一种煤矸石脱碳制生黑土和腐殖质肥的方法及装备与流程

本发明涉及一种固废资源化利用方法与设备，尤其是涉及一种煤矸石脱碳制生黑土和腐殖质肥的方法及装备。

背景技术：

1、煤矸石是煤业的大宗固废产物，主要由硅铝酸盐矿物类页岩、碳酸岩、砂岩、残碳等组成，具体依成矿区地质矿物条件不同而有所区别，其中页岩类矸石占比逾八成。

2、众所周知，煤是由植物在高温高压地质条件下缓慢反应形成，但被人们长期忽视了的是，植物经热压反应形成煤的过程中，其中的腐殖质大部分被硅铝酸盐矿物页岩吸纳形成了黑色的页岩，其中的游离的重金属及氟大多被碳的天然吸附作用吸附于纯粹的煤碳块中、或以独立的矿物晶体如砷铁矿磷结石等形式存在，经我们长期的追踪取样分析，页岩矿区的煤形成过程中平均约81.33%的腐殖质存在于黑色的页岩中，在纯粹的煤块中腐殖质占比平均约18.67%；而铅汞砷铬等有害的重金属及氟主要吸附在纯粹的煤炭中或以独立的硫化物矿石存在，重金属总量占比在黑色页岩中平均仅14.31%，约85.7%的重金属吸附在煤炭块中或以硫化矿物晶体块状物存在，而大多数页岩类煤矸石的重金属总含量是在达标安全范围内的，实际上含大量腐殖质的页岩类矸石一般重金属含量很低，是安全的。客观地，页岩类矸石易风化遇水膨胀，含有丰富的有机质（大多在 15～36%）以及植物生长所需要的氮、磷、钾、锌、铜、硒、锗等多种微量元素，而重金属含量安全，经脱炭除杂属于“干净”类废渣，是一种地下形成的纯天然的潜在的优质“原生黑土”。显然，煤矸石中可能含有的重金属及氟元素集中在残碳（煤粒）及硫化矿物硬质块料中，要从煤矸石中获取这类“原生黑土”，既需要进行脱碳处理，却又不能降低页岩类矸石中的有机质（腐殖质）含量，损害天然粘土矿物的结构。

3、而现有的煤矸石脱碳，多采用高温热风脱碳法、焙烧脱碳法或浮选法。这类高温热风脱碳或焙烧脱碳技术存在脱碳能耗高，且高温或热风处理处理必然破坏腐殖质及天然粘土矿物结构，影响土壤有机质肥力。

4、例如，cn201911146651.0公开了一种煤矸石脱碳装置，包括进风管、撒料装置、脱碳箱体、脱碳筒体、导风管；所述脱碳箱体包括壳体、导料装置、导料孔；其导料装置为阶梯式结构，固定在壳体的内部，将导料装置设置为阶梯式结构，使高温气体导入脱碳箱体内流经的横截面积逐渐减小，使高温气体对位于不同区域的煤矸石产生大小不同的作用力，而高温气体与煤矸石接触后对其进行脱碳，煤矸石经过脱碳后密度减小，从而在高温气体风力的作用下，由阶梯式结构较高的一端向较低的一端移动；其设备虽然利用变截面积调节风速增强脱碳效果，但如此脱碳不仅能耗高，而且处理量非常有限，用于制造与煤矸石体量不成比例的陶粒绰绰有余，但若用于大批量制造原生黑土则会产生不可逆转的不利后果，即大幅降低原生黑土内的腐殖质含量并损害了天然粘土矿物结构，不利于制成的原生黑土的品质保证，不利于大宗固废煤矸石的资源化处置。

5、而浮选法脱碳处理，一则投资大、能耗高且存在二次污染；二则易将富集在煤粒中的重金属及氟元素转移至泥质化页岩中，且通常将粉碎的重金属硫化矿物夹杂于泥质化页岩中；三则浮选药剂带进大量的碱和有机污染物，且极难脱除，致使浮选法脱碳后的泥质化页岩客观上转化成了污泥物，不再适宜于土壤改良或作农肥。既便是改良版的先进浮选技术如高铝煤矸石提取氧化铝技术中，部分科技工作者采用浮选脱碳工艺对煤矸石含碳进行多级浮选，以多级破碎筛分和粉磨使粒级达到45-75μm再经过多级浮选分离高铝矸石渣和碳，此种脱碳技术对于制造高附加值的氧化铝相对更合适，对于需要制造大量、低成本且轻度破碎（25mm以下）的原生黑土就存在极大问题，不仅设备投资体量巨大，能耗巨大，而且浮选脱碳渣为污染泥渣，其中的碱、盐及有机污染物含量高，不利于原生黑土及农肥的制造。

6、其次，重介质选煤技术是原煤选煤工业生产中常用技术，主要是用密度大于水，并介于煤和矸石之间的重液或重悬浮液作介质实现分选的一种重力选煤方法。依所用介质不同，可分为重液选煤和重悬浮液选煤两大类。重液是指某些无机盐类的水溶液和高密度的有机溶液，如氯化铁、氯化锰、氯化钙、氯化钡和三氯乙烷、四氯化碳、五氯乙烷或二溴乙烷，最终多以腐蚀性强、危害健康、回收困难、价格昂贵而不被采用。重悬浮液是由高密度固体微粒多采用重晶石粉、硅铁粉、磁铁粉矿与水、增稠剂配制成具有一定密度呈悬浮状态的两相流体。当原煤给入充满这种悬浮液的分选机后，小于悬浮液密度的煤上浮，大于悬浮液密度的矸石(或中煤)下沉，实现按密度分选。现有的重介质选煤在生产中广泛应用的是重悬浮液选煤，通称重介质选煤。通常重介质选煤设备包括重介质旋流器和重介质浅槽分选设备以及提升轮式重介质分选，重介质旋流器是一种利用强于重力几十倍甚至几百倍的离心力场选煤的分选机，对粒径分级较严格，若用于制原生黑土不仅成本高，而且投资相对巨大，另大宗利用有较大难度。重介浅槽的分选是以阿基米德原理为基础的。原煤与重介质悬浮液在分选机内混合，由于密度的差异，煤浆在水平流和上升流的作用下，密度较小的浮物被运送至溢流堰排出，而密度较大的沉物落入槽体底部，由刮板输送机刮到排料口排出。这2种液流对分选的好坏都有十分重要的影响。一般来说，悬浮液的稳定性由上升流流速的大小决定，入料粒度下限由水平流流速的大小决定；重介质浅槽分选机通常以25mm或13 mm作为颗粒的分选下限，也有采用重介质浅槽分选机以6mm为分选下限的，但在6mm以下的分选往往重介质浅槽无法胜任需要采用重介质旋流器或螺旋分选机或压滤机。而提升轮式重介质分选机一般包括立轮式和斜轮式，多需要经过筛分的煤进入重介质悬浮液槽体进行分选，其原理主要是调节悬浮液的密度，使小于悬浮液密度的精煤浮出水面，由排煤轮刮出，密度大于悬浮液的矸石和高灰分煤则经过矸石排料刮板刮出至溜槽排出，此设备体积大，占地面积广，其也需要对煤粒径进行分级分选，小粒径的分离不彻底，在选煤有优势，但在煤矸石处置中一则无法有效脱碳，二则带进去大量的土壤污染物。在现有煤的重介质分选过程中往往需要采用组合方式来处置，比如重介质浅槽处置13mm-150mm粒级，而1.5mm-13mm左右的采用重介质旋流器分选，0.15mm-1.5mm的采用粗煤泥螺旋分选机，0.15mm以下的细煤泥采用压滤机或板框压滤机实现回收，如此设备系统对煤进行分选，不仅选煤设备投资体量巨大，而且占地面积广，不适合低热值的煤矸石进行脱碳处置，且会带入不适宜土壤优化的大量氯盐或重介质（重晶石粉、硅铁粉、磁铁粉）及有毒有害污染物。

7、综上所述，现有煤矸石脱碳技术及现有选煤技术及设备均不能满足煤矸石制原生黑土和腐殖质肥的要求，致使以煤为主要能源的我国历经几十年的风起云涌的煤矸石大宗固废资源化利用效果很不如人意，乃至煤矸石处置倡导的主流技术仍然是简易覆土填埋植被技术，即征用农田山地筑坝堆填煤矸石，然后在上面覆土种植植物绿化，这是近年来环保要求下各煤矿普遍采用的方式，基本的运作模式是煤矿征地，且一般是就近征用耕地或山沟，筑围坝，堆埋煤矸石，大多以30元/吨煤矸石价格请人推土填埋，然后在上面种植植物。“煤矸石山人工造土造地绿化先导试验研究”（参见《安全与环境工程》，vol.30 no.3 may2023)一文报道，贵州响水煤矿征用农田耕地围筑坝堆存煤矸石山覆土植物的成功经验进行了充分的肯定。该方法虽然简单易行，合乎现有环保绿化要求，但一则占用现有耕地，二则浪费了煤矸石中可贵的大量有机质资源和粘土资源，即浪费了地下天然形成的大量生黑土资源，三则易造成地下水土污染。

8、尽管当前煤矸石的资源化、减量化利用技术发展迅速，但由于煤矸石成分的多样性和复杂性，目前尚无一种简单有效、低成本对煤矸石各组分高效资源化利用的方法或技术装备。

9、另一方面，我国现有土地退化较为严重，土壤中有机腐殖质含量逐年降低，土地逐步贫瘠，石漠化也较严重。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种装备投资少、占地面积少、运行能耗低，可规模化脱除煤矸石中富积重金属与氟元素的残碳（煤粒），用煤矸石直接生产不含氯盐及有毒有害物的生黑土和腐殖质肥的方法及装备。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种煤矸石脱碳制生黑土和腐殖质肥的方法，主要包括以下步骤：

3、（1）悬浮分离介质制备：根据黑土及腐殖质肥不得含有超标的有毒有害物氯、氟、硫、碱（钠）及重金属元素和有机污染物的要求，以及煤矸石的矿物组成特性，选用不燃、无毒、无异味、不含氟氯硫磷碱和重金属等有害元素及有机污染物的氮基介质，加水溶解，制成密度1.35～1.7g/cm3的溶液，作为煤矸石脱碳的环保型悬浮分离介质；

4、（2）煤矸石备料：根据不同地质条件下不同矿区煤矸石的具体特征，分别进行以下初步处理：

5、1）对页岩矿区煤矸石，硫化物含量低、石包煤/煤包石及硬质块料极少、粒径≤150mm的煤矸石粒料，直接选用；对石包煤/煤包石或大块状矸石预粉碎至粒径≤150mm的煤矸石粒料，备用；

6、2）对硬质块料及石包煤/煤包石、且含硫化物的煤矸石，选择性粉碎并分选出>100mm硬质块料作为建材原料，≤100mm的煤矸石粒料，备用；

7、（3）脱碳制生黑土和腐殖质肥：

8、1）采用悬浮冲荡分离装置，将步骤（1）制得的环保型悬浮分离介质注入悬浮冲荡分离装置的u型槽内，煤矸石粒料连续从进料口加入悬浮冲荡分离装置的u型槽内，进料口下落入悬浮介质中的煤矸石粒料即时实施第一级悬浮冲荡分离，使大部分煤料及时分离悬浮，并对沉底的矸石渣料实施第二级冲荡悬浮分离，煤矸石粒料经第一级悬浮冲荡分离机构悬浮冲荡分离，及沉底矸石渣料经第二级冲荡悬浮分离机构冲荡悬浮分离后，悬浮的煤料被煤料提滤装置提取、清洗、振动脱水，回收含悬浮分离介质及腐殖质泥的废液，获得由煤矸石脱碳所得的煤料；

9、2）经二次冲荡悬浮分离介质分离的矸石渣料，经生黑土提滤装置提取、清洗、振动脱水，回收含悬浮分离介质及腐殖质泥的废液，获得生黑土；

10、3）将回收含悬浮分离介质及腐殖质泥的废液送入腐殖质肥提滤装置的振动脱水机构，经废水收集机构回收含悬浮分离介质的废水送入悬浮分离介质溶液调补装置中，脱水腐殖质泥收集从出料口排出，得腐殖质肥。

11、进一步，步骤（1）中，所述不燃、无毒、无异味、不含氟氯硫磷碱和重金属等有害元素及有机污染物的氮基介质为水溶性硝酸盐，如硝酸锰/铁/镁/钙/钾等和氨基酸衍生物的复合物中的一种或几种的混合物。

12、本发明一种煤矸石脱碳制生黑土和腐殖质肥的装备，主要包括悬浮冲荡分离装置、煤料提滤装置、生黑土提滤装置、腐殖质肥提滤装置、悬浮分离介质溶液调补装置，所述的煤料提滤装置设置于悬浮冲荡分离装置的上部或侧面，与悬浮冲荡分离装置的u型槽相连通，生黑土提滤装置设置于悬浮冲荡分离装置的u型槽末端，与其卸料口相连通，腐殖质肥提滤装置的进料口与煤料提滤装置、生黑土提滤装置的滤液出口通过管道相连通，悬浮介质溶液调补装置的循环废水进口与腐殖质肥提滤装置的废水出口通过管道相连通，悬浮分离介质溶液调补装置的重介质溶液出口与悬浮冲荡分离装置通过管道相连接。

13、进一步，所述的悬浮冲荡分离装置主要包括u型槽、单轴或双轴或多轴螺旋机构、第一级悬浮冲荡分离机构、第二级冲荡悬浮分离机构、滤分机构、循环泵、进料口、卸料口；所述的单轴或双轴或多轴螺旋机构设置于u型槽内底部，功能是搅动并推动沉底煤矸石物料向末端移动；所述的进料口、卸料口分别设置于u型槽首端上部及末端，所述的第一级悬浮冲荡分离机构设置于u型槽内的进料口下方、单轴或双轴或多轴螺旋机构上方，功能是对进料口下落的煤矸石物料实施即时悬浮冲荡分离；所述的第二级冲荡悬浮分离机构设置于u型槽的底部或槽内，功能是对沉底的矸石渣料实施第二级冲荡悬浮分离，入u型槽的煤矸石经第一级悬浮冲荡分离机构悬浮冲荡分离、及沉底矸石渣料经第二级冲荡悬浮分离机构冲荡悬浮分离后悬浮的煤料被煤料提滤装置提取，分离沉底的矸石渣料经单轴或双轴或多轴螺旋机构推送至u型槽末端卸料口后入生黑土提滤装置提取。

14、进一步，所述的滤分机构主要包括导流分离滤网和浓、淡相液出口，设置于悬浮冲荡分离装置的u型槽末端槽内螺旋机构上方，将所述u型槽内后段含大量颗粒的悬浊液网滤导流分离为浓相（悬浮煤粒等富集液）、淡相（循环喷吹重介质溶液），滤分机构的淡相液出口与循环泵的进口以管道相连通，循环泵的出口与所述u型槽内第一级悬浮冲荡分离机构、第二级冲荡悬浮分离机构的进口分别通过管道相连通，滤分机构的浓相液出口与煤料提滤装置的浓相泵的进口通过管道相连通，功能是连续抽提净化u型槽内的煤末等悬浮细颗粒。

15、进一步，所述的煤料提滤装置主要包括滤网或滤斗或滤板式或螺旋式悬浮煤料提取机构、振动滤洗机构、浓相泵，所述的煤料提取机构的卸料口与振动滤洗机构的进料端相连通，浓相泵的出料口与振动滤洗机构的进料端以管道相连通；所述的振动滤洗机构主要包括振动滤（板/网/布）筛、清水喷洗器、滤液收集槽，所述清水喷洗器和滤液收集槽分别设置在振动滤筛的上部和下部，功能是沥滤并清洗煤料提取机构提取的煤料和浓相泵提取的煤末，得分选煤，回收含悬浮分离介质和腐殖质泥的废液；滤液收集槽的废液出口通过管道与腐殖质肥提滤装置的进料端相连通。

16、进一步，所述的生黑土提滤装置主要包括滤斗式或链板式/链网式或螺旋式提升机构、振动滤洗机构，所述的提升机构的卸料口与振动滤洗机构的进料端相连通；所述的振动滤洗机构主要包括振动滤（板/网/布）筛、清水喷洗器、滤液收集槽，清水喷洗器、滤液收集槽分别设置在振动滤筛的上部和下部，功能是沥滤并清洗生黑土提取机构提取的页岩类矸石（生黑土），得生黑土，回收含悬浮分离介质和腐殖质泥的废液；滤液收集槽的废液出口通过管道与腐殖质肥提滤装置的进料端相连通。

17、进一步，所述的腐殖质肥提滤装置主要包括单层或多层振动脱水机构、废水收集机构、腐殖质泥收集排出机构，所述的废水收集机构设置在各层振动脱水机构的下部并与废水出口连通，所述的腐殖质泥收集排出机构设置在各层振动脱水机构的末端并与腐殖质泥出料口连通；来自煤料提滤装置、生黑土提滤装置的含悬浮分离介质和腐殖质泥的废液送入振动脱水机构，经废水收集机构回收含悬浮分离介质的废水送入悬浮分离介质液调补装置中，脱水腐殖质泥收集从出料口排出，得腐殖质肥。

18、进一步，所述的悬浮分离介质溶液调补装置主要包括罐体、悬浮分离介质加料机构、清水补给机构、旋流搅拌机构、悬浮分离介质液供补泵、废水进口；所述的悬浮分离介质加料机构主要包括破袋机构和卸料口，悬浮分离介质加料机构设置在罐体的顶端或上侧壁，悬浮分离介质加料机构的卸料口与罐体内相连通；所述的清水补给机构主要包括水箱、进水口、清洗水出口、补水出口、清洗泵，清水补给机构设置在罐体的上部或外侧，清洗水出口通过清洗泵分别与煤料提滤装置、生黑土提滤装置的清水喷洗器进水口以管道相连通，补水出口与悬浮分离介质溶液调补装置的罐体内通过管道或输送泵相连通；所述的旋流搅拌机构主要包括旋流泵，设置于罐体内或罐体外，设置于罐体外时旋流泵的进出口与罐体内分别通过管道相连通，使罐体内产生涡流/旋流搅拌作用；所述的悬浮介质液供补泵的进口、出口分别与悬浮分离介质溶液调补装置的罐体内、悬浮冲荡分离装置的u型槽通过管道相连通。

19、进一步，所述的一种煤矸石脱碳制原生黑土和腐殖质肥的装备，其煤料提滤装置可以分级设置为精煤提滤装置、含碳物料提滤装置，分段提取悬浮冲荡分离装置的u型槽内不同悬浮介质液面深度的悬浮含碳物料，获得不同品位（不同含煤量、不同热值）的煤料；所述的浓相泵的出料口与含碳物料提滤装置的振动滤洗机构的进料端通过管道相连通。

20、进一步，所述的一种煤矸石脱碳制原生黑土和腐殖质肥的装备，其煤料提滤装置可以分级设置为精煤提滤装置、含碳物料提滤装置、煤末提滤装置，精煤提滤装置、含碳物料提滤装置分段提取悬浮冲荡分离装置的u型槽内不同悬浮介质液面深度的悬浮含碳物料，获得不同品位（不同含煤量、不同热值）的煤料；所述的浓相泵的出料口，及精煤提滤装置和含碳物料提滤装置的振动滤洗机构的滤液收集槽的废液出口通过管道与煤末提滤装置的进料端相连通，收集煤末的煤末提滤装置的废液出口与腐殖质肥提滤装置的进料端通过管道或输送泵相连通，回收氮基介质和腐殖质肥。

21、进一步，所述的一种煤矸石脱碳制原生黑土和腐殖质肥的装备，其悬浮冲荡分离装置上还可设置气力冲荡装置，对悬浮介质溶液中的矸石渣料进行气力冲荡分散悬浮。

22、进一步，所述的一种煤矸石脱碳制原生黑土和腐殖质肥的装备系统，还可设置煤矸石破碎筛分预处理装置，或设置选择性粉碎去除硬质块料装置，或设置选择性粉碎去除硬质块料和强磁选剔除硫化物矿物装置。

23、本发明的有益效果：（1）本发明根据黑土及腐殖质肥不得含有超标的有毒有害物氯、氟、硫、碱（钠）及重金属元素和有机污染物的要求、以及煤矸石的矿物组成特性，选用不燃、无毒、无异味、不含氟氯硫磷碱和重金属等有害元素及有机污染物的氮基介质，视情制成密度1.35～1.7 g/cm3的溶液作为煤矸石脱碳的环保型悬浮分离介质，为煤矸石的高效无污染脱碳脱毒奠定了基础，利于煤矸石的大规模有效利用，利于高效制造生态安全型的黑土和腐殖质肥；（2）工艺方法及装备相对简单，煤料、渣料（生黑土）分离彻底，设备投资少，运行成本低；（3）解决了常规选煤浮选工艺及重介质浮选的污染难题，无有害废渣排放，无废水废气排放，为绿色环保工艺。