煤矸石及其資源化利用研究進展

楊依民，孔德順

（六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004）

據不完全統計，我國的煤矸石堆積量超過70億噸，煤矸石山超過2000座；這些煤矸石山的堆積不僅浪費土地資源，而且堆放的過程中易發生自燃，在產生大量黑煙和CO2的同時會分解出少量的有機硫化物，并在空氣中反應形成硫酸霧，而在雨水的長期沖刷下煤矸石中的重金屬等元素分解出來，進入地表以及地下水，改變土壤成分、污染地下水[1-2]，使土壤不適合綠色植物存活，對水環境造成破壞，最后經過生物循環對人類的身體健康造成危害。

1 煤矸石的性質

1.1 煤矸石的物理性質

煤矸石是一種與煤層共生的灰黑色巖石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭的硬度，一般情況下多砂巖高于多頁巖的硬度，在4～5，而多頁巖的硬度在2～3。煤矸石被歸為沉積巖類，是因為它是由多種礦物構成的混合物[4]。另外煤矸石的含水率在20%～25%，塑性指標在2.5～3.5，耐火度在1250～1350℃，黏度約為1.1[5]。

1.2 煤矸石的化學性質

煤矸石的主要化學組成為無機質，有機質僅占極少的部分。無機質主要為礦物質和水，一般由無機化合物轉化為氧化物組成，并含有極其微量的的稀有金屬（Ti、V、Co等）[6]，而煤矸石中含有的有機質主要以煤為主，并隨著含煤量的增加而升高，主要包括C、H、O、N、S等元素，通常情況下，含C量越高，煤矸石的發熱量越大。由于煤矸石含有較多的活性物質，其在一定條件下，會發生水解，形成板體。煤矸石的化學性質一般呈中性或偏堿性，但是某些含水量較高的煤矸石，會呈強酸性，這是因為煤矸石中含有的一部分活性物質水解造成的[7]。

2 煤矸石的資源化利用

我國是產煤大國，我們的煤炭產量占全球煤炭總產量的1/2左右，煤炭在開采、洗選和加工過程中會產生大量的固廢煤矸石，煤矸石成為產量第二的工業固體廢棄物[8]，而煤矸石的排放量與煤炭的產量具有一定的關系，大概和煤炭產量的10%～15%相當。煤矸石同時具有“廢渣”和“礦物”兩種屬性，是因為煤矸石是由多種礦物組成的混合物，如此一來，解決煤矸石污染問題和煤矸石綜合應用就成了煤矸石資源化利用的研究方向。

2.1 煤矸石的分類

煤矸石成分復雜并且由于產地的不同組成成分差距也比較大，這就造成產地不同的煤矸石的各項性質也不相同，而對煤矸石綜合利用的各種方法對煤矸石的各項性質的要求也不同；因此，對于煤矸石的資源化利用來說，對煤矸石進行科學合理的分類具有至關重要的理論和實踐意義，其意義主要體現于最大程度的對煤矸石的綜合利用，并基于其分類依據對煤矸石進行分類堆放，避免了煤矸石亂堆亂放對壞境的污染，為煤矸石的綜合利用提供了便利。

2.2 提取有價元素

煤矸石的主要礦物組成有：碳酸鹽類礦物、黃鐵礦、黏土類礦物、鋁土礦物、云母、石英、長石、碳質和植物化石等。礦物以Al和Si為主要組成元素，除此以外還含有數量不等的Fe、Ca、Mg、S和P，以及微量的稀有金屬（如Ti、V、Co等），在煤矸石中的隨C含量的增加有機物的含量也隨之升高，其主要元素組成包括C、H、N和S等[9-10]。因此，分離出煤矸石中的有價元素并對其進行高附加值的利用成為大量處理煤矸石的重要方式。

連明磊等[11]以顆?；钚蕴繛榛罨瘋鳠峤橘|來解決活化煤矸石的問題，他們通過實驗得出在微波功率為680W，活化時間為20min時，70目的活性炭和200目的煤矸粉的質量比在高于2以后的Al、Fe的浸出率基本不變，且其Al、Fe的浸出率為750℃下焙燒2h的1.5倍左右。他們還運用化學反應工程學的方法創建了顆粒活性炭——煤矸石粉系統在不同微波場中的升溫模型，并通過實驗探索分別建立了活性炭顆粒和煤矸石粉的“棗糕”動力學模型，其中活性炭的“棗糕”動力學模型方程為θA=0.8708-0.8708e-0.384t，而煤矸石的“棗糕”模型動力學方程為θB=1-1.808(-e-0.384t-0.384t)ln1.808，并在實驗中模型的計算值與實驗所測值擬合良好，這與傳統高溫焙燒的方法相比較，連明磊等采用的以活性炭顆粒作為活化傳熱介質來輔助活化煤矸石的方法不僅大大縮短了活化時間（從2h縮短到24min），而且節約能源，還提高了有價元素的浸出率，從提取方面提高了煤矸石的利用率，提高了煤矸石的利用效果，促進了煤矸石的資源化利用。

聚硅酸硫酸鋁鐵相對于常規的絮凝劑來說，具有制備工藝簡單、制造成本低、制造效率高、污泥體積小、電中和作用強、礬花大易沉降、有良好的吸附架橋和沉淀網捕功能等優點，從一面世就在污水處理方面得到廣泛應用。劉成龍等[12]以煤矸石為主要原料，通過酸浸得到含有鐵、鋁硫酸鹽的混合物，在混合物中加入一定量的雙氧水值得PAFS，再通過浸取廢渣得到活性硅酸鈉，最后將PAFS與活性硅酸鈉復合共聚得到PAFSS； 并且通過正交實驗優化出最佳的實驗方案：共聚溫度30℃，共聚時間15min，VPAFS∶VNa2Sio3=4∶1，wNa2Sio3=20%。該研究進一步拓展了煤矸石的應用途徑，并為PAFSS的制備提供了大量的廉價原料，降低了污水處理的成本，這對于煤矸石的綜合利用有著極大的促進作用。

2.3 煤矸石發電

煤矸石發電也是對煤矸石利用的一種重要途徑，由于煤矸石含有煤及其他可燃物，故可當作燃料來進行發電。我國多采用煤矸石與煤泥、焦爐煤氣等低熱值燃料單獨或混合使用的方式，多采用大型循環流化床鍋爐[13]。煤矸石發電屬于低熱值發電技術，一般將發電廠建在燃料地，如此一來，不僅解決了煤礦上用電緊張的局面，還避免了燃料的長途運輸，防止煤矸石侵占土地，污染環境。煤矸石燃燒后產生的爐渣和廢灰具有比較好的化學活性，可作為其他煤矸石綜合利用方面的原料加以利用，避免了對環境的二次污染[14]。迄今為止，我國的煤矸石發電產業發展形勢良好，煤矸石發電技術趨于成熟，這對煤矸石的綜合利用是一個很大的進步，在社會進步、經濟發展和保護環境方面產生了十分顯著的效益。

2.4 煤矸石制建筑材料

目前為止，對煤矸石利用最徹底的方法就是制作建筑材料，這也是我國對煤矸石應用最廣泛的途徑。煤矸石制磚是使用煤矸石中含有的少量有機物的自燃，已達到節約原料煤的目的[15]，由此可知煤矸石制磚需要未自燃過的煤矸石。煤矸石磚的各項性能與傳統的黏土磚相比更加具有優勢[16]，并且煤矸石含有的少量的有機質的燃燒還可以為制造過程提供一定的熱量，達到了低熱值燃料資源化利用的目的，節約了能源消耗。部分煤矸石和黏土的成分相近，故可以代替黏土制造水泥，由于煤矸石中的三氧化二鋁含量較高，所以在制造過程中加入適量的石膏[17]。煤矸石制作建筑材料不僅可以降低建筑材料的制作成本，還可以消耗大量的煤矸石，減少煤矸石的堆積，避免土地的浪費，防止環境污染，促進經濟發展。

2.5 煤矸石填充采空礦區

利用煤矸石就近填充被采空的礦區，可以是大量的煤矸石在礦井下直接使用[18]，減少煤矸石的運輸，并且有效的解決了地表塌陷和沉降的問題，減少了煤矸石對方對土地的浪費，杜絕了其對大氣、土壤及地下水的污染[19]。

3 結語

開發更多煤矸石利用的新技術，可以更大的促進煤矸石的資源化利用，使煤礦企業的產業更加多元化，提高了煤礦企業承受風險的能力；同時煤矸石的高附加值得利用還可以緩解煤矸石對環境及社會造成的壓力，在促進社會進步、經濟發展和環境保護等方面具有十分重要的意義。