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【華特選礦百科】一文了解“煤與煤矸石”

發(fā)布時間: 2025-06-28
來源: 華特新聞

煤是一種可燃的黑色或棕黑色沉積巖,主要由植物遺體經(jīng)過生物化學作用,埋藏后再經(jīng)地質作用轉變而成,富含碳、氫、氧、氮、硫等元素,是重要的能源和化工原料,發(fā)熱量較高;煤矸石則是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物,是在成煤過程中與煤伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石,碳含量低,一般在20%以下,其礦物成分主要是黏土礦物、石英和碳酸鹽類,在能源利用價值上遠不及煤,但可用于制作建筑材料、填充礦井等其他工業(yè)用途。

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煤主要由碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成,碳、氫、氧三者總和約占有機質的95%以上,是非常重要的能源,也是冶金、化學工業(yè)的重要原料,有褐煤、煙煤、無煙煤、半無煙煤這幾種分類。著名作家朱自清也曾以煤為標題寫過一首詩,賦予其獨特的象征意義。截至2011年,中國是世界上煤炭產(chǎn)量最大的國家,煤炭產(chǎn)量32.4億噸,相當于18.004億噸油當量,占世界比例高達48.3%;其次是美國,占世界產(chǎn)量比例為14.8%;排名第三的是澳大利亞,占世界產(chǎn)量比例為6.3%;印度和印尼則分別排名第四、五,占世界產(chǎn)量比例分別是5.8%和5.0%。

生成過程

在地表常溫、常壓下,由堆積在停滯水體中的植物遺體經(jīng)泥炭化作用或腐泥化作用,轉變成泥炭或腐泥;泥炭或腐泥被埋藏后,由于盆地基底下降而沉至地下深部,經(jīng)成巖作用而轉變成褐煤;當溫度和壓力逐漸增高,再經(jīng)變質作用轉變成煙煤至無煙煤。泥炭化作用是指高等植物遺體在沼澤中堆積經(jīng)生物化學變化轉變成泥炭的過程。腐泥化作用是指低等生物遺體在沼澤中經(jīng)生物化學變化轉變成腐泥的過程。腐泥是一種富含水和瀝青質的淤泥狀物質。冰川過程可能有助于成煤植物遺體匯集和保存。

化學組成

煤中有機質是復雜的高分子有機化合物,主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成,煤中的無機質也含有少量的碳、氫、氧、硫等元素。碳是煤中最重要的組分,其含量隨煤化程度的加深而增高。泥炭中碳含量為50%~60%,褐煤為60%~70%,煙煤為74%~92%,無煙煤為 90%~98%。煤中硫是最有害的化學成分。煤燃燒時,其中硫生成SO2,腐蝕金屬設備,污染環(huán)境。煤中硫的含量可分為5級:高硫煤,大于4%;富硫煤,為2.5%~4%;中硫煤,為1.5%~2.5%;低硫煤,為1.0%~1.5%;特低硫煤,小于或等于1%。煤中硫又可分為有機硫和無機硫兩大類。

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伴生元素

指以有機或無機形態(tài)富集于煤層及其圍巖中的元素。有些元素在煤中富集程度很高,可以形成工業(yè)性礦床,如富鍺煤、富鈾煤、富釩石煤等,其價值遠高于煤本身。

根據(jù)煤中伴生元素的性質和用途,可分為有益元素、有害元素和指相元素3類。有益元素主要有鍺、鎵、鈾、釩等可被利用;有害元素主要有硫、磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等。硫是煤中常見的有害成分,其他有害元素在煤中含量一般不高,但危害極大,如砷是一種有毒元素。煤在燃燒中,硫是造成城鎮(zhèn)環(huán)境污染的主要物質源。當然,對有害元素如果收集、處理得當也可變成對人有用的財富。煤中伴生元素,有各自的地球化學性質,形成于不同的沉積環(huán)境中。因此,可根據(jù)元素的相對含量、元素的共生組合關系及元素的比值,來判斷相和沉積環(huán)境。

主要產(chǎn)地

在各大陸、大洋島嶼都有煤分布,但煤在全球的分布很不均衡,各個國家煤的儲量也很不相同。中國、美國、俄羅斯、德國是煤炭儲量豐富的國家,也是世界上主要產(chǎn)煤國,其中中國是世界上煤產(chǎn)量最高的國家。

中國的煤炭資源在世界居于前列,僅次于美國和俄羅斯,主要煤炭基地有大同、神府、太原、晉東南、陜西、河南、兗州、兩淮、貴州、黑龍江東部。

主要煤城有河北省的開灤、峰峰;山西省的大同、陽泉、西山;遼寧省的阜新;黑龍江省的雞西、鶴崗;江蘇省的徐州;安徽省的淮北、淮南;河南省的平頂山;山東的兗州。

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主要分類

煤有褐煤、煙煤、無煙煤三類。煤的種類不同,其成分組成與質量不同,發(fā)熱量也不相同。單位質量燃料燃燒時放出的熱量稱為發(fā)熱量,規(guī)定凡能產(chǎn)生29.27MJ低位發(fā)熱量的能源可折算為1公斤煤當量(標準煤),并以此標準折算耗煤量。

褐煤

多為塊狀,呈黑褐色,光澤暗,質地疏松;含揮發(fā)分40%左右,燃點低,容易著火,燃燒時上火快,火焰大,冒黑煙;含碳量與發(fā)熱量較低(因產(chǎn)地煤級不同,發(fā)熱量差異很大),燃燒時間短,需經(jīng)常加煤。

煙煤

一般為粒狀、小塊狀,也有粉狀的,多呈黑色而有光澤,質地細致,含揮發(fā)分30%以上,燃點不太高,較易點燃;含碳量與發(fā)熱量較高,燃燒時上火快,火焰長,有大量黑煙,燃燒時間較長;大多數(shù)煙煤有粘性,燃燒時易結渣。

無煙煤

有粉狀和小塊狀兩種,呈黑色有金屬光澤而發(fā)亮。雜質少,質地緊密,固定碳含量高,可達80%以上;揮發(fā)分含量低,在10%以下,燃點高,不易著火;但發(fā)熱量高,剛燃燒時上火慢,火上來后比較大,火力強,火焰短,冒煙少,燃燒時間長,粘結性弱,燃燒時不易結渣。應摻入適量煤土燒用,以減輕火力強度。

泥煤

碳化程度最淺,含碳量少,水分多,Mar可高達90%,所以需要露天風干后使用;泥煤的灰分很容易熔化,發(fā)熱量低,揮發(fā)分含量很多,因此極易著火燃燒。

泥煤可燃性好,很容易著火燃燒,反應性強,含硫量低,灰分熔點低,但機械強度較低。因此,泥煤在工業(yè)上使用價值不高,更不宜長途運輸,一般只作為地方性燃料使用。根據(jù)其巖石結構不同分類,可以分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤。含有95%以上鏡質體的為鏡煤,煤表面光亮,結構堅實,含有鏡質體和亮質體的為亮煤,含粗粒體的為暗煤,含絲質體的為絲炭,由許多小孢子形成的微粒體組成的為燭煤。

主要用途

煤炭作為重要的能源和工業(yè)原料,其用途廣泛,主要體現(xiàn)在一下幾個方面:

電力行業(yè):煤炭石火力發(fā)電的主要原料,通過燃燒產(chǎn)生蒸汽驅動渦輪機發(fā)電,占全國煤炭消費量的50%以上。

供熱與取暖:北方地區(qū)供暖大量使用煤炭,尤其在幾種供熱系統(tǒng)不完善的區(qū)域,煤炭是主要熱源。

鋼鐵行業(yè):煉鐵高爐需用焦炭(煤炭干餾產(chǎn)物)提供還原劑和熱量,每噸生鐵需消耗0.4噸焦炭。

建材行業(yè):水泥生產(chǎn)用煤炭作為燃料,玻璃制造用煤炭提供高溫熔化原料,陶瓷制造也依賴煤炭。

化工行業(yè):通過煤炭氣化、液化可生產(chǎn)合成氨、甲醇、烯烴等基礎化工原料。

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選別方法

選煤方法


重力選煤法

① 跳汰選煤:在垂直脈動的介質流中,使煤和矸石按密度差異分層,然后分別排出。適用于處理易選和中等可選性的煤,對粗粒煤的分選效果較好。

② 重介質選煤:利用密度介于煤和矸石之間的重介質懸浮液,使煤和矸石在其中按密度分離。分選精度高,能有效處理難選煤,對不同粒度的煤都有較好的分選效果。

③ 搖床選煤:利用搖床的不對稱往復運動和薄層斜面水流的作用,使煤和矸石按密度和粒度差異進行分選。常用于處理細粒煤。


浮游選煤法

基于煤和矸石表面潤濕性的差異,向礦漿中加入浮選藥劑,使煤粒表面疏水并附著于氣泡上,上浮成為精煤,矸石等雜質則留在礦漿中成為尾煤。主要用于細粒煤的分選。


干法選煤

包括風力選煤和空氣重介質流化床選煤等。風力選煤是利用空氣流作為分選介質,按煤和矸石的密度、粒度等特性進行分選;空氣重介質流化床選煤是在氣固流化床中,利用加重質形成的穩(wěn)定密度場實現(xiàn)煤與矸石的分離。干法選煤適用于干旱缺水地區(qū),可減少水資源的消耗和環(huán)境污染。

煤矸石

在煤炭開采與洗選過程中,有一種常被忽視的固體廢棄物 —— 煤矸石。它曾因大量堆積帶來諸多環(huán)境問題而被視作“工業(yè)廢料”,但隨著科技的進步,其蘊含的潛在價值逐漸被挖掘,正在經(jīng)歷從“廢”到“寶”的華麗蛻變。

煤矸石主要由碳質頁巖、碳質砂巖、砂巖、頁巖、黏土等巖石組成,是煤層的“伴生品”。在漫長的地質歷史時期,煤層形成過程中,這些巖石作為夾矸、頂?shù)装鍘r石或伴生巖石,在煤炭開采時一同被挖掘出來。其外觀顏色多為黑色或灰色,質地堅硬,與煤炭相比,煤矸石的發(fā)熱量極低,難以像煤炭那樣直接作為燃料使用,這也是它長期不受重視的關鍵原因。

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過去,煤矸石的無序堆積給環(huán)境帶來了沉重壓力。從土地資源角度看,每萬噸煤矸石大約占地1畝,大量煤矸石堆積如山,侵占了寶貴的土地資源,還破壞了地表植被和生態(tài)平衡。在大氣環(huán)境方面,煤矸石堆放過程中容易發(fā)生自燃現(xiàn)象,一旦自燃,便會釋放出二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體,是造成大氣污染的 “隱形推手”。此外,煤矸石中含有的重金屬和有害物質,會隨著雨水滲透到土壤和水體中,導致土壤板結、肥力下降,水體富營養(yǎng)化,對周邊生態(tài)環(huán)境和居民健康構成嚴重威脅。

但如今,科技的進步賦予了煤矸石“新生”。在建筑材料領域,煤矸石大顯身手。經(jīng)過粉碎、煅燒等一系列加工處理,它可以搖身一變,成為性能優(yōu)良的矸石磚、水泥、陶粒等。以矸石磚為例,其不僅強度高,而且保溫性能出色,生產(chǎn)成本還低于傳統(tǒng)黏土磚,既節(jié)省了土地資源,又實現(xiàn)了廢棄物的再利用;在能源領域,煤矸石發(fā)電成為重要的利用方向。通過將煤矸石與煤按一定比例混合燃燒,能有效提高能源利用率,減少煤炭消耗,并且燃燒產(chǎn)生的廢渣還能進一步用于生產(chǎn)建筑材料,形成資源循環(huán)利用的良好模式;在化工領域,煤矸石中含有的硅、鋁等元素,使其成為提取化工原料的潛在寶庫。經(jīng)過復雜的化學反應,可從煤矸石中提取氧化鋁、二氧化硅等物質,用于生產(chǎn)陶瓷、橡膠、塑料等產(chǎn)品。

此外,在生態(tài)修復方面,煤矸石也發(fā)揮著獨特作用。在煤礦塌陷區(qū)等生態(tài)受損區(qū)域,煤矸石被用于土地復墾,通過合理的填埋和覆土作業(yè),可逐步恢復土地的耕種和綠化功能,助力生態(tài)環(huán)境的改善。

選別方法

磁選

煤矸石中常含有一些磁性礦物,如黃鐵礦等。利用磁選設備可以將這些磁性礦物與非磁性的煤矸石分離,達到富集有用礦物或降低煤矸石中雜質含量的目的。

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浮選

與選煤中的浮選原理類似,對于一些含有可浮性較好的礦物(如高嶺土等)的煤矸石,可通過浮選方法將其與其他雜質分離。

智能光電分選

通過X射線探測礦石大小、厚度、密度等特征值和相關組分的元素、原子序列對X射線反應差異性,從而實現(xiàn)高效的礦廢分離。

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化學選礦

對于一些含有特殊成分的煤矸石,如含有較高含量的鋁、鐵等元素,可采用化學選礦方法,通過酸浸、堿浸等工藝,使有用成分溶解出來,再經(jīng)過后續(xù)的分離、提純等步驟,實現(xiàn)有用成分的回收利用。

現(xiàn)場案例

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