煤矸石處理措施及利用途徑分析

馬本秀

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001)

1 煤矸石及其治理概述

煤炭采、選過程中會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物即煤矸石。煤礦建設(shè)期巷道掘進(jìn)時(shí)會(huì)有掘進(jìn)矸石產(chǎn)生，在煤炭開采過程以及洗煤過程中也會(huì)有固體廢物煤矸石產(chǎn)生。從清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看，煤矸石是“放錯(cuò)地方的資源”，應(yīng)以“減量化、資源化、無害化”為基本原則，堅(jiān)持“因地制宜，積極利用”。煤矸石具有污染和資源化利用的兩重性，全國(guó)煤矸石的產(chǎn)率約為5%～10%，加上選煤廠入洗原煤的矸石產(chǎn)率約為18%～20%，全國(guó)每年排放的矸石約3億t。

根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家環(huán)保總局關(guān)于印發(fā)煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見的通知》的規(guī)定，對(duì)煤矸石的綜合利用率有一定的要求，一般應(yīng)不小于70%。不同地區(qū)結(jié)合本地區(qū)的各項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃有不同的要求。以山西省各大礦區(qū)為例，礦區(qū)會(huì)根據(jù)自身的發(fā)展，結(jié)合煤炭采選及其總的利用方向，采取不同的煤矸石利用技術(shù)。對(duì)于煤矸石熱值較高，符合煤矸石發(fā)電，且礦區(qū)其他條件包括水資源條件，交通條件也符合建設(shè)煤矸石電廠的地區(qū)，一般優(yōu)先考慮煤矸石發(fā)電。對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的地區(qū)，公路建設(shè)較快，城市建設(shè)對(duì)建材產(chǎn)品需求較大，煤矸石利用一般考慮鋪設(shè)路基及做建材產(chǎn)品。對(duì)于一些地形多為溝谷地區(qū)，且礦區(qū)規(guī)劃中也無明確提出煤矸石的利用方向，這時(shí)可以考慮煤矸石的填埋處置。總之，無論是煤矸石發(fā)電、煤矸石生產(chǎn)建筑材料及制品，還是用煤矸石鋪設(shè)道路、煤矸石回填廢棄巷道、煤矸石填埋處置，都要符合礦區(qū)總體規(guī)劃要求，因地制宜，采取積極有效的處理措施，最終變廢為寶，使煤矸石無污染化、資源化。

2 煤矸石的組成及成分分析

各地煤矸石的工業(yè)及化學(xué)成分差別較大。無論是利用煤矸石進(jìn)行發(fā)電，還是利用煤矸石做建材產(chǎn)品，對(duì)煤矸石的類型、特性是有一定要求的。只有首先對(duì)煤矸石的工業(yè)及化學(xué)成分進(jìn)行分析后，才能合理確定其利用方向。山西省煤炭資源豐富，在不斷滿足全國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)對(duì)煤炭需求的同時(shí)，煤矸石的排放量急劇增多，因此，積極拓展煤矸石利用途徑，在煤炭開發(fā)的同時(shí)，解決好煤矸石的利用問題。通過對(duì)山西各大礦區(qū)已建煤礦煤矸石工業(yè)成分及化學(xué)成分的不完全統(tǒng)計(jì)，得出煤矸石的工業(yè)及化學(xué)分析結(jié)果見表1，表2。

表1 煤矸石工業(yè)分析結(jié)果

表2 煤矸石化學(xué)成分分析結(jié)果

3 山西煤矸石處置措施合理利用

煤矸石的綜合利用主要是對(duì)煤炭資源開采及加工轉(zhuǎn)化過程中的煤矸石進(jìn)行綜合開發(fā)與合理利用。山西各地區(qū)根據(jù)本地區(qū)煤矸石的物理、化學(xué)特性，已經(jīng)開展了多種利用途徑。

3.1 煤矸石發(fā)電

煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用中社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一的最有效途徑。煤矸石的品質(zhì)和足夠的資源量是建設(shè)煤矸石項(xiàng)目的前提條件。煤矸石灰分在55%～60%，熱值在7.5 MJ/kg～9.8 MJ/kg，可以用來發(fā)電。煤矸石發(fā)電不僅可以消耗矸石堆存，控制污染，而且每度電耗標(biāo)準(zhǔn)煤可降低0.5 kg。用煤矸石、劣質(zhì)煤為主的流化床燃燒發(fā)電供熱，發(fā)展迅速。

根據(jù)當(dāng)?shù)孛喉肥l(fā)熱值和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，通常采用流化床鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐等較為先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行燃燒。使用煤矸石和劣質(zhì)煤進(jìn)行發(fā)電，自發(fā)自用，降低了開發(fā)煤炭的成本，節(jié)約了能源和創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)山西各大煤礦矸石成分分析的結(jié)果可見，煤矸石熱值范圍較大，因此，需要根據(jù)所處礦區(qū)本身煤矸石物理、化學(xué)特性，對(duì)符合煤矸石發(fā)電要求的礦區(qū)，積極開展煤矸石發(fā)電，結(jié)合礦區(qū)規(guī)劃，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)氐捻肥娬局须姛崧?lián)供。

3.2 煤矸石制造建材制品

3.2.1 煤矸石制磚

煤矸石制磚使用煤矸石發(fā)熱值一般在2 090 kJ/kg～4 180 kJ/kg范圍。空心磚等新型建筑材料應(yīng)積極推廣使用。燒結(jié)磚對(duì)煤矸石化學(xué)成分的要求為:SiO2含量為55%～70%，Al2O3含量為15%～25%，F(xiàn)e2O3含量為2%～8%，CaO含量不大于2%，MgO含量不大于3%，SO2含量不大于1%，可塑性指數(shù)7～15，熱值為2 090 kJ/kg～4 180 kJ/kg。

煤矸石制磚工藝流程為:原料→加工破碎粒度小于1 mm→陳化→成型→一次碼坯→烘干→燒成→成品。

煤矸石生產(chǎn)磚是目前煤矸石利用較為廣泛的一種，矸石磚強(qiáng)度普遍高于粘土磚。山西省各地區(qū)已建成多家煤矸石磚廠。

3.2.2 煤矸石制水泥

由于煤矸石和粘土的化學(xué)成分相近并且含一定量的炭和熱量，可替代粘土作為生產(chǎn)水泥的原材料或作為混合材料直接摻入熟料中增加水泥的產(chǎn)量。煤矸石和粘土生產(chǎn)水泥工藝基本相同，是將矸石、石灰石、鐵粉(或鋁粉)磨細(xì)按一定的比例配制成生料，在回轉(zhuǎn)窯中煅燒生成水泥熟料。利用煤矸石生產(chǎn)水泥，每噸矸石水泥可節(jié)煤50 g，摻混60%煤矸石火山灰，水泥抗壓強(qiáng)度可達(dá)300 kg/cm2。水泥熟料中摻入一定量的矸石改善水泥性能，生產(chǎn)無熟料和少熟料水泥，工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)要求低，經(jīng)濟(jì)效益高，既減輕了煤矸石對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，又節(jié)約了大量的粘土資源，消耗了大量的廢棄物。

3.2.3 煤矸石制陶瓷制品

山西各地建有多家陶瓷廠，利用煤矸石作為鋁質(zhì)或硅質(zhì)原料，并利用其自身發(fā)熱量，制作陶瓷制品是煤矸石的又一有效利用途徑。陶瓷制品是以石英、高嶺石、長(zhǎng)石三種原料為主。煤矸石的主要組成部分SiO2，Al2O3，K2O+N2O的含量和傳統(tǒng)的陶瓷制品的含量差不多，達(dá)到了日用瓷原料的組成范圍。

煤矸石陶粒制品石具有一系列優(yōu)良的性能，由于質(zhì)輕、保溫、隔熱、強(qiáng)度高而廣泛用于高層、超高層建筑及大跨度建筑工程。不僅可以減輕建筑物自重的30%～40%，而且具有良好的抗震性能。主要工藝流程為:煤矸石及配料→破碎→磨碎→烘干→配料→成型→焙燒→陶粒。

3.2.4 煤矸石制其他材料

煤矸石可用于制造墻體保溫材料、煤矸石制小型空心砌塊，以及進(jìn)行回收利用微量元素等。

用煤矸石制作的墻體保溫材料，輕質(zhì)骨料具有容重輕，強(qiáng)度高，吸水率小等特點(diǎn)，可代替砂石配制輕混凝土，用作墻體保溫、吸濕效果好。

煤矸石制作的加氣混凝土，其成分要求為SiO2≥50%，Al2O3≥20%，F(xiàn)e2O3≤15%，SO3≤2%，燒失率小于10%。

煤矸石空心砌塊是經(jīng)配料、攪拌、成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的新型墻體材料。以煤矸石、生石灰和石膏為原料的混合磨細(xì)物為膠結(jié)料。

3.3 煤矸石填埋處置

由于山西部分礦區(qū)為典型的黃土高原地貌，地貌類型以侵蝕剝離丘陵和中起伏中山、黃土梁及樹枝狀“V”形溝谷為主。同時(shí)根據(jù)該地區(qū)規(guī)劃及當(dāng)?shù)刂苓厳l件，無法利用煤矸石進(jìn)行發(fā)電及制造建材制品，可考慮進(jìn)行煤矸石填埋處置。

矸石處置場(chǎng)的選址和處置措施滿足《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類場(chǎng)要求。

矸石堆放按照修建工程措施，矸石分層，外邊坡覆土、綠化，堆放覆土及復(fù)墾步驟進(jìn)行。同時(shí)依據(jù)所選矸石溝的地形，修建漿砌石攔矸壩，設(shè)截排水溝，設(shè)集水池。矸石分層堆放可以依地形從溝頭向溝外逐步堆置，分層碾壓，并及時(shí)植樹、種草綠化。綠化樹種選擇適合當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的樹種，栽種季節(jié)宜選擇在春季。當(dāng)矸石堆放達(dá)到山頂時(shí)，及時(shí)進(jìn)行覆土，覆土厚度達(dá)到農(nóng)業(yè)復(fù)墾要求(0.8 m～1.0 m)。為了改良土壤增加肥力，可種固氮類農(nóng)作物，如豆類、薯類等1年～2年，同時(shí)，內(nèi)側(cè)按第二步要求進(jìn)行矸石分層堆放。

矸石排至溝內(nèi)后逐層壓實(shí)，使矸石間空氣的存貯和流動(dòng)空隙壓縮至最小，再經(jīng)過黃土層的隔絕，造成矸石自燃所需氧氣的缺乏，使矸石中的硫鐵礦始終處于缺氧狀態(tài)。這樣處理后，矸石不會(huì)自燃。

4 結(jié)語

綜合利用煤矸石要從本地區(qū)煤矸石的特性出發(fā)，提高有效成分利用率，根據(jù)矸石的性質(zhì)，發(fā)熱量等參數(shù)，合理利用。同時(shí)也要結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w地形地貌、土地利用現(xiàn)狀，以及項(xiàng)目所處的地理位置，充分考慮項(xiàng)目的制約及優(yōu)勢(shì)條件，包括環(huán)境容量情況，水資源條件，結(jié)合產(chǎn)業(yè)政策及礦區(qū)的資源利用規(guī)劃，確定煤矸石利用方向。這樣不僅可以減輕礦區(qū)的大氣污染和地下水的污染，而且可以減少對(duì)土地的占用，又能回收有價(jià)值資源。

［1］ 周翠紅，常 紅.煤矸石綜合利用技術(shù)綜述［J］.選煤技術(shù)，2007(2):61-64.