煤矸石綜合利用的技術研究

姜珊珊，王佳琪，劉美榮

（中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116）

煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的固體廢棄物，每年的排放量相當于當年10%左右的煤炭產量，到目前為止，已累計堆存煤矸石30多億t，占地面積約1.2萬hm2，是我國目前排放量最大的工業固體廢棄物之一。長期堆存煤矸石占用了大量土地，有極大的可能造成自燃，進而污染大氣和地下水。

煤矸石是一種可再利用的資源，是綜合利用煤炭資源的重要組成部分。但我國綜合利用煤矸石的整體技術裝備水平還比較落后、技術含量不高、發展綜合利用方面各地也很不平衡，大力開展煤矸石的綜合利用可以減少土地浪費和對環境的污染，同時對于增加企業的經濟效益和改善煤礦的生產結構也有很積極的影響。因此，本文從幾個方面對煤矸石的綜合利用進行了探討。

1 我國煤矸石污染現狀

由于高速發展的開采機械化和逐漸惡化的煤層開采條件，我國的煤礦每年至少排放1.5億t煤矸石，其利用率大概為38.5%，累計積存量已達10億t以上。其中，露天剝離以及井筒和巷道掘進過程中開鑿排出的矸石大約占45%，煤層中含有或削下部分煤層底板產生的矸石約占35%，煤炭洗選過程中排出的矸石約為20%，含有一定碳（20%以下）和硫，SiO2和Al2O3含量也很高。

各地煤礦矸石的大量堆存侵占了大片耕地、林地、居民生活用地和工礦用地，破壞了周圍的地質地貌景觀。矸石堆單體過大，形成矸石山，已引發了多起渣石流、自燃和坍塌事故。浸溶試驗結果表明，矸石淋濾液中 SO42-、F-、Mo、Se、總硬度、pH 等成分或指標偏高，甚至超過《地面水環境質量標準》（GB3838—88）中的Ⅲ類水標準，局部地區已對水環境構成了嚴重污染。

2 煤矸石綜合利用方法

煤矸石綜合利用原則有以下幾點：以大量利用為重點，以煤矸石發電、復墾回填塌陷區、建材制品和煤矸石無害化處理等利用技術作為主攻方向，發展高附加值、高技術含量的煤矸石綜合利用技術和產品。對煤矸石資源化利用的評價工作要進一步加強，對煤矸石的類型、分布、積存量和特性等方面進行系統的研究和深入的分析，逐步建立起關于煤矸石各方面資料的數據庫，為煤矸石的合理有效利用提供真實可靠的基礎資料。要根據各類煤矸石不同的礦物特性和理化性質確定合理有效的綜合利用途徑。

2.1 煤矸石用做燃料發電

煤矸石含有一定數量的固定炭和揮發成分，一般燒失量在10%～30%，發熱量可達4.19～12.6 MJ·kg-1，所以煤矸石可以用來代替燃料。目前，采用煤矸石作燃料的工業生產主要有以下幾個方面：①化鐵；②燒鍋爐；③燒石灰；④回收煤炭；⑤利用煤石造氣－煤氣。

煤矸石發電應向大型循環流化床燃燒技術方向發展，逐步改造現有的煤矸石電廠，提高燃燒效率和綜合利用率，實現污染物達標排放。利用煤矸石、煤矸石與煤泥、煤矸石與焦爐煤氣、礦井瓦斯等低熱值燃料進行單獨或混合發電，推廣爐內石灰脫硫和靜電除塵技術。對燃用高硫煤矸石的電廠，必須采取脫硫措施實現二氧化硫、煤塵等污染物的達標排放，對灰渣要進行綜合利用，不應造成二次污染。

2.2 煤矸石生產建筑材料及制品

在用于生產建材及制品方面，以發展高摻量煤矸石燒結制品為主，積極發展煤矸石承重、非承重燒結空心磚、輕骨料等新型建材，逐步替代黏土；鼓勵煤矸石建材及制品向多功能、多品種、高檔次方向發展。生產前，應對所用煤矸石的化學成分、礦物成分、發熱量、物理性能等指標進行綜合評價，并做小試；如原料成分復雜、波動較大時，應進行半工業性試驗。

2.2.1 煤矸石制燒結磚

用煤矸石替代部分或全部黏土用適當工藝燒制而成。質量較好，顏色均勻，抗凍、耐火、耐酸、耐堿性較好。煤矸石磚生產以燒結磚為主，重點推廣全煤矸石承重多孔磚和非承重空心磚；利用磚窯余熱干燥磚坯，推廣有余熱利用系統的節能型輪窯和隧道窯；積極發展硬塑、半硬塑成型和隧道窯干燥與焙燒連續作業的全內燃一次碼燒工藝，提高機械化和半自動化水平，完善開發高質量的外承重裝飾磚和廣場、道路磚。

2.2.2 煤矸石生產微孔吸音磚

將破碎后的煤矸石、曬干的鋸木、白云石和半水石膏混合送入硫酸溶液中混合攪拌,白云石（碳酸鹽礦物）與硫酸反應發泡,使混合料膨脹，然后澆注入模，經干燥、焙燒而制成。產品具有質量輕、吸音效果好的優點。根據煤矸石的礦物組成，還可作為硅質原料或鋁質原料，應用于許多燒結陶(瓷)類建材產品的生產，并充分利用其所含的發熱量。在建筑陶瓷、建筑衛生陶瓷等陶瓷制品生產中，采用以煤矸石為部分原料替代材料的生產技術。

2.2.3 煤矸石制水泥

以煤矸石為原料，利用其二氧化硅、三氧化二鋁含量高的特點來部分或全部代替黏土配料，使用過火矸等作水泥混合材技術，燒制各種硅酸鹽水泥熟料：①生產普通硅酸鹽水泥——礦物組成與黏土類似；②生產少熟料水泥－67%自然煤矸石＋30%水泥熟料＋3%石膏，不煅燒；③生產無熟料水泥－60%~80%煤矸石+15%~25%生石灰+3%~8%石膏，不煅燒用于做水泥混合材的煤矸石應符合有關水泥混合材的標準，水泥應符合有關水泥產品的國家標準。

2.3 煤矸石回填礦井采空區技術

煤矸石充填礦井，采用煤矸石不出井的采煤生產工藝，充填采空區，減少矸石排放量和地表下沉量。在道路等工程建設中，以煤矸石代替黏土作基材技術，凡有條件利用的，必須摻用一定量的煤矸石，完善利用煤矸石棄填廢棄礦井技術。

2.4 煤矸石改良土壤

煤矸石含有一定的有機質以及多種植物所需的Zn、Cu、Mn等微量元素。某些煤矸石中N、P、K和微量元素的含量是普通土壤的數倍，經過加工可生產有機肥和微生物肥料。

煤矸石有機肥一般用化學活化法制成，將有機質含量較高的煤矸石破碎成粉末后與過磷酸鈣按一定比例混合，然后加入適量的活化劑，充分攪拌，再加入適量水，堆漚活化制成。煤矸石有機肥料可增加土壤的疏松性、透氣性，改善土壤的結構，提高土壤肥力，從而達到增產增收的目的。

2.5 煤矸石生產化工產品

一些煤矸石還可用來生產化學肥料及多種化工產品，如結晶三氧化鋁、固體聚合鋁、水玻璃以及化學肥料氨水和硫酸銨等。以下幾種可大規模用于工業化生產：①結晶氯化鋁——利用氧化鋁；②生產固體聚合鋁——利用氧化鋁；③用煤矸石制氨水——利用有機氮；④生產硫酸銨——利用硫化鐵。

3 結論

在對煤矸石進行綜合利用時，要充分考慮各類煤矸石的特點，以便選擇利用價值大、對環境造成的二次污染盡可能小的技術。煤矸石的綜合利用以鞏固、推廣為主，完善、開發并舉。鞏固現有的技術成果，推廣工藝成熟、經濟合理、有市場前景的技術，研究開發新工藝。積極引進國外先進技術和裝備，在消化吸收的基礎上繼續創新，不斷提高我國煤矸石綜合利用的技術和裝備水平，促進煤矸石的擴大利用，在減少環境污染的同時，為經濟發展作出一定的貢獻。

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