煤矸石的開發利用

柳長宇

（呂梁學院離石師范分校，山西 呂梁 033000）

煤矸石是煤炭生產和加工過程中產生的含碳巖石的統稱，是煤礦在建井、掘進采煤、洗煤過程中排放的工業廢渣。它是遠古時期，在煤的形成過程中伴生的一種含碳量低、質地堅硬的黑灰色巖石。煤矸石可分為掘進矸和洗矸兩大類，其化學成分主要有SiO2、AlO3、Fe2O3以及一些其他氧化物和微量重金屬元素，其主要的礦物組成是高嶺石、石英、鉀云母、長石等。目前，我國每年煤矸石的排放量約占煤炭開采總量的10%~25%，而煤矸石堆放總量約為45億噸，并且還在以每年1.5億~2.0億噸的速度增長，對當地居民生活、生產環境造成了極大危害。

一、煤矸石的危害

煤矸石是我國最多的固體廢棄物，約占中國工業固體廢物排放總量的40%以上，對我國的環境造成多方面的影響。首先，土地資源污染。煤矸石的大量堆放，不僅侵占了大面積的土地，而且經過長期的風吹、日曬、雨淋，煤矸石會部分分化，其中一些金屬會形成可溶性鹽滲入土壤。與此同時，煤矸石中的硫化物遇水發生化學反應,使土壤逐漸酸化,破壞土壤肥力，導致土壤中毒而失去活性，不再適合綠色植物生長。其次，水資源污染。煤矸石的淋溶水含有大量有毒的 Pb、Sn、Hg、As、Cr等重金屬鹽，經地表徑流轉入江、河、湖或通過土壤進入地下水，造成水體污染，影響人類及動植物健康。最后，空氣污染。煤矸石對大氣的污染可分為兩部分：一是粉塵，煤矸石在運輸堆放過程中會形成細小的固體懸浮物；二是有毒有害氣體，煤矸石在堆放過程中，由于內部溫度升高而發生自燃現象，釋放出 SO2、CO2、H2S、CO等有害氣體，在大氣中經過復雜的化學反應，形成硫酸或硝酸氣溶膠，或為云、雨、雪、霧捕捉吸收，降到地面成為酸雨。

二、煤矸石的利用途徑

煤矸石是一種混合物，其中包含有大量的Fe、Al、C、Si等礦物質。如果針對其元素組成和性質分別進行提煉，不僅可以解決煤矸石帶來的環境問題，還可以變廢為寶，解決目前資源不足的危機，達到充分利用資源的目的。

1.能源利用

首先，煤矸石中混有部分煤炭資源，通過洗選工藝，從中選出較好的煤和劣質煤，針對不同性質綜合利用。其次，利用煤矸石發電也是其綜合利用的主要途徑。對于熱值高于6270KJ/Kg的煤矸石直接用作循環流化床燃料發電，而對于熱值較低的煤矸石摻入一定量的中煤后，也可用于發電取暖。現在國際上已有許多將電廠和選煤廠建在一起的先例，不僅節省了能源成本，而且提高了資源利用率。最后，煤矸石還可以制取煤氣、水煤氣和高溫干餾煤氣，作為燃料供企業使用。

2.硅酸鹽建筑材料

煤矸石中含有大量的硅酸鹽化合物，與黏土在化學組成和性質上非常相似，因此，可代替黏土生產水泥、空心磚、輕骨料等建筑材料。

第一，生產水泥。將燃燒后的煤矸石，按一定比例混入石灰、石膏，研磨粉碎，經過不同的工藝可生產普通水泥、火山灰質水泥與特種水泥等。

第二，生產輕骨料。輕骨料是一種密度小的建筑材料，用于高層樓房的建設可使建筑物自身重量減輕20%。煤矸石制輕骨料是先將矸石加水研磨成球，用燒結機或回轉窯焙燒，使矸石膨脹、冷卻而成。

第三，煤矸石燒結磚。煤矸石燒結磚是以煤矸石為結合劑的燒結磚工藝所生產的建筑材料。煤矸石中含有和黏土性質相似的材料，可以用作燒制空心磚的原料。在燒制過程中，又可利用其可燃性，節約煤的用量，降低成本。

3.提煉化工產品

利用煤矸石中含有Al、Fe、Si等礦物質，通過不同的方法，可以提煉回收各種化工產品原料。

第一，回收黃鐵礦。洗選煤矸石的工藝中，在平面搖床流程中回收黃鐵礦，用于煉鐵煉鋼原料。

第二，制備鋁鹽。煤矸石中鋁的含量約為20%左右，可用作制取鋁鹽的原料。例如，用鹽酸浸取制得結晶氯化鋁，采用直流礦熱爐冶煉硅鋁鐵合金，還可以生產明礬、氫氧化鋁等鋁鹽產品。

第三，制備復合材料。利用煤矸石中的SiO2、Al2O3和C，可以制備出一種具有吸附作用的復合材料。該材料具有孔狀結構特征，同時還具備沸石的親水特性和活性炭的親油特性，可用于吸附、除臭、分離氣體，凈化污水等工業。

除此之外，煤矸石還可以制水玻璃，生產硫酸及其鹽、炭黑、超細料、多相材料、多孔陶瓷、吸聲泡沫玻璃、橡膠增強填充劑等產品。

4.用作填充材料

煤矸石可用于采空區回填，采用矸石不出井的工藝方法，減少煤矸石排放量，防止地面下沉。煤矸石還可以用作路基材料，利用其物理、化學特性，和其他材料混合后，可用于路基建設。在采煤地區,應充分利用煤矸石筑路,既可減少筑路取土用地對土地資源的破壞,降低工程造價,又可復墾部分煤矸石占地,同時也減少了環境污染,經濟和社會綜合效益顯著。

5.農業作用

在煤矸石中含有較多N、P，以及B、Zn等多種微量元素，這些物質都是植物生長所必需的。利用煤矸石和磷礦粉為原料基質，外加添加劑等可生產有機肥、微生物肥等等。另外，利用煤矸石可以改良鹽堿地，通過煤矸石中的各種酸性物質可以調節土壤酸堿度，增加土壤疏松度和透氣性，提高土壤含水率，促進土壤中各類細菌新陳代謝，豐富土壤腐殖質，使土地得到肥化，達到改良土壤、促進植物生長的目的。

6.制備相變材料

相變材料是利用某些物質在相轉變過程中的吸熱和放熱現象，實現熱能儲存和溫度調控的一類材料。被被廣泛應用于太陽能供暖、建筑領域、紡織服裝、工業加熱系統等方面。將煤矸石溶于H2SO4、HCl等強酸和氫氧化鈉試劑,改變反應體系的溫度、酸堿的濃度、原料的配比,通過熱解、堿熔、溶解、沉淀和萃取等主要步驟,制備儲能相變材料。

隨著我國工農業的快速發展，能源危機、環境污染等矛盾日益突出。煤作為我國的主要能源，在各個領域發揮著不可估量的作用，但其生產加工過程中所帶來的環境污染問題也不容忽視，其中，煤矸石的綜合利用就是迫在眉睫的問題之一。因此，應通過多種途徑大力開發煤矸石，并不斷提高其利用水平，使煤矸石在化工、建材、冶金等工業領域發揮它應有的作用。

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