一種煤矸石製備的擴蓄增容劑及其生產方法
2023-12-05 03:50:06 2
專利名稱：一種煤矸石製備的擴蓄增容劑及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種土壤擴蓄增容劑及其生產方法。特別是一種利用廢棄資源(煤矸石)為主要原料製備的擴蓄增容劑及其生產方法，為綜合利用城鄉廢棄資源，變廢為寶開闢了一條新途徑。
背景技術：
1.我國煤矸石現狀煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的固體廢棄物，是目前我國年排放量和累計堆存量最大的工業廢棄物之一。煤礦經過多年開採，廢棄的煤矸石堆積如山。20世紀50年代以來，由於採掘機械化的發展和煤層開採條件的逐漸惡化，煤礦排出的矸石大量增加。我國煤炭系統多年來積存下來的煤矸石達10億噸以上，現在每年還要排放出近1億噸，其中洗矸石約1500多萬噸。煤矸石的堆積不但佔用大量土地，而且煤矸石中所含的硫化物散發後會汙染大氣和水源，造成嚴重的後果。煤矸石中所含的黃鐵礦(FeS2)易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風化以至自燃。煤矸石燃燒時散發出難聞的氣味和有害的煙霧，使附近居民慢性氣管炎和氣喘病患者增多，周圍樹木落葉，莊稼減產。煤矸石山受雨水衝刷，常使附近河流的河床淤積，河水受到汙染。國外曾發生一起煤矸石堆滑坡事故，以至埋沒了山谷下的一所小學校，造成多人傷亡事故。因此，隨著我國對於保護耕地和環境保護的各項法律法規的頒布和實施，如何處理和利用煤矸石已經成為煤礦開採和環境保護部門面臨的一個重要課題。
資源綜合利用是治理汙染、改善環境、促進可持續發展的重要措施。煤炭開採和洗選過程中產生的煤矸石既是一種固體廢棄物，也是可以利用的資源。目前，國內外煤殲石綜合利用的途徑主要有利用煤矸石發電，生產建材，開發煤矸石中的共、伴生礦物，利用煤矸石生產肥料，利用煤矸石築路、填坑、土地復墾等。
2.國外煤矸石綜合利用現狀目前，國外對煤矸石的綜合利用與國內基本相同，主要集中在利用煤矸石發電，生產建材，及開發煤矸石中的共、伴生礦物等方面。近年來國外科學家還研究發現，煤矸石中含有多種農作物生長所必需的微生物肥料成分。但關於利用煤矸石生產土壤擴蓄增容劑，變廢為寶的多功能綜合利用技術，卻鮮見報導。
3.國內煤矸石綜合利用現狀擴大煤矸石綜合利用是我國可持續發展的必然要求。堅持「因地制宜，積極利用」的指導思想，實行「誰排放、誰治理」、「誰利用、誰受益」的原則，在國家關於煤矸石綜合利用一系列鼓勵政策的引導下，我國煤矸石綜合利用規模不斷擴大，綜合利用技術水平顯著提高，將資源化利用與企業發展相結合，資源化利用與汙染治理相結合，實現了經濟效益、環境效益、社會效益的統一。
3.1煤矸石綜合利用途徑改革開放以來，我國引進法國等發達國家的先進技術，使煤矸石建築材料工業的發展邁上了一個新臺階。1989年，中央兩委兩部聯合發出綜合利用煤矸石的通知，將煤矸石的資源化定為國家推行的方針，此後，又出臺了一系列的減免稅等優惠政策，有力地促進了煤矸石綜合利用事業的發展。
3.1.1利用煤矸石作燃料供熱發電含碳量相對較高，發熱量在6300kJ/kg以上的煤矸石，適宜用作燃料發電。利用豐富的煤矸石燃燒，代替優質煤發電供熱，既利用了煤矸石的熱值，又節約了煤炭，還減少了環境汙染、廢物佔地和水土流失。
平煤集團建成的3座綜合利用電廠，每年可消耗煤泥23萬噸、煤矸石30萬噸，年可發電5.2億千瓦時，實現銷售收入1.6億元，目前，平頂山市區己經全部取消了小鍋爐，實現了集中供熱，全市50％以上的餐飲企業和90％以上的居民用上了煤氣、液化氣等清潔燃料，城市空氣和環境質量明顯提高，實現經濟效益和生態效益雙豐收。
2005年8月，總投資近14億元的重慶松藻煤電公司矸石發電廠己經進入到輸電階段，該電廠正式投產後，年發電量將達到16億千瓦時。重慶目前批准了7個煤矸石資源綜合利用電廠，裝機總容量達58萬千瓦.這些項目建成後，可年利用煤矸石360萬噸，年發電35億千瓦時。
3.1.2回收礦產資源，製取化工產品煤矸石中含有硫、鋁、鐵、鋇、鈣、鈦、矽等50多種元素，當煤矸石中某一種或幾種元素富集到具有工業利用價值時，便可提取化工原料或化工產品。
煤矸石可以製取鹼式氯化鋁和水玻璃；以煤矸石為原料，通過破碎、焙燒、連續酸溶、濃縮結晶、沸騰分解和配水聚合等工序，用酸溶法製取聚合氯化鋁的技術已經成熟，且生產過程產生的殘渣可用作水泥配料，或製成水玻璃和碳黑等產品；經過破碎、酸解、過濾提純、蒸髮結晶和脫水烘乾等工序可製備出十八水硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)，生產工藝簡單，產品質量可靠。對於二氧化二鐵含量較高的煤矸石，可採用直流礦熱爐冶煉矽鋁鐵合金。我國北方石炭一二疊紀煤系地層中，有一種不可多得的煤矸石——高鋁煤矸石，它以高嶺石為主要礦物成分，是我國特有的新型粘土資源，世界罕見。我國的這種高鋁煤矸石，不僅儲量大，分布穩定，而且質量優異，有一定的開採價值，有明顯的資源優勢。以前，這種煤矸石絕大多數都當作廢石廢料被排放堆棄，造成巨大的資源浪費和環境汙染。今天，若對它加以綜合利用，則可變廢為寶。我們可以充分利用該資源，研製出工業市場迫切需要的、具有更高利用價值的礦物新材料——高純度矽酸鋁耐火纖維節能新產品、高純莫來石及其複合材料等。這種用煤矸石綜合開發出來的礦物新材料，不僅具有重要的科學意義，而且具有重大的經濟和社會意義。
3.1.3在建材中的應用(1)制磚。利用煤矸石制磚包括用煤矸石生產燒結磚和作燒磚內燃料。煤矸石一般佔坯料重量的80％以上，有的全部以煤矸石為原料，煤矸石經破碎、粉磨、攪拌、壓制、成型、乾燥、焙燒，製成矸石磚。利用煤矸石生產燒結磚一般採用全內燃焙燒技術，即用煤矸石自身的發熱量提供熱能來完成乾燥和焙燒的工藝過程，基本不需外加燃料。僅在煤矸石發熱量較低時(＜2.1～4.2MJPkg)才向矸石中摻入少量煤炭。每萬標塊煤矸石磚比粘土磚約節省1噸標煤，不用或少用30％的土地，但其性能與普通粘土磚相同。用煤矸石作燒磚內燃料制磚生產工藝與用煤作燃料基本相同，僅需增加煤矸石的粉碎工序。
(2)制水泥。煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3的總含量一般在80％以上，是一種天然的粘土質原料，可代替粘土配料燒制普通矽酸鹽水泥、快硬矽酸鹽水泥、煤矸石爐渣水泥等。衡陽市白沙煤電集團方寧建材公司利用煤矸石取代粘土生產水泥，節約了生產成本，為企業生產經營帶來了可觀的經濟效益和社會效益。
(3)作水泥混合材和混凝土摻合料。煤矸石經自燃或人工煅燒後具有一定活性，可摻入水泥中作活性混合材料，改善水泥的性能，降低水泥的生產成本。如大同水泥集團有限公司利用煤矸石作水泥混合材，其各項技術指標都能符合水泥生產的技術要求，並使生產成本降低3.84元/噸。
煤矸石也可以替代部分水泥，作為活性摻合料摻入混凝土中，從而改善水泥漿體的級配組成，提高混凝土的工作性、密實度和抗硫酸鹽侵蝕性等。但用煤矸石粉直接作為混凝土摻合料使用的工程實例很少，至今未能推廣到混凝土生產中去，有待於加強這方面的研究(4)生產輕集料和空心砌塊。將含碳量＜13％的碳質頁巖矸或選煤廠排出的洗矸，經破碎磨細加水成球，用燒結機或迴轉窯工藝焙燒，矸石球膨脹，冷卻後即成煤矸石輕骨料。以煤矸石生產的輕集料作為骨料，水泥為膠結材料，加入少量外加劑，加水攪拌並經成型、自然養護而成的空心砌塊簡稱煤矸石空心砌塊。這種砌塊性能穩定，可取代全部砂石和水泥，並具有質輕、高強、工藝簡單、成本低和利廢率高、使用效果好等優點，用煤矸石空心砌塊代替普通磚，可以節約大量粘土，減少用土毀田。
(5)作築路和填充材料。煤矸石具有很好的抗風雨侵蝕性能，國外已廣泛利用自燃煤矸石作為築路材料。實踐證明，它是一種與碎石土相似的良好的築路材料，具有良好的水穩性。煤矸石混合料作道路基層材料，其強度、凍穩性和抗溫縮防裂性，均能滿足多種等級公路的規範要求，而且有些混合料的性能還優於常用的基層材料。因此，用煤矸石作道路基層材料具有廣泛的推廣價值。利用煤矸石作塌陷區復地的充填材料，可使採煤破壞的土地得到恢復，由於煤矸石中含有大量SiO2和Al2O3等，若加上少量石灰或水泥調製成灰漿，可提高充填體的強度和密實性。
3.1.4利用煤矸石生產複合農肥近年來國外科學家研究發現，煤矸石中含有多種農作物生長所必需的微生物肥料成分。北京林業大學、山西潞安礦業集團、潞安職業技術學院合作組建的科研課題組，篩選出兩種適合以煤矸石為基質生產生物肥料的菌種，成功研製出煤矸石複合微生物肥料生產工藝。經國家農業部穀物品質監督檢驗測試中心檢測，施用煤矸石複合微生物肥料的青椒、玉米、穀子，分別比施用普通化肥的同類農作物增產9.3％、0.4％和10.3％，維生素BI含量提高103.1％。測試結果表明，這種肥料具有無毒、無害、無汙染、廣譜、優質、高效等優點。
以煤矸石和廉價的磷礦粉為原料基質，外加添加劑等，可製成煤矸石微生物肥料，這種肥料可作為主施肥應用於種植業。利用煤矸石的酸鹼性及其中含有的多種微量元素和營養成分，可將其用於改良土壤，調節土壤的酸鹼度和疏鬆度，並可增加土壤的肥效。
我國是農業大國，水資源緊缺且肥料水分利用率低下，水肥高效利用是農業生產的關鍵，因此，如何減少水肥損失，提高水肥利用效率是當前農業生產中面臨的重大問題。同時，隨著科學技術的不斷進步，如何有效地利用工業廢渣，變廢為寶，減輕環境汙染，是當前全世界共同關注的話題。目前，煤矸石再利用的科技越來越多，但是這些大多局限在工業領域，而將其作為擴蓄增容劑用於農業上的研究相對較少且不成熟。本發明的指導思想就是利用外來介質既煤矸石製備土壤擴蓄增容劑，施入土壤中提高土壤的持水能力，減少農業發展中用水量，提高天然降水利用率和土壤持水保水能力，同時其還可提高土壤的肥力，這樣既促進農業發展，又變廢為寶保護了環境。
發明內容
本發明目的在於提供一種土壤擴蓄增容劑及其製備方法，原料採用城鄉建築垃圾、生活爐渣、煤矸石、汙水汙泥、作物秸稈、秸稈活性炭、秸稈木炭以及廢棄生活垃圾等，能夠潔淨生產出有利生態農業的新型擴蓄增容劑產品，這些產品可廣泛應用於生態農業節水工程中，有利於充分利用天然降水，保水保肥，增產增收。
為實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案一種土壤擴蓄增容劑，其特徵在於，製得的該土壤擴蓄增容劑由以下原料及其重量百分比組成煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氫鉀10％～20％、磷酸二銨15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、農作物混合秸稈10％～18％，上述原料的百分比之和為100％。
上述土壤擴蓄增容劑的製備方法，其特徵在於，該方法選用經篩選分級的煤矸石為主要原料，並加入磷酸二氫鉀、磷酸二銨、油菜渣、秸稈、尿素、高脂膜，具體包括下列步驟首先將煤矸石剔除雜物，分級，經粉碎後研磨至1mm以下，過20目篩，得到煤矸石粉末；將輔料磷酸二氫鉀，磷酸二銨，油菜渣，農作物混合秸稈風乾，分別粉碎並研磨至1mm以下，過20目篩備用；將煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氫鉀10％～20％、磷酸二銨15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、作物混合秸稈10％～18％混合，攪拌均勻，經制粒、包裝即得。
採用本發明製備的土壤擴蓄增容劑可充分提高煤矸石的綜合利用效率，變廢為寶。同時可提高水分利用率10％以上，更能增產增收。經實驗研究證明，本發明製備的擴蓄增容劑，施用於棉花等作物，離地表面20cm-30cm的土壤層含水量增高2％，每公頃節水900m3～1000m3，可增產12％以上，農民節約投資2250元/hm2～3000元/hm2。日產100噸的企業，年可生產30000餘噸擴蓄增容劑產品，產值3000餘萬元，節約天然雨水1800萬m3～3000萬m3。可安排農村剩餘勞動力300-500人，農民增收300-500萬元，每年產品可施用土地面積200萬公頃，增產增收7500萬元。因此具有良好的社會效益，環境效益和生態效益。
圖1是本發明的製備方法工藝流程圖；圖2是基礎材料吸水效果圖；圖3是基礎材料保水效果圖；圖4是擴蓄增容劑對苗乾重的影響圖。
以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發明所述的土壤擴蓄增容劑是指能有效改善土壤團粒結構、增加土壤有效孔隙的擴蓄增容，抑制土壤表面無效蒸發、有效改善土壤持水保水能力的複合材料。
以下是發明人給出的實施例，需要說明的是這些實施例均為本發明較優的實例，本發明並不限於這些實施例，本領域的技術人員按照本發明公開的方案，對其中的技術特徵所作的等效替換、添加，均屬於本發明的保護範圍。
實施例1本實施例的土壤擴蓄增容劑，由以下原料及其重量百分比組成煤矸石粉末40％、磷酸二氫鉀10％、磷酸二銨20％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸稈18％。
製作上述土壤擴蓄增容劑方法，具體包括下列步驟(1)原料選擇煤矸石廢棄資源，剔除其中雜物另作他用。將煤矸石等原料分級，然後粉碎研磨至1mm(20目)以下，研磨後過篩備用。
(2)再將輔料磷酸二氫鉀，磷酸二銨，油菜渣，混合作物秸稈等風乾，粉碎，研磨，過1毫米(20目)篩備用。
(3)將煤矸石粉末40％、磷酸二氫鉀10％、磷酸二銨20％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸稈18％混合，攪拌均勻。
經常規的制粒機制粒(採用山東青山市制粒機)、包裝(25公斤/袋)即可得到土壤擴蓄增容劑。
實施例2本實施例與實施例1所不同的是原料的成分有所不同，其製備方法與實施例1相同。
原料及其重量百分比組成為煤矸石粉末35％、磷酸二氫鉀15％、磷酸二銨15％、油菜渣15％、尿素2％，高脂膜1.5％、作物混合秸稈16.5％。
實施例3
本實施例與實施例1所不同的是原料的成分有所不同，其製備方法與實施例1相同。
原料及其重量百分比組成為煤矸石粉末45％、磷酸二氫鉀18％、磷酸二銨15％、油菜渣10％、尿素1％，高脂膜1％、作物混合秸稈10％。
實施例4本實施例與實施例1所不同的是原料的成分有所不同，其製備方法與實施例1相同。
原料及其重量百分比組成為煤矸石粉末40％、磷酸二氫鉀16％、磷酸二銨15％、油菜渣15％、尿素1％，高脂膜2％、作物混合秸稈11％。
實施例5本實施例與實施例1所不同的是原料的成分有所不同，其製備方法與實施例1相同。
原料及其重量百分比組成為煤矸石粉末40％、磷酸二氫鉀15％、磷酸二銨15％、油菜渣12％、尿素3％，高脂膜1％、作物混合秸稈14％。
實施例6本實施例與實施例1所不同的是原料的成分有所不同，其製備方法與實施例1相同。
原料及其重量百分比組成為煤矸石粉末35％、磷酸二氫鉀15％、磷酸二銨15％、油菜渣20％、尿素2％，高脂膜1％、作物混合秸稈12％。
上述實施例中的高脂膜是20年前由北京農業大學韓金聲教授研究成功，在果樹等作物上應用有一定效果。高脂膜是一種油性物質，實驗證明加入適量的高脂膜對保水保墒有一定的促進作用。
採用本發明的土壤擴蓄增容劑，每公頃用量為750kg-1500kg。實驗表明，棉花等作物可增產12％以上，提高水分利用效率10％以上，在乾旱半乾旱地區，能充分利用天然降雨，保水保肥提高土壤肥力，有利於生態保護。
本發明採取室內與大田試驗相結合的方法，對製備的土壤擴蓄增容劑進行了驗證，實驗採取基礎材料粉碎、研磨後裝營養缽、置於瓷盤內自行吸水、失水的方法。土壤為對照，重複四次，連續實驗2-3次，然後計算其吸水性、吸水速率、保水性以及失水特性。優先選擇吸水、保水、失水效果好的基楚材料為擴蓄增容劑主要原料，輔料選擇有利擴蓄增容無機有機肥料和化合物，進一步粉碎、研磨，攪拌均勻後再行營養缽自行吸水、保水、失水實驗，土壤為對照，重複4次，連續實驗2-3次，然後計算吸水性、吸水速率、保水性以及失水特性。優先選擇吸水、保水、失水效果良好的擴蓄增容劑配方，進行土壤不同水平模擬實驗，按材料特性和產品成本進行不同作物苗期鮮、乾重鑑定，進一步測試擴蓄增容劑新產品對作物苗期鮮、乾重的影響，從中篩選最佳的配方及施用量。在此基楚上，再行大田試驗示範。經多年多點試驗示範，選擇效果最好的配方，加工，生產，檢驗，在大田推廣。
保水、失水實驗實施例擴蓄增容劑的基礎材料的選擇最重要，所有合成劑所使用的原料及輔料均有吸水、保水、失水等功能。據此，發明人設計了不同質地基礎材料的吸水、保水、失水實驗，實驗結果見表1、表2、圖1、圖2。
表1基礎材料吸水效果表(g)
表2基礎材料失水效果表
由表1、表2、圖2、圖3可知小麥和玉米秸稈吸水性最強，為本身重量的20倍以上；煤矸石吸水性高於土壤(對照)；經六天(溫度50℃、溼度30％)失水後，含水量比對照高12.3個百分點，因此，具有一定保水性；且是磷酸二銨、磷酸二氫鉀的良好載體；油菜渣吸水性明顯高於土壤(對照)。因此，以上基礎材料是合成擴蓄增容劑的優質材料。
土壤擴蓄增容劑的實驗研究結果利用基礎材料合成土壤擴蓄增容劑後，經實驗研究，對作物(棉花等)苗期鮮、乾重具有良好的促進作用，詳見表3、圖4。
表3土壤擴蓄增容劑不同水平對棉苗乾重的影響(g/株)
由表3、圖4可知，利用煤矸石生產土壤擴蓄增容劑，在棉花苗期實驗結果顯示，比土壤(對照)高2個百分點，說明本發明製備的土壤擴蓄增容劑不僅節水保墒，而且能提高土壤肥力，促進棉苗生長，增加乾物質積累，因此，利用煤矸石等廢棄資源生產土壤擴蓄增容劑，無疑是節水農業，生態農業的一項創新技術。
本發明帶來的技術效果是(1)環境效益利用煤矸石、作物秸稈、油菜渣與磷酸二氫鉀，磷酸二銨等輔料混合後生產土壤擴蓄增容劑，大大減少蚊蠅等的滋生機會，降低病原菌存活時間，切斷了病原菌傳播到人類的途徑，避免了城市汙水汙泥二次汙染和城市垃圾的潛在威脅。將城市固體廢物回用到自然中，在保護城市環境的同時，又解決了農業上造成的偏施無機肥，使土壤養分比例失調、土壤退化等問題，有利於農業生態環境良性循環和農業經濟的可持續發展。
(2)社會效益把煤矸石、作物秸稈、油菜渣等廢棄資源充分綜合利用，生產農用土壤擴蓄增容劑，為農業部門提供了優質、價廉、高效的生態肥料，也使作物增產增收，同時變廢為寶，既發展了環保產業，同時也為城市、鄉村增加了新的就業機會。
(3)經濟效益若按年產3000萬噸的生產能力進行經濟核算，按照本研究的方法生產出的土壤擴蓄增容劑成本價為800～850元/噸，而市售高效三元複合肥市場售價一般為1100～1200元/噸，每年可增加3000萬元產值。因此本發明的土壤擴蓄增容劑有較好的經濟效益，市場應用前景廣泛。
權利要求
1.一種煤矸石製備的土壤擴蓄增容劑，其特徵在於，製得的該土壤擴蓄增容劑由以下原料及其重量百分比組成煤矸石35％～45％、磷酸二氫鉀10％～20％、磷酸二銨15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％，作物混合秸稈10％～18％，上述原料的百分比之和為100％。
2.權利要求1所述的煤矸石製備的土壤擴蓄增容劑的製備方法，其特徵在於，該方法選用經篩選分級的煤矸石為主要原料，並加入輔料磷酸二氫鉀、磷酸二銨、油菜渣、秸稈、尿素、高脂膜及其作物混合秸稈，具體包括下列步驟首先將煤矸石剔除金屬、木屑、塑料雜物，分級，經粉碎後研磨至1mm以下，過20目篩，得到煤矸石粉末；將輔料磷酸二氫鉀，磷酸二銨，油菜渣，作物混合秸稈風乾，分別粉碎並研磨至1mm以下，過20目篩備用；將煤矸石粉末35％～45％、磷酸二氫鉀10％～20％、磷酸二銨15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％、高脂膜1％～2％、作物混合秸稈10％～18％混合，攪拌均勻，經制粒、包裝即得。
全文摘要
本發明公開了一種煤矸石製備的土壤擴蓄增容劑，製得的該土壤擴蓄增容劑由以下原料及其重量百分比組成煤矸石35％～45％、磷酸二氫鉀10％～20％、磷酸二銨15％～20％、油菜渣10％～15％、尿素1％～3％，高脂膜1％～2％、作物混合秸稈10％～18％。其製備方法是先將煤矸石剔除雜物，分級，經粉碎後研磨至1mm以下，過20目篩，將輔料磷酸二氫鉀，磷酸二銨，油菜渣，作物混合秸稈風乾，分別粉碎並研磨至1mm以下，過20目篩，然後混合，攪拌均勻，經制粒、包裝即得。每公頃施用750kg－1500kg。棉花等作物可增產12％以上，提高水分利用效率10％以上，在乾旱半乾旱地區，能充分利用天然降雨，保水保肥提高土壤肥力，有利於生態保護。
文檔編號C05F11/02GK101045659SQ20071001779
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月30日 優先權日2007年4月30日
發明者馮浩, 吳普特, 杜健, 趙西寧, 許曉平, 杜璇, 張燕, 李卓, 洪小強, 張月麗, 胡森, 秦勇 申請人:西北農林科技大學