煤矸石綜合利用現(xiàn)狀分析

煤矸石是在煤礦建井、開拓掘進、采煤和煤炭洗選過程中產(chǎn)生的干基灰分大于50%的巖石，含碳量低、比煤堅硬的黑灰色巖石。煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，每年的排放量相當(dāng)于當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的10%左右。

1.煤矸石的產(chǎn)生

在煤炭開采行業(yè)，我國每生產(chǎn)1億噸煤炭，排放矸石1400萬噸左右，在煤炭洗選行業(yè)，每洗選1億噸煉焦煤，排放矸石2000萬噸，每洗1億噸動力煤，排放矸石量1500萬噸。近三年新增煤矸石產(chǎn)生量約為6.5億噸。

我國作為全世界第一的產(chǎn)煤大國，具有大量堆存的煤矸石，能實現(xiàn)其資源化利用，可改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，以保證現(xiàn)代煤礦企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[1]。

2. 煤矸石相關(guān)法律法規(guī)

1998年國家經(jīng)貿(mào)委等八部門聯(lián)合發(fā)布《煤矸石綜合利用管理辦法》，并在2014年進行修訂，為引導(dǎo)引導(dǎo)和規(guī)范煤矸石綜合利用行為，減少其對土地資源占用和環(huán)境影響，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，推進生態(tài)文明建設(shè)，對其綜合管理和鼓勵措施做出了詳細指導(dǎo)。 1999 的《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點》，將煤矸石發(fā)電、生產(chǎn)建材、回填和無害化處理作為綜合利用技術(shù)的主攻方向，發(fā)展高科技含量、高附加值的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)品。 2012年《煤矸石利用技術(shù)導(dǎo)則》對煤矸石用于不同領(lǐng)域進行了詳細的要求。 2021《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中對煤矸石等大宗固廢的綜合利用指明了方向。

3. 煤矸石的特性

3.1 物理特性

煤矸石長期堆放，當(dāng)內(nèi)部溫度達到一定值時會發(fā)生自燃，因此常將煤矸石分為原狀煤矸石和自燃煤矸石兩種。其中，原狀煤矸石外觀多呈黑色或灰黑色，表面多粘附煤泥和細顆粒煤矸石。自燃煤矸石碳含量較低，孔隙率相對較高，堆積密度在0.9~1.3 g/cm3之間，表層多呈陶紅色或陶黃色，內(nèi)部碳質(zhì)燃燒不充分會存在黑心[2]。

圖1 原狀煤矸石(a)和自燃煤矸石(b)[2]

煤矸石的吸水特性對煤矸石綜合利用的影響很大。其多孔性決定了煤矸石的吸水特性，吸水率約為2.0-6.0%，塑性指數(shù)約為3.0-15。自燃煤矸石的吸水率約為3.0-11.6%，塑性指數(shù)約為1.03-0.8。

3.2 化學(xué)特性

煤矸石的主要化學(xué)組成為Al2O3、SiO2和C，其次是CaO、Fe2O3、MgO等。礦物成分主要以高嶺土、水云母、鋁土礦、炭質(zhì)等[3]。煤矸石的成分受地區(qū)影響，我國不同地區(qū)煤矸石成分差別較大，在此不加贅述。

3.3 煤矸石的危害

煤矸石是伴隨著煤炭開采產(chǎn)生的固體廢物，除了部分充填和綜合利用外，大部分煤矸石長期堆存形成矸石山，占用土地資源。煤矸石對自然環(huán)境的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 煤矸石在堆放和運輸?shù)冗^程中會形成粒徑細小的粉塵，在風(fēng)力作用下會懸浮在大氣中，對人體健康造成危害。另一方面，煤矸石在由于其本身特性容易自燃，釋放多種有害氣體，同時產(chǎn)生大量具有爆炸性的煙塵，因此在自燃時會給周圍大氣環(huán)境和動植物生長造成不同程度的影響。 2. 煤矸石在堆存過程中，其中的有害元素在降雨的作用下會溶解并進入到水體或土壤環(huán)境中，對土壤中養(yǎng)分造成一定的損害，嚴(yán)重時會導(dǎo)致矸石山周圍土地酸化，影響人體健康和植被生長。

4. 煤矸石的應(yīng)用

我國早在上世紀(jì)中期就開始利用煤矸石，對其的綜合利用從70年代中后期在逐漸開始。煤矸石的綜合利用受如鋁硅比值、碳硫含量等因素的影響，主要作為生產(chǎn)氧化鋁、燃料、作為化工原料、陶瓷原料、制備建筑材料和道路工程填充等方面。

圖2 知網(wǎng)中關(guān)于煤矸石綜合利用的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

4.1 生產(chǎn)Al2O3

煤矸石中SiO2和Al2O3等多種有用物質(zhì)含量較高，如將其作為鋁土礦加以提取利用，不僅可以減少煤矸石對生態(tài)環(huán)境的負面影響，還可以緩解我國鋁土礦資源短缺的情況。目前從煤矸石中提取氧化鋁的方法與粉煤灰大同小異，本質(zhì)是將Al2O3從煤矸石中浸出，主要有酸浸法[3]、堿浸法[4]等幾種。目前堿法在實際生產(chǎn)過程中得到了大規(guī)模應(yīng)用。 酸浸法是利用酸性溶液將其中的可溶性組分轉(zhuǎn)化為鹽類浸出到溶液中，通過添加試劑進行雜質(zhì)金屬鹽類的除雜，最后進行鋁鹽的轉(zhuǎn)化等過程形成Al2O3。發(fā)生的主要反應(yīng)如 (1)~(4)所示。為提高其浸出效果，需要預(yù)活化以提高煤矸石的反應(yīng)活性。在該過程中采用的提取劑多為強酸，對工業(yè)操作設(shè)備和管道材質(zhì)要求較高，同時會有多種雜質(zhì)伴隨浸出，難以滿足冶金級別的Al2O3要求，限制了其在Al2O3回收方面的工業(yè)化應(yīng)用。

Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2O (1)

Al2(SO4)3 + NH3·H2O → Al(OH)3 + (NH4) 2SO4 (2)

Al(OH)3 → γ-Al2O3 + 3H2O (3)

γ-Al2O3 → α-Al2O3 (4)

堿浸法主要為拜耳法，基本原理是將破碎后的煤矸石用NaOH溶液進行提取，得到鋁酸鈉的浸出液和含硅固相赤泥，將其進行過濾和添加NaOH進行晶種分解后可得Al(OH)3產(chǎn)品，經(jīng)煅燒后可制得Al2O3產(chǎn)品，主要反應(yīng)如(5)所示：

Al2O3·H2O + NaOHNaAl(OH)4 (5)

4.2 生產(chǎn)建筑材料

利用煤矸石制備建筑材料，主要包括制磚、水泥原料、陶瓷材料等。 制磚。煤矸石制磚通常利用煤矸石自身的熱值提供所需的干燥和烘焙的能量。我國煤矸石的熱值在3300~6300 kJ/kg[5]，當(dāng)熱值偏低時可添加部分煤炭進行生產(chǎn)，因此利用煤矸石制磚可顯著降低能源消耗。目前我國煤矸石制磚的工藝相對較為成熟，已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了實心矸石磚、多孔承重矸石磚和空心矸石磚等。 生產(chǎn)水泥。煤矸石的主要成分為SiO2和Al2O3，與黏土的化學(xué)組成相似，可代替部分黏土來生產(chǎn)水泥。將破碎后的煤矸石與石灰按照一定的比例混合，煅燒后得到硅酸鈣為主的熟料，再將其與石膏等材料磨細即可得到抗壓強度高的水泥。 混凝土骨料。煤矸石用于骨料通常需要經(jīng)過一定的熱處理以出去煤矸石中的碳和有機質(zhì)，以減少煤矸石骨料中的薄弱組分，同時使得其中礦物發(fā)生鑲邊，生成活性物質(zhì)提高其骨料的表層活性。王愛國等人[2]研究了我國利用煤矸石制備混凝土骨料的現(xiàn)狀，談久了改善煤矸石骨料混凝土性能的技術(shù)手段，并分析目前存在的問題。

4.3 回填和路基材料

回填。由于煤矸石為煤礦建井、開拓掘進、采煤和煤炭洗選過程中產(chǎn)生的，如其中污染物含量較低，可用于充填溝谷、采煤沉陷區(qū)和低洼區(qū)建筑工程用地[6]。 路基材料。煤矸石作為筑路基料用于公共廣場表面裝飾、鋪路或停車場等地面，可降低路基、地基或壩基等建設(shè)的成本，減少所占土地面積。 回填和路基材料可實現(xiàn)煤矸石的大宗消納，但是這些利用方式未能充分體現(xiàn)煤矸石的資源價值，其中的有價金屬或其他元素未得到有效利用。

4.4 其他應(yīng)用

煤矸石還可以制備型砂、陶粒、陶瓷等建材，保溫材料、耐火材料和膠凝材料等多功能材料等，在此不加詳細敘述。

5. 煤矸石利用的不足

雖然煤矸石的綜合利用取得了長足發(fā)展，但是還存在以下一些問題。1. 總體利用水平不高。2. 煤矸石綜合利用技術(shù)基礎(chǔ)研究尚待加強3. 煤矸石綜合利用工藝的研究不夠深入 根據(jù)“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見”，在后續(xù)工作中需加強煤矸石的綜合利用能力，擴大其利用規(guī)模，有序降低其存量。并在關(guān)鍵瓶頸技術(shù)取得突破，建立其綜合利用創(chuàng)新體系。不斷推進煤矸石在工程建設(shè)、塌陷區(qū)治理、礦井充填等領(lǐng)域的應(yīng)用，有序引導(dǎo)利用煤矸石生產(chǎn)新型墻體材料、裝飾裝修材料等，并在風(fēng)險可控的前提下深入推動其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和有價組分提取，加強大產(chǎn)量和高附加值產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣。