我國(guó)煤矸石的處置利用現(xiàn)狀及展望

武彥輝

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

2013年我國(guó)生產(chǎn)原煤39.7億噸，2014～2016年均呈下降趨勢(shì)。2017年全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)原煤34.45億噸，首次同比增長(zhǎng)3.2%。雖然我國(guó)在持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，并預(yù)計(jì)煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的占比將從現(xiàn)在的62%左右降至2020年的60%、2030年的50%，到2050年達(dá)到最低的40%[1]。然而即使如預(yù)期到2050年能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比達(dá)到40%，而在我國(guó)煤炭依然占據(jù)主要位置，中國(guó)仍然是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。

煤炭在生產(chǎn)和洗選過程中會(huì)產(chǎn)生大量煤矸石，其中掘進(jìn)矸石約占原煤產(chǎn)量的10%，洗選矸石占到15%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤矸石現(xiàn)有堆存量在50億噸以上，每年的排放量在7.5億噸左右。同時(shí)，由于煤矸石中含有碳質(zhì)泥巖、硫鐵礦等可燃物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間的露天堆存容易導(dǎo)致矸石自燃，進(jìn)而排放出有害氣體，污染周圍環(huán)境[2]。因此，有效利用和處置煤矸石成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。

1 煤矸石綜合利用途徑的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

煤矸石按照碳的含量可分為四大類[3]：大于20%的為一類，6%至20%的為二類，4%至6%的為三類，小于4%的為四類。一類煤矸石由于含碳量最高，熱值更大，常用于發(fā)電。其他三類矸石根據(jù)其中化學(xué)元素的含量決定其用途：含硅多的矸石用于制造陶瓷和建材等；含鋁多的矸石用于生產(chǎn)鋁系化合物。

1.1 矸石發(fā)電

利用煤矸石發(fā)電使煤矸石由無序排放變?yōu)橛行蚶茫捎行Э刂坪徒档蚐O2、NOx及煙塵等污染物的排放；同時(shí)節(jié)約了無序堆放而大量占?jí)旱耐恋亍Ｎ覈?guó)煤矸石發(fā)電的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1.1 技術(shù)的不斷提升

我國(guó)20世紀(jì)70年代早期建立的煤矸石電廠主要采用沸騰爐，但其燃燒效率不高，煙塵排放量很大，且對(duì)鍋爐磨損嚴(yán)重，給電廠帶來很高的成本壓力。沸騰爐的上述缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了煤矸石大型發(fā)電廠的建設(shè)[4]。由于循環(huán)流化床鍋爐能普遍適應(yīng)低熱值燃料的燃燒要求，有效降低電廠生產(chǎn)成本、減少SO2和粉塵排放，對(duì)企業(yè)發(fā)展和社會(huì)環(huán)境都是極其有利的。80年代后期我國(guó)開始進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)及投產(chǎn)應(yīng)用研究。2016年11月15日，內(nèi)蒙古大路2×300MW坑口煤矸石熱電廠通過試運(yùn)行，該項(xiàng)目是集循環(huán)流化床鍋爐、直接空冷、熱電聯(lián)產(chǎn)為一體的亞臨界機(jī)組工程。2015年9月，由晉煤集團(tuán)與山西國(guó)際能源集團(tuán)共同投資的山西趙莊金光2×660兆瓦煤矸石發(fā)電項(xiàng)目在山西長(zhǎng)治市開工建設(shè)，這是全國(guó)首個(gè)超超臨界低熱值煤矸石發(fā)電項(xiàng)目，該項(xiàng)目的開工既標(biāo)志著我國(guó)煤矸石發(fā)電技術(shù)開始走在世界前列，也表明我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型到了一個(gè)新階段。

1.1.2 總裝機(jī)容量大幅度提高

2004年底，全國(guó)煤矸石等低熱值燃料電廠有230座，總裝機(jī)容量200萬kW，年發(fā)電量約120億kW·h。而2017年僅山西華昱能源有限公司循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)的4座矸石電廠總年發(fā)電量就達(dá)149億kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2004年的年發(fā)電總量。2017年全國(guó)煤矸石及低熱值煤綜合發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)3600萬kW，是2004年的18倍。

1.1.3 可利用更低熱值的煤矸石

較早的《煤矸石綜合利用管理辦法》（國(guó)經(jīng)貿(mào)資〔1998〕80號(hào)）規(guī)定發(fā)熱量大于7500kJ/kg的煤矸石直接作循環(huán)流化床鍋爐燃料。而隨著我國(guó)循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，入爐燃料的熱值可進(jìn)一步降低，更低熱值（＞5040kJ/kg）的煤矸石可用于煤矸石發(fā)電。

2016～2017年我國(guó)每年生產(chǎn)原煤約35億噸，含采掘矸和洗選矸約7.5億噸、煤泥約1.3億噸、中煤約6.5億噸。其中有約10億噸的低熱值燃料可用于燃燒發(fā)電。煤矸石電廠的利用能力遠(yuǎn)不能滿足每年需要處理的煤矸石量，因此未來還應(yīng)繼續(xù)研究更大容量、更高效率的低熱值煤燃燒發(fā)電技術(shù)。另外，隨著當(dāng)前環(huán)保形勢(shì)的不斷嚴(yán)峻，通過開發(fā)新技術(shù)保證煙氣各項(xiàng)污染物排放達(dá)標(biāo)，并且最大程度地利用灰渣，是煤矸石發(fā)電的必然趨勢(shì)。

1.2 煤矸石制建材

1.2.1 煤矸石制磚

目前，煤矸石制燒結(jié)磚、空心磚等生產(chǎn)技術(shù)正日趨成熟。如2008年潞安集團(tuán)建成的煤矸石制磚生產(chǎn)線，每年可處理約30萬噸煤矸石，生產(chǎn)標(biāo)磚1.3億塊。不斷研發(fā)新工藝和新裝備，開發(fā)多用途、多種類的煤矸石磚正逐步成為以后煤矸石制磚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

1.2.2 煤矸石制水泥

煤矸石中的SiO2、Fe2O3及A12O3含量較高，可作為水泥生料中硅、鋁及鐵組分的主要來源以代替黏土生產(chǎn)水泥。用煤矸石代替黏土和部分燃料生產(chǎn)普通水泥能提高熟料質(zhì)量[5]。

1.2.3 煤矸石制輕骨料

煤矸石中含有碳酸鈣和硫鐵礦及多種金屬氧化物，在高溫下會(huì)產(chǎn)生氣體膨脹物料，形成孔隙狀的輕骨料。目前，用回轉(zhuǎn)窯燒制的煤矸石陶粒具有低密度、高強(qiáng)度、高軟化系數(shù)、良好抗凍性等優(yōu)點(diǎn)，可代替砂石制作各種建筑預(yù)制件[6]。除此之外，陶粒還可應(yīng)用于食品、能源等其他領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，范圍還將繼續(xù)拓展。

1.3 煤矸石的高附加值利用

目前，煤矸石高附加值利用已開始成為煤矸石綜合利用的重要途徑。2018年1月29日，一項(xiàng)關(guān)于煤矸石高附加值利用的項(xiàng)目在內(nèi)蒙古烏海市正式簽約。該項(xiàng)目采用超高溫熔融還原氣化技術(shù)，預(yù)計(jì)年消耗80萬噸煤矸石，一年可生產(chǎn)25萬噸巖棉拉絲纖維和40萬噸改性醇。甲醇又可以通過各種手段轉(zhuǎn)化成化學(xué)產(chǎn)品，大幅度提高了煤矸石的產(chǎn)品附加值。

2 煤矸石山生態(tài)復(fù)墾

我國(guó)的煤矸石利用技術(shù)已走在世界前列，但是煤矸石綜合利用率仍然很低，不足30%，剩余70%以上的煤矸石堆存在地面，形成了矸石山。目前全國(guó)歷年累計(jì)堆放的煤矸石約50億噸，規(guī)模較大的矸石山已超過1900座，占用土地約1.5萬公頃，而且堆積量每年還以1.5億～2.0億噸的速度增加[7]。

大量的煤矸石堆積占地又污染環(huán)境。1）煤矸石中所含黃鐵礦易被氧化放出熱量，在矸石山內(nèi)部形成一個(gè)高溫高壓的環(huán)境，輕則導(dǎo)致煤矸石自燃，排放有害氣體，污染大氣和造成土壤酸化，重則產(chǎn)生爆炸，引起崩塌、滑坡，形成連鎖災(zāi)害；2）矸石在運(yùn)輸、堆放過程中產(chǎn)生大量粉塵，危害人體健康，極少數(shù)礦井的矸石甚至可能有放射性污染。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，矸石山綠化是治理矸石山環(huán)境污染的有效途徑，也是礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。矸石山綠化治理主要分三部分進(jìn)行：1）矸石充填；2）分層碾壓；3）覆土綠化。

國(guó)內(nèi)某集團(tuán)通過對(duì)矸石的排放高度、坡度和覆土厚度進(jìn)行了反復(fù)實(shí)踐和摸索，最終總結(jié)出一條治理經(jīng)驗(yàn)。將矸石分層碾壓，排放至3.5m后間隔黃土0.5m，每8m設(shè)置一個(gè)馬道，由馬道把坡面分成階梯式，且坡面坡度小于1 ∶ 1.75，可大大降低矸山自燃的幾率。陳勝華等[8]在此基礎(chǔ)上研究了該集團(tuán)大垴梁煤矸石山覆土層不同碾壓條件下的壓實(shí)效果，結(jié)果表明覆土厚度20～40cm，4噸的碾磙平碾碾壓3～5遍時(shí)，土壤含水量接近最優(yōu)含水率，碾壓效果最好。

矸石山的綠化應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩砦恢谩夂虻茸匀粭l件，優(yōu)先選擇耐干旱、耐貧瘠、萌發(fā)力強(qiáng)、成活率高、生長(zhǎng)快的優(yōu)良品種。一般來講，固氮樹種能適應(yīng)嚴(yán)酷的土地條件，特別是刺槐等豆科植物，既能避免水土流失，還能改良土壤，保證人工生態(tài)植被的完整性。

目前，國(guó)內(nèi)外在煤矸石山綠化方面尚未開展實(shí)驗(yàn)，尋求最優(yōu)的綠化模式，基本采取各自的、統(tǒng)一的綠化模式，缺乏針對(duì)性。為此，研究比對(duì)不同綠化方式、綠化種類、綠化密度、養(yǎng)護(hù)方法等的綠化效果，既能達(dá)到快速綠化的目的，又能節(jié)約成本。

3 展望

盡管我國(guó)在煤矸石的綜合利用方面取得了不錯(cuò)的成果，但其利用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及產(chǎn)生量，利用率不足30%，絕大多數(shù)煤矸石仍以填埋，堆積的方式進(jìn)行處置，自燃現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。而且在利用過程中存在成本較高，產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等問題，因此在未來的發(fā)展中應(yīng)做到：1）不斷完善工藝和設(shè)備，提高煤矸石的利用量，降低生產(chǎn)成本，尤其是煤矸石的高附加值利用技術(shù)應(yīng)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容；2）尋求新型注漿滅火劑和綠化技術(shù)，加大矸石山生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)研究。