山灰活性混合材料，其活性大小的衡量标准是黏土矿物含量。
煅烧旨在利用高温下煤矸石微观结构中各微粒产生剧烈的热运动，脱去矿物中的结合水，钙、镁、铁等阳离子重新选择填隙位置，致使硅氧四面体和铝氧三角体不可能充分地聚合成长链，形成大量的自由端的断裂点，质点无法再按照一定规律排列，形成热力学不稳定状态玻璃相结构，从而使烧成后的煤矸石中含有大量的活性氧化硅和氧化铝，达到活化的目的。
煤矸石的主要矿物成分为高岭石、蒙脱石、石英砂、硅酸盐矿物、碳酸岩矿物，少量铁钛矿及碳质，且高岭石含量高达68.7%。高岭石在500℃—800℃脱水，晶格破坏，形成无定形偏高岭土，具有火山灰活性。在900℃一1000℃之间，偏高岭土又发生重结晶，形成非活性物质。煤矸石锻烧过程中，一般在1000℃左右便有莫来石生成，到1200℃以上，生成量显著增加。莫来石的大量生成，将降低煤矸石的活性。黄铁矿是可燃物质，随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变化，生成a赤铁矿。
2.4 铜川煤矸石的特征
( 1) 铜川煤矸石主要为黏土岩质煤矸石，矿物组成为高岭石，还夹杂一些
方解石、白云石矿物、自燃后主要物相为ɑ—石英、k—Al
2O
3
以及无定形的Al
2
O
3
和SiO
2
。
( 2) 铜川煤矸石自燃温度在 600—680℃，自燃过程中，煤矸石中的方解石、白云石、没有发生分解；高岭石结构转变为偏高岭石结构，并且有一部分已经解体，有一定的石英晶体析出。
( 3) Fe，K等元素的存在促使高岭石在向偏高岭石转变的过程中结构破坏得更为剧烈；自燃煤矸石结构破坏越剧烈，结晶度越差，越疏松，自燃煤矸石中形成的无定形体越多，元素含量分布越分散。
3 煤矸石的综合利用
由于产地及产出方式不同，煤矸石的化学成分及矿物组成差异较大，因而其最佳综合利用途径也各有不同。
3.1 能源方面
3.1.1 发电
热值在1500—3000K/kg的低热值煤矸石可用流化床锅炉燃烧后用来发电和供热。这在全国发展很迅速，从2003年煤矸石发电厂128余处到2006年全国共建成煤矸石综合利用的煤矸石发电厂400余处，总装机容量从200×104kW到（2000—3000）×104kW迅速发展，再到现在大约5000×104kW。将热值低于12.5MJ/kg的煤矸石进行燃烧发电，对实现资源的循环利用、节能减排，提高经济效益和环境效益有起重大作用。
3.1.2 制气
用煤矸石在回转式自动排渣煤气发生炉中可以制取煤气或半水煤气,作为窑炉的热源或者出售给企业外单位使用。还可以用这种煤气发生炉制取高温干馏煤气,其副产品可作橡胶补强剂或油墨等行业的原料。
3.2 农业方面
3.2.1 改良土壤
煤矸石中含有钾、钙、磷、镁、铁、锰、锌、硼、硫、钼、硅等10多种植物生长所需要的元素，其中钾、磷是植物生长必需的矿质元素，而镁、钼、硫元素能给土壤微生物提供营养，改善土壤结构，促进土壤保肥能力，加速有机质分解，提高土壤渗透性。一般将煤矸石破碎后直接使用，含有机制较多的矸石多烧成灰渣来使用。施龙青等[1]通过对腾南煤田地区土壤和农作物灰分进行实地化学分析，从理论上阐述了利用煤矸石改良土壤的原理。
3.2.2 制肥料
以煤矸石和廉价的磷矿粉为原料，外加添加剂，制成的煤矸石微生物肥料，可应用于种植业。有机质含量20%以上，pH值6左右的炭质泥岩或粉砂岩，经过粉碎研磨，以一定比例加适量磷酸钙添加剂，搅拌均匀加适量水，充分反应活化并堆沤后，即成为一种新型实用肥料。钱兆等[2]以含碳量较高的煤矸石作为主原料研制成的有机—无机复合混肥料，在陕西渭南地区进行田间试验，苹果使用煤矸石肥比使用等养分含量的掺合化肥和市售苹果专用肥有显著的增产效果，平均增产19%—37%。施龙青等[3]通过实验证实了煤矸石可用作肥料。
3.2.3 煤矸石复垦
利用煤矸石复垦，既可使采煤破坏的土地得到恢复，又可以减少煤矸石占地和其造成的环境污染。吕珊兰等[4]对矸石山的风化物施用化肥或生活污泥，进行种植苏丹草等盆栽试验，试验结果表明：风化物复垦种植的生物成活率显著提高。段永红等[5]用室内模拟试验与野外试验相结合的方法，对半干旱地区煤矸石浅层矸石风化物与黄土的水分特性进行了比较研究，发现矸石风化物因其具有颗粒粗、孔隙大、渗透系数高、田间持水量、凋萎系数和累积蒸发量低的特点，有一定的保水性能；提出和论证了能充分利用水分的矸石山“薄层覆盖复垦”新技术。复垦后可针对具体情况进行绿化种植，先以草灌植物为主，然后再种乔木，一般
选择抗旱、耐盐碱、耐瘠薄的树种，对表层已风化成土的煤矸石复垦后，不需复土，可直接进行植物造林或开垦为农田。开滦煤矿从1989年起即用煤矸石填坑造地,并进行复土和种植试验3年共复土35×104m3以上,造地28.7km2,已种菜2km2,种树18km2,栽树28.5万株,成活率在98%以上。
3.3 化工方面
3.3.1 制造填充剂
白炭黑是一种以二氧化硅为主要成分的白色无定形粉状物，质轻而多孔，主要用作橡胶、塑料、合成树脂以及涂料等产品的填充剂，也可作为润滑剂和绝缘材料使用。煤矸石中的无机成分以硅、铝氧化物为主，可满足白炭黑的生产要求。2012 年世界白炭黑总需求量约6595万吨，中国占亚洲市场的40%，成为全球最大的单一市场。煤矸石制备白炭黑的工艺流程如图1所示。
高温焙烧水淬陈化
酸洗、过滤过滤脱水
图1 煤矸石制备白炭黑工艺流程
3.3.2 铝工业
铝矿在化工中应用广泛，采矿量已无法满足日益发展铝业的要求，所以开发其它资源来替代铝资源的大量需求显得尤为重要。我国煤系地层中的共生高岭土资源丰富，先探明为16.73×108t，远景存储量为55.29×108t，以煤矸石为原料制取多用途的铝制品，不仅可以扩展煤矸石的综合利用途径，也可以为铝业生产开拓一条新途径。
煤矸石中含大量的Al
2O
3
，通过一定的处理方法和工艺，可制得铝盐系列产
品。用煤矸石制备的铝盐的种类主要有硫酸铝、氧化铝、及氢氧化铝等。这些产品间既相互独立又可相互转化，最突出特点是，所有产品制备均以煤矸石焙烧后的熟粉为源头，再经相似的化工单元操作，如酸浸反应、沉降分离、蒸发浓缩、冷却结晶、热解焙烧等来生产不同的铝盐制品。如图2所示
粉碎、焙烧过滤
煤矸石碱溶两次酸化白炭黑煤矸石硫酸酸浸硫酸铝
细碎 蒸发结晶
脱水 中和、过滤
烘干
图2 煤矸石制备铝产品示意图
用于生产铝盐产品的煤矸石原料的矿物组成有一定的要求，要求Al 2O 3含量
大于25%，SiO 2含量在30%～50%,铝、硅比大于0.68，Al 2O 3浸出率大于75%。Fe 2O 3含量小于1.55,CaO 和MgO 含量小于0.5%。
3.3.3 制备聚硅酸铝盐
煤矸石一般含有20%～35%的氧化铝,是制备Al(OH)3、Al 2O 3的很好资源。但
是其中的氧化铝活性差,需将煤矸石进行活化处理。煤矸石经粉碎→焙烧→细碎→酸溶→沉降→过滤工艺处理后,所得滤液为AlCl 3,滤渣的主要成分是SiO 2,将其与NaOH 按一定比例配成料浆送入反应釜,反应完毕后过滤并除去不溶物,所得滤液即为Na 2SiO 3的水溶液。用一定浓度的工业盐酸对Na 2SiO 3进行酸化,便可得
硅酸,硅酸在一定条件下聚合生成聚硅酸,聚硅酸与AlCl 3按一定摩尔比混合,得
聚硅酸铝混凝剂[6]。图3所示为聚硅酸铝混凝剂制备工艺流程。
HCl
稀HCl 沉渣 NaOH
图3 聚硅酸铝混凝剂制备工艺流程图
3.3.4制备聚铁铝硅
氧化铝
煤矸石 粉碎
焙烧 细碎 酸溶 沉降过程 沉渣 AlCl 3
聚硅酸铝 聚硅酸 聚合 反应
Na 2SiO 3 沉降过程 反应
煤矸石磨细过筛,然后用NaOH 溶液溶解,得到Na 2SiO 3溶液,将Na 2SiO 3在酸性
条件下聚合,得聚硅酸,浸硅后剩余的残渣与硫铁矿渣混合用盐酸溶解得铁铝溶液,铁铝溶液在碱性条件下按不同摩尔比聚合成聚铁铝,聚铁铝与聚硅酸按一定摩尔比混合共聚得聚铁铝硅。工艺流程见图4。
酸化 磨细过筛
聚合 强碱加热 回流
残渣备用
残渣弃去
高速搅拌下
按一定摩 尔比混合 NaOH
聚合
图4 聚铁铝硅制备工艺流程图
3.4 工程和建材
3.4.1 高品质煤矸石烧结多孔砖和空心砖
矸石包括掘进矸石和洗选矸石，为含碳岩石（碳质页岩、碳质灰岩和少量煤块）和其它岩石的混杂物。由于煤矸石生成的地质年代、成矿构造、开采方式及堆放状态不同，其组成结构和特性差异很大，并非所有的煤矸石都能生产烧结砖，如放射性超标的煤矸石、铝质岩矸石（Al 2O 3>40%）和钙质岩矸石（CaO>30%）等
就不能用于烧结砖的生产。高品质煤矸石烧结空心砖和空心砌块应满足如下要求：a 、高孔洞率，孔形及其排列设计合理；b 、块体体积大；c 、墙面可固定一般锚件。生产工艺如下：
（1） 煤矸石的风化
将采掘或洗选后的煤矸石，或采掘后的页岩或粘土，任其经受阳光、雨、雪、霜、冻、风等大气作用，以改善其工艺性能的过程叫风化。在风吹、雨淋、日晒、煤矸
石 工业盐酸 滤液Na 2SiO 3 残渣+硫铁矿渣
加热回流 过滤
聚硅酸
聚合铁铝 过滤 滤液 聚铁铝硅
雪化、吸水、干燥、冷热、冻融、胀缩等反复作用下使煤矸石发生崩解，成为细小的颗粒。同时，煤矸石在风化过程中发生许多化学和物理变化，使有机质发生腐烂、可溶性盐类被浸析、硫化物被氧化等，从而改善原料性能。实践证明，用“陈矸”设备磨损慢，挤出的坯条光滑，坯体干燥过程废品极少，合格率达 99%以上；相反，如果用“新矸”，设备易损件磨损速度加快，挤出的坯条外表粗糙（料粒吃不进水），坯体干燥裂纹多，合格率在 85%以下。
（2）剔除杂质
通常将除去原料中附属的、起有害作用的、非塑性的组分的制备过程称为剔除杂质。煤矸石中的杂质有金属、胶皮、纤维物、可辨的砂岩、石灰石和硫铁矿等，除应在采运、堆放过程中用手工清除外，若需要还应设置去除杂质的工艺装备，如除铁器、除石机等，净化机和带有过滤网的搅拌机也兼有这一功能。（3）定量配料
在用两种或两种以上原料生产烧结砖时，为了保证混合料的性能稳定，需要定量配料。根据配料时衡量物料的方法不同，可分为按容积配料和按质量配料，前者误差大，后者准确度高。按容积配料容易实现，所需设备简单，在砖瓦工业中常用圆盘给料机和箱式给料机。这些给料机的缺点是误差大，不宜确定给料量的绝对数值。按质量配料设备复杂，需要电子皮带秤，但准确度高。为了能动地控制生产，宜按质量配料，特别是内燃的质量配料尤为重要。目前采用电脑自动配内燃和配水的新技术，具有明显的节能效果，可提高产品质量和降低生产成本，值得推广和应用。
（4）煤矸石的粉碎
生产高品质煤矸石烧结多孔砖原料的最大粒径不应大于 2mm，空心砖最大粒径不应大于 1.5mm。在满足最大粒度要求的前提下，为使煤矸石经制备后具有合理的颗粒级配，煤矸石的粉碎粒度控制在表3范围较为适宜。
粒径（mm）≥1.0 1.0—0.3 ≤0.2
质量比（%）10—15 35—40 45—55
表3 原料的粉碎粒度
若用煤矸石烧结高品质的饰面砖和多孔薄壁制品，其物料粒度应控制在 1mm 以下为好。有的煤矸石塑性指数较高，泥质煤矸石遇水崩裂，粗粒变成泥状，其
粒度在生产中则应予放宽。为了充分发挥破碎和粉磨设备的生产能力和保证粉碎粒度，有必要使用筛分系统等分级设备。为保证设备正常运行，原料必须先经除铁。
粉碎的目的是减小粒度，增加比表面积，使泥料能更充分地与水分接触，缩短水分渗透泥料路径，使泥料均匀而充分地湿透。应针对物料的物理性质（主要有硬度和含水率等）、块度大小及需要粉碎的程度选用适合的设备。必要时，如含大量石灰石杂质的物料，不仅要进行充分的破碎，还应进行粉磨，以保证在焙烧中使石灰石颗粒硅酸盐化来避免焙烧后的爆裂现象。
煤矸石的粒度对砖坯的成型、干燥和焙烧都有较大的影响。如果粒度过大，物料过粗，则可塑性差，结合能力低，不易成型并且使成型机械磨损严重。再者，由于颗粒粗，碳质难以充分燃烧，烧结性能差，从而降低砖的烧成质量（特别是抗冻性能差）。因此，用煤矸石制砖，必须进行粉碎处理。尤其是原料可塑性指数较低的煤矸石更应加强原料的粉碎。粉碎工艺需考虑：a、煤矸石的含水率；b、煤矸石的硬度；c、产品对粉碎后的粒度要求。
原料合理粒度级配的作用是：a、增加塑性指数；b、提高坯体和产品强度；
c、减少原料中有害杂质的危害。
（5）原料的搅拌
原料搅拌应采用进、出料口中心距不小于3000mm的双轴搅拌机或搅拌挤出机。为提高原料的工艺性能，需要时在搅拌过程中可通蒸汽，无条件通蒸汽的可加热水。陈化前搅拌的加水量，应加至或接近成型含水率。
通蒸汽或加热水，比加冷水的湿化、均化、增塑作用要显著得多。热水的黏度比冷水小，50℃水是 5℃水渗透系数的2.75倍。原料的塑性是靠水分的充分混匀和渗透来实现的，加水搅拌的主要作用就是要水分和物料充分混匀，在原料进入搅拌之初就开始均匀洒水，使水充分发挥其作用，并尽量使水分渗透进每一颗粒料的内部而形成成型所需要的塑性。用具有相对较长搅拌槽的搅拌机，尽可能加长搅拌时间，使原料充分混合均化，减少产生干燥和焙烧裂纹的机会。（6）原料的陈化
陈化是指已经均化处理，含水率已达或尽可能接近成型含水率的泥料，在封闭空间中贮存。一般需要在陈化仓中贮存 72h 以上。
陈化有以下功能：a、供应和均衡生产功能，保证生产线原料不间断连续生产和调节生产班次；b、通过加水使混合料在堆积过程中借助毛细管和蒸汽压的作用，使水分更加均匀分布；c、利于粘土颗粒充分水化和进行离子交换，一些硅酸盐矿物长期与水接触发生水解转变为粘土物质，从而提高可塑性；d、增加腐殖酸类物质的含量，改善泥料成型性能；e、发生一些氧化与还原反应，并可能使微生物繁殖，使泥料松软而均匀。
泥料应在陈化仓中贮存72h以上，使水分充分渗透，泥料疏解，松散匀化，不仅可提高塑性，有利于成型，还可减少干燥和焙烧时的应力，减少裂纹。陈化仓应力求密封，敞开式会使原料堆表皮水分蒸发，造成内、外水分布不均匀。煤矸石砖厂普遍反映，经陈化 3d～6d 的料，塑性指数提高 1.5～3 倍，干燥和焙烧废品率明显降低。
（7）原料的碾练
为提高原料的成型性能，对陈化后的原料，如有必要，可经过细碎对辊机或轮碾机碾练，以增加原料的细颗粒成分和塑性，确保成型坯体质量，消除内伤，提高产品质量。
（8）成型
根据泥料的含水率和挤出压力的不同，挤出成型分为软塑、半硬塑和硬塑成型，见表4。
方法成型含水率（%）挤出压力（MPa）
干基湿基
软型≥19 ≥16 1.0—2.0
半硬塑≥16—19 ≥13.8—16 >2.0—3.0
硬塑<16 <13.8 >3.0
表4 塑性成型的分类法
采用一次码烧工艺，应采用半硬塑或硬塑挤出成型，成型挤出机应选择双级真空挤出机，其成型工作压力应大于 2.0MPa，真空度应小于－0.09MPa。采用二次码烧工艺，宜采用软塑挤出成型，成型机可选择双级或单级真空挤出机，其成型工作压力不大于 2MPa，真空度可适当降低。
坯体成型质量关系到砖质量的好坏，特别是生产煤矸石烧结空心砖，对挤出成型机要求较高，不但要求有较大的压力，而且还要求成型时有较高的真空度，其原因是真空处理对提高原料密度有较大作用。要提高原料的密度，首先必须排除原料孔隙中的空气，然后加以机械挤压，这样成型的坯体致密、强度高。试验证明，塑性指数为10 的原料，在-0.08MPa真空度所成型的坯体，其抗压强度比在-0.04MPa 下的约高25%。在其他条件相同的情况下，用这种原料生产孔洞率为27%的多孔砖，测得真空度和成品抗压强度的关系见表5。
真空度(MPa) —0.092 —0.080 —0.065 0
抗压强度（kg/cm2）205 180 110 80
表5真空度和成品抗压强度的关系
应当强调的是，对于真空挤出制坯来说，应确保一定的真空度，以抽出泥料中的空气、降低含水率，使泥料颗粒紧密靠拢、连结，易于成型，增加坯体的韧性和强度，加快干燥速度，减小干燥收缩和焙烧收缩，是生产优良制品的保证措施之一。
对于塑性指数大于15的高塑性煤矸石，可采用非真空或真空度较小的挤出机。如果真空度过高，成型后的坯体过分密实，导致在干燥和焙烧过程中排气的开气孔率很低，极易在干燥和焙烧过程中产生裂纹和炸裂。
（9）干燥
应采用人工干燥。与自然干燥相比，人工干燥具有节约土地、提高干燥效率、节约人力、减少砖坯损耗以及充分利用余热等优点。
坯体在人工干燥过程中，干燥制度的选择，直接影响到坯体的产量、质量及风量、热量消耗，因此必须合理地选择干燥制度。干燥制度主要取决于被干燥坯体的干燥性能。企业的生产通常都是在原料和制品已确定的条件下进行，因此，决定干燥制度的基本因素有干燥介质的温度、湿度和流速。
干燥介质的温度是表示干燥介质带走水分能力的标志之一。干燥介质要有合适的湿度才能保证干燥的质量。坯体表面的干燥速度与介质的流速有很大关系，干燥介质的流速越大，坯体表面水分蒸发速度也越快。
干燥过程中的热工参数有：进、出口干燥介质的温、湿度，送、排风量，干燥室内干燥介质的流速等。选择干燥过程中的热工参数，应适应泥料的热工特性，保证坯体干燥质量，利于加快干燥速度。在保证坯体质量的前提下，使热量和风量的消耗最小，干燥周期短。
干燥介质的热工参数可以在以下范围内选择：泥料如需加热，加热温度应为45℃～60℃；进入干燥室的干燥介质温度为 100℃～150℃；排出的干燥介质温度为 35℃～45℃；排出的干燥介质相对湿度为 90%～95%；干燥室内进风口处气流速度应不小于 3m/s～4m/s。宜采用分散送风、分散排潮方法。
为保证砖坯的干燥质量，提高产品质量和合格率，应做到：合理加水和控制原料成型含水率；加强原料处理，改善原料成型性能；调整原料级配，增加坯体密实度；掌握原料性能，选择合理的干燥制度；对干燥过程进行正确操作。（10）焙烧
砖的焙烧应首选断面宽度为 3m 及以上的中断面或大断面隧道窑。
由于煤矸石原料本身的特点，其烧成温度比粘土砖高，煤矸石本身含有一定量的碳，有些原料超过烧砖本身所需要的热量，因此，在通风具有合理的空气过剩系数的前提下，焙烧时应正确使用风闸，保持合理的升温速度和较小的断面温差，科学地选择烧结温度范围和焙烧、保温时间，从而使砖坯烧熟烧透而不过烧，这也是主要的技术难点。如通风风量不够，烧成温度不到位，焙烧和保温时间不足，就会出现产品严重黑心、强度降低、吸水率增大、耐久性不好，尤其对产品的抗冻性能影响更大。断面温差大，亦会造成强度和外观质量差异大。
当原料成型性能可满足一次码烧的需要，应尽可能采用一次码烧工艺，否则应采用二次码烧。如资金允许尽可能地选择先进的平顶隧道窑。一次码烧有许多优点，其主要表现在成型水分低、工艺简单、劳动定员少、劳动效率高、便于管理、易实现机械化和自动化。
3.4.2 煤矸石生产劈开砖
生产劈开砖产品时，应根据原料、当地气候的不同，采用不同的制备方法，从而满足正常的生产要求。
劈开砖的生产工艺有两种：一种是湿法生产；另一种为干法生产。两种工艺的主要区别在于有无使用球磨机。湿法工艺的原料经过球磨机研磨，泥料颗粒细
而均匀，经过压滤脱水能够去除有害的离子，有利于产品的成形。不足之处在于耗能、耗水。干法工艺的原料经破碎过筛后，进入练泥阶段，有利于节能降耗，但是泥料的均匀性稍差。劈开砖的生产工艺流程见图5。
拌水练泥陈腐原料粉碎配料混合
真空挤泥切割干燥烧成
图5 劈开砖的生产工艺流程图
生产劈开砖的工艺参数有：
（1）粉料粒度：＜40 目；
（2）泥料水分：17%～19%；
（3）干燥收缩：＜4.5%；
（4）可塑性指数：11～14；
（5）干燥强度：＞3MPa；
（6）真空度：90%；
（7）干燥敏感性：中敏感性；
（8）陈腐时间：24h；
（9）烧成温度:1170～1190℃；
（10）全收缩率：＜7.5%；
（11）成品吸水率：6%～8%。
3.4.3 自燃煤矸石制备轻集料混泥土
自燃煤矸石取代砂石作为混凝土集料，由于自燃煤矸石集料本身具有很强的吸湿性，采用自燃煤矸石集料配制混凝土与砂石集料相比，在保证所配制混凝土具有相同和易性的情况下，水胶比将有明显提高．试验过程中发现，集料在试拌前1—3 h必须加入附加用水浸湿，拌和时方能满足流动性的要求．配合比设计中水的用量，包括两部分内容，一部分是先掺人煤矸石集料中的附加用水，另一部分是现场拌和时加入的用水．现场加入水的用量是按照自燃煤矸石混凝土拌和物工作性试验确定的，控制塌落度为30—50mm时的用水量为现场用水量．自燃
煤矸石集料混凝土的投料顺序按图6进行。
拌合 拌合 拌合
1min 1min 2min
图6 自燃煤矸石轻集料混凝土投料顺序与搅拌工艺
抗压强度和劈拉强度采用150 mm ×150 mm ×l50mm 立方体标准试件，弹性模量采用150 mm ×l50mm ×300mm 棱柱体试件．试件成型后在标准养护条件(20士
1)℃、相对湿度大于90％下养护28d 。按GB ／T50081--2002{普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学性质检测。
3.4.4 过火矸石充填地基建民房
（1） 矸石地基处理。如果是已经回填的矸石，要将其推平，采用压实重量大于100KN 的振动碾压机压实，若无此设备可采用压实重量大于150KN 的压路机代替。新回填的矸石采用分层充填、分层碾压方式进行，分层厚度不得超500mm ，采用上述碾压设备每层碾压机重复行走次数不少于4趟。矸石充填碾压前必须晒水，使碾压矸石层的含水量控制在6%～8%之内，这可通过在矸石卸车时洒水、推平时洒水和碾压前洒水来保证。矸石回填地基顶面标高控制在+70.0m 。
（2） 基础与上部结构处理措施。基础处理：开挖基槽深度1.1m ，平整开挖的底面，拣出粒径大于100mm 的大块矸石，进行机械夯实。铺设 2 层粒径小于25mm 的细粒矸石，每层铺设厚度200mm ，机械夯实到150mm ，铺设的细粒矸石含水量控制在7%～9%。然后再铺设2层中、粗砂，每层铺设厚度150mm ，机械分层夯实，其技术要求按规范进行。砂层上砌筑毛石基础，浇注基础圈梁。
（3） 地表处理措施。为防止矸石地基风化和雨水集中下灌发生局部水解沉陷，使居民有一个良好的生活居住环境，并为植被绿化创造条件，对矸石充填区域地表复土厚500mm 。复土工作在建筑施工结束后进行，复土前平整场地，对开挖后又回填的矸石应进行夯实。
地面要修筑排水沟网和有关设施，将生活污水和雨水集中排放到矸石充填场煤矸砂 水泥
粉煤灰 煤矸石及附加水 剩余的水与减水剂溶解的溶液 煤矸石集料混泥土拌合物