我國(guó)煤矸石的綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀

曹金鐘　田曉賀　李玉麟

(1.國(guó)投大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院)

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我國(guó)煤矸石的綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀

曹金鐘1田曉賀2李玉麟2

(1.國(guó)投大同能源有限責(zé)任公司塔山煤礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院)

摘要煤矸石是我國(guó)的煤炭工業(yè)的固體廢棄物，占據(jù)了煤系固廢物的很大一部分，是在成煤過程中和煤炭伴生含熱量較低的黑色巖石。然而大量產(chǎn)出的低熱量的煤矸石不僅占據(jù)著地面土地，而且還會(huì)造成環(huán)境污染，大氣污染，特定情況下會(huì)引起矸石山自燃。因此，煤矸石的處理和綜合利用對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)的生存和發(fā)展都具有十分重要的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞煤矸石煤系固廢物綜合利用環(huán)境保護(hù)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭產(chǎn)量達(dá)到了38.7億t，每年有約13億t的煤矸石產(chǎn)生。煤炭工業(yè)的矸石不僅占用土地，而且釋放有毒有害氣體，污染農(nóng)田、水源、地下河流。但是，煤矸石作為低熱量能源和建材、工業(yè)原料開發(fā)利用，具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重意義。

1　煤矸石的來源和組成

1.1煤矸石的來源

煤矸石的主要來源大致可以分為以下3種情況[1]：①井筒開掘、巷道掘進(jìn)和露天剝離產(chǎn)生的矸石;②煤巷掘進(jìn)和采煤過程中煤層中的夾矸或底板上的巖石;③在洗煤過程中產(chǎn)出的矸石。生產(chǎn)情況如表1所示。

表1　煤矸石的來源和生產(chǎn)情況 %

煤矸石的組成成分是評(píng)價(jià)矸石的特性以及決定其用途，指導(dǎo)生產(chǎn)的重要指標(biāo)。通常所指的成分是在矸石煅燒后的化學(xué)組成成分[1]，一般為無機(jī)化合物，如表2所示。

表2　煤矸石的組成和矸石類型

2　我國(guó)煤矸石井上利用途徑

將煤系固體廢棄物作為原材料的資源開發(fā)利用,是20世紀(jì)70年代以來發(fā)展迅速、最有效的處理和利用方法，也可以視作為一種最終處置。由于冶煉渣、粉煤灰、爐渣和煤矸石等的化學(xué)成分及其他技術(shù)性質(zhì)類似于多種天然資源，故可在建筑材料、冶金原料、農(nóng)用和回收能源方面找到廣闊的利用途徑，對(duì)煤礦的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。利用的基本原則為：最小化、資源化、無害化。

2.1回收有用礦物

在煤礦巷道開掘或者采煤過程中，會(huì)有一定量的煤炭混合在矸石當(dāng)中，有些富含高鋁矸石，有些是石灰?guī)r矸石，黃鐵礦也經(jīng)常出現(xiàn)在洗矸當(dāng)中，這些矸石可以通過一定的辦法加工處理后作為工業(yè)生產(chǎn)的寶貴資源，但要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析[1]。

(1)回收能源和煤矸石發(fā)電。從含有可燃煤矸石、粉煤灰和爐渣中回收有用的能源，也是處理和利用固體廢物的一種方法。煤矸石的熱值為800～8 000 kJ/kg，在粉煤灰和爐渣中也常含有10%以上的未燃盡炭，可直接回收炭或者用以和黏土混合燒制磚瓦，即可節(jié)省黏土又能節(jié)省能源。某些有機(jī)廢物可通過一定的配料制取沼氣回收能源[2]。

按照我國(guó)實(shí)行的《煤矸石綜合利用管理辦法》，含煤矸石的燃料發(fā)熱量小于12.5 MJ/kg時(shí)作為煤矸石利用，大于7.5 MJ/kg的煤矸石直接做循環(huán)流化床燃料。如果矸石的發(fā)熱量小于7.5 MJ/kg，可以在其中摻加煤泥用于煤矸石發(fā)電廠[3]，其灰渣可以用于制作建筑材料，在煤矸石的燃燒發(fā)電過程中，要注意煤矸石的固硫脫硫，以免引起大氣污染[4]。

(2)回收黃鐵礦。化學(xué)工業(yè)和化肥工業(yè)都會(huì)用到黃鐵礦石，黃鐵礦石是重要的原料。在我國(guó)現(xiàn)已探明大部分的煤礦中，煤系黃鐵礦約16.4億t[1]，占全國(guó)黃鐵礦保有儲(chǔ)量的一半以上。通過洗選矸石后，富含的煤矸石黃鐵礦大多在洗矸中以塊狀、脈狀、結(jié)核狀的形態(tài)出現(xiàn)。回收的工藝流程原則上是從粗到細(xì)，破解后回收，常采用跳汰—搖床聯(lián)合工藝回收。

2.2提取化工產(chǎn)品

我國(guó)大部分煤礦地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜，很多礦床為復(fù)合型伴生礦[4]。矸石中常含有大量的有益礦物，如氧化硅、氧化鋁等，可用煤矸石制備鋁鹽，其主要產(chǎn)品為聚合氯化鋁，硫酸鋁，氫氧化鋁，氧化鋁。產(chǎn)品作無機(jī)凝聚劑、飲用水凈化劑、工業(yè)廢水處理等。工藝過程先破碎，焙燒、磨粉后進(jìn)行酸浸反應(yīng)，生成產(chǎn)物氧化鋁、硫酸鋁，再過濾分離，濃縮結(jié)晶后得到產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在對(duì)水的處理上有廣泛的市場(chǎng)前景[5]。

2009年以來，煙草行業(yè)逐步在全系統(tǒng)推廣福建省煙草公司審計(jì)委派制的經(jīng)驗(yàn)和做法，在全系統(tǒng)實(shí)行內(nèi)部審計(jì)委派制，即由省級(jí)公司向地市級(jí)公司派駐審計(jì)人員，建立“雙重領(lǐng)導(dǎo)，垂直管理、監(jiān)督駐地、參審異地”的內(nèi)部審計(jì)運(yùn)行體系。委派制實(shí)施以來，內(nèi)部審計(jì)工作成效顯著，審計(jì)監(jiān)督的整體性和宏觀性作用得到有效發(fā)揮，為全系統(tǒng)規(guī)范健康發(fā)展提供了有力保障。但從運(yùn)行情況來看，也存在著不少的問題，期待通過深化改革，進(jìn)一步激活活力，發(fā)揮內(nèi)部審計(jì)的作用。

2.3建材

早在上世紀(jì)80年代，我國(guó)就進(jìn)行了矸石在建筑行業(yè)的相關(guān)研究，如生產(chǎn)輕骨瓷、制備水泥、生產(chǎn)磚瓦等，這些方法已成為煤矸石最大的利用途徑[4]。輕骨料一般是為了減少混凝土的相對(duì)密度而產(chǎn)生的一種多孔骨料，比卵石或破碎的巖塊要輕許多。目前我國(guó)生產(chǎn)煤矸石輕骨料尚處在初級(jí)階段，主要是回轉(zhuǎn)窯燒制煤矸石陶粒。工藝過程為：對(duì)矸石破碎，研磨成細(xì)粉，加水?dāng)嚢瑁炝３汕蚋稍锉簾鋮s等。水泥工業(yè)是大量消耗燃料的工業(yè)，為了節(jié)約燃料，可以用一些含有可燃物質(zhì)的煤礦廢渣燒制水泥[1]。煤矸石的成分和黏土的化學(xué)成分大致相似，可以替代黏土作為生產(chǎn)水泥的原材料或者混合材料摻入增加水泥的產(chǎn)量[5]。生產(chǎn)磚塊瓦塊的工藝過程大多是先對(duì)矸石進(jìn)行粗碎，粒度要小于50 mm，再進(jìn)行二次破碎，此時(shí)的物料粒度應(yīng)在2 mm以下，主要為1 mm以下，對(duì)物料進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，使之均勻混合，粒度平均分布，然后陳化，再進(jìn)行二次加水?dāng)嚢瑁腿霐D磚機(jī)，擠壓成型干燥后焙燒即可[6]。

2.4制造農(nóng)肥

煤矸石常含有一定量的促進(jìn)植物生長(zhǎng)的肥分和微量元素，并具有改良土壤酸堿度的作用。如煤矸石含有大約20%的有機(jī)質(zhì)及硅、鈣等礦物成分，可以加強(qiáng)植物的抗倒伏能力，起到硅鈣肥的作用，且含有Zn、B、Mn、Mo、Cu等植物生長(zhǎng)所必須的微量元素。煤矸石的酸堿性和礦物元素可將其用于改良土壤，增加土地的肥效和調(diào)節(jié)土地的酸堿性。在實(shí)施前要先查明土地的化學(xué)性質(zhì)和缺少的元素，根據(jù)具體情況適量地加入處理過的矸石[7]。

3　煤矸石的井下處理

我國(guó)對(duì)矸石井下處理技術(shù)的可行性研究比較多，經(jīng)濟(jì)上的合理性研究比較少。當(dāng)前我國(guó)正處于建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)，井下處理矸石對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有十分重要的意義[8]。

(1)矸石構(gòu)筑巷幫。采區(qū)上下山煤層巷道附近布置前進(jìn)式回采工作面，當(dāng)工作面推進(jìn)采煤一段距離后，再用他處的矸石砌筑巷道兩幫，消化矸石構(gòu)筑巷道幫，無需開掘開切眼，極大的方便了工作面設(shè)備的安裝[9]。也可以在采空區(qū)掘進(jìn)巷道或者恢復(fù)巷道時(shí)用井下的出矸砌筑巷幫，兼做巷道支護(hù)[8]。

(2)矸石作固體充填材料。我國(guó)煤炭資源開采過程中存在著大量的“三下”壓煤?jiǎn)栴}，隨著安全高效的固體充填采煤技術(shù)的發(fā)展，在井下煤矸分離已成為現(xiàn)代化礦井實(shí)現(xiàn)綠色開采、資源最大化開發(fā)利用的現(xiàn)實(shí)要求。矸石的井下處理利用量最大的就是矸石充填采礦法，可以使原生矸石不出井，減少開采引起的地面沉陷。充填方法主要為4種[8]：①自重充填，主要應(yīng)用于采空區(qū)傾角大于42°的情況下，將矸石從掘進(jìn)面運(yùn)輸卸載到采空區(qū)，使用的設(shè)備和系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，維護(hù)也比較方便，矸石利用率比較高；②機(jī)械充填，適用于工作面傾角較小或者近水平的情況下，借助輸送機(jī)充填;③風(fēng)力充填，在區(qū)段平巷或回采煤巷內(nèi)安設(shè)一臺(tái)風(fēng)力充填機(jī)，沿工作面鋪設(shè)充填管道便可進(jìn)行風(fēng)力充填，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，靈活，適應(yīng)性比較強(qiáng)，比較適合我國(guó)國(guó)情的井下矸石充填采礦法;④矸石處理后充填，將地面的矸石、井下矸石、粉煤灰加上水泥和一定比例的煤炭混合，煤、矸石、凝聚劑成條帶狀充填采空區(qū)或硐室，比例為水泥∶煤∶矸石=1∶2∶5，并且加入一定量的速凝劑[10]。與綜掘巷道和沿空掘巷相比較，該方法經(jīng)濟(jì)效益好，節(jié)省了材料，降低了巷道及回采工作面的成本，在相同情況下單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量增加，使回采費(fèi)用降低[11]。

4　我國(guó)當(dāng)前矸石利用中存在的問題

(1)矸石綜合利用總體水平不高。我國(guó)煤礦企業(yè)矸石處理利用裝備比較落后、規(guī)模小、發(fā)展力不足、競(jìng)爭(zhēng)力低下。在大部分的礦井中，目前煤矸石綜合利用技術(shù)裝備達(dá)到國(guó)際上世紀(jì)90年代較先進(jìn)水平的比例還不足20%，技術(shù)含量高的煤矸石綜合利用技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用，企業(yè)規(guī)模偏小，全國(guó)煤矸石制磚不足1 000萬塊標(biāo)準(zhǔn)磚，并且品種比較單一，不能適應(yīng)市場(chǎng)的需求[12]。

(2)地區(qū)發(fā)展不平衡。在能源相對(duì)短缺的地區(qū)，煤矸石的綜合利用發(fā)展比較快，比如在華東地區(qū)、西南地區(qū)，煤矸石綜合利用率能夠達(dá)到60%，高于全國(guó)平均水平的18%，在煤炭資源相對(duì)豐富的地區(qū)，煤矸石的綜合利用發(fā)展比較緩慢。這主要是由于礦井只注重煤炭的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，在煤矸石的綜合利用方面認(rèn)識(shí)存在短板，把煤矸石的利用只當(dāng)成煤礦的副業(yè)，不能以綠色循環(huán)資源最大化的思維去發(fā)展煤礦經(jīng)濟(jì)。

(3)缺乏資金渠道。盡管很多地區(qū)已經(jīng)重視到煤矸石的綜合利用帶來的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)[8]，但是，企業(yè)在矸石的再利用時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)資不抵債、利潤(rùn)比較少的局面，很多企業(yè)不太愿意做，導(dǎo)致資金缺乏。

5　結(jié)　論

我國(guó)的煤矸石產(chǎn)量隨著煤炭經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而日益增加，在倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大前提下，要轉(zhuǎn)變觀念，將煤矸石當(dāng)作礦業(yè)的另一個(gè)產(chǎn)品，大力發(fā)展矸石的綜合利用技術(shù)，拓寬利用途徑。先立足于已經(jīng)發(fā)展起來的技術(shù)，在轉(zhuǎn)變思維模式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，政府要從我國(guó)的國(guó)情出發(fā)，從保護(hù)環(huán)境，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)出發(fā)，制定和落實(shí)能夠促進(jìn)矸石的發(fā)展政策，確保資金到位，切實(shí)從企業(yè)發(fā)展的角度，在保障企業(yè)收益的情況下，更好地促使煤矸石的利用。

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(收稿日期2016-05-04)

曹金鐘(1969—)，男，礦長(zhǎng)，高級(jí)工程師，037000 山西省大同市。