煤矸石資源化利用的研究進展

王曉棟，張 玥，陳 松，丁會敏，張 宇

（黑龍江省能源環境研究院，黑龍江 哈爾濱150090）

煤矸石是指煤炭開采、洗選加工過程中產生的固體廢棄物。據統計，我國目前煤矸石累計存量達70億t以上，占地面積70km2，且仍以3.0～3.5億t·a-1的速度增加[1,2]。煤矸石的大量堆放，不僅占用土地，還會造成土壤、水體、空氣污染，引發地質災害[3,4]。本文鑒于煤矸石大量堆積所產生的危害，根據其礦物組成及化學成分差異，對煤矸石進行資源化利用，以期為煤矸石更深入的開發提供參考。

1 來源與性質

煤炭在開采、洗選加工過程中產生大量的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物。其中，煤矸石是由粘土巖類、鋁質巖類、砂巖類、碳酸鹽類等多種礦巖組成的混合物。不同的巖石含有不同的礦物組成，其巖石種類和礦物組成直接影響煤矸石的化學成分。煤矸石主要由無機質構成，其中含有少量有機質。無機質主要是礦物質和水。構成礦物質的主要成分為SiO2、Al2O3，另外含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O等氧化物，以及微量的Ti、V、Co等過渡金屬，此外，還含有As、Pb、Cd、Hg、Cr等有毒有害物質[5,6]。煤矸石中有機質的主要元素為C，其它為H、O、N和S等元素?？梢?，煤矸石的化學成分較為復雜，不同地區的煤矸石礦物組成及化學成分不同?；瘜W成分決定煤矸石的理化性質，所以在煤矸石利用之前，首先進行礦物組成及化學成分分析，以更好的進行資源化利用。

2 危害性

煤矸石的大量堆放，給環境帶來巨大危害，影響人們身心健康。具體危害如下：（1）矸石山的不穩定性，引發地質災害[7]；（2）大量堆積，占用土地；（3）經雨水沖刷后有毒有害物質污染水體、土壤，影響周邊植物生長[8,9]；（4）風吹日曬導致煤矸石風化，產生大量揚塵，污染空氣[10]；（5）煤矸石中含有C、S等可燃物，長期堆放蓄熱燃燒，釋放SO2、CO、H2S等有毒、有害氣體[11]。鑒于煤矸石給人類帶來的危害，如何將其資源化利用是當前研究的重點。

3 資源化利用

3.1 燃料發電

20世紀80年代初，我國開始利用煤矸石發電，在幾十年的發展歷程中煤矸石發電產業規模越來越大。煤矸石熱值低，不能單獨用其發電，通常加入適量的煤或泥煤進行發電。如永隴礦區低熱值煤綜合利用就是采用不同比例的末原煤、矸石、煤泥混合發電[12]。

3.2 回填采空區

煤炭開采過程中伴隨著采空區的形成，不及時回填容易誘發地質災害。但并不是所有的采空區都能用煤矸石進行回填，這就需要根據采空區的位置及上覆巖層的物理性質進行具體分析研究。選擇透水性好、可燃成分低、易粉碎及有毒重金屬含量低的煤矸石，可選用機械、風力或水力等填充方式進行回填工作[13]。

3.3 生產建材

煤矸石中含有的礦物成分與粘土類似，因此，煤矸石可以代替粘土作為制磚、生產水泥的原料。西安墻體材料研究設計院采用我省雙鴨山市利用煤矸石代替粘土生產了空心磚的技術[14]。生產水泥的主要原料為石灰石和粘土，其中粘土可用煤矸石替代。生產過程主要分為3個階段（生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨），其中熟料煅燒直接影響著水泥的質量，劉朋采用不同的活化方法（機械激發、熱激發、化學激發、復合激發）激發煤矸石的活性，同時研究了活化后的煤矸石在水泥基材料中的應用[15]。

煤矸石還可以制備輕骨料。孫鵬[16]等以煤矸石為主要原料，白云石粉為發泡劑制備煤矸石輕骨料。研究不同百分比的白云石粉摻量和不同燒結溫度對骨料結構及性能的影響。結果表明，白云石粉摻量為10%時，溫度為1250℃，時間30min的條件下，制備出孔隙率達40.71%，表觀密度為1528kg·m-3，孔徑為0.5～1.5mm左右，顆?？箟簭姸葹?.76MPa的煤矸石輕骨料[16]。

此外，可將煤矸石、粉煤灰和石灰混合制得路面基層材料，其強度與抗變形能力均能滿足相關要求，路用性能相對較好，可在低等級公路中進行推廣使用[17]。

3.4 制備化工產品

在化工業方面，國內外學者一直致力于煤矸石資源化利用的價值開發。從前，利用煤矸石制備Al2（SO4）3、AlCl3、沸石分子篩等化工產品。目前，主要用于催化劑和吸附劑的研究，應用于光催化降解及污水處理等行業。謝娟[18]等以煤矸石為原料，利用沸騰回流法制備了一系列α-Fe2O3-ZnO/煤矸石復合光催化劑，目標降解物為五氯酚，模擬太陽光照條件觀察樣品的降解效果。實驗結果表明，此催化劑具有光催化降解效果及可重復使用的特點。舒航[19]等以煤矸石為原料，制備高效無機高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵鈦。實驗結果表明，此混凝劑對城鎮污水處理廠二沉池出水的濁度和總磷有極好的去除效果，同時對COD和氨氮有一定去除能力。

3.5 農業應用

煤矸石含有豐富的有機質和微量元素，經過加工活化可以用來生產農肥及作為育苗基質材料。但是煤矸石中也含有毒有害的重金屬元素，農用時一定檢測重金屬含量，做相應的處理，防止土壤污染。

我國早在70年代就有報道關于煤矸石用于制備化學肥料，但在農業應用方面卻少有研究。房曉宇[20]等將煤矸石陶粒與木質素保水劑聯用，因為煤矸石陶粒內部疏松多孔可吸附化學肥料。邵玉飛[21]利用煤矸石生產水稻育苗基質，目前具備實驗室工藝，但是并沒有進行大田實驗。

4 結語

盡管煤矸石占用土地、污染環境，給人類帶來一定的危害性，但它也是一種資源。近年來，我國煤矸石在能源、建筑、化工、農業等行業都有應用，而且取得了一定的進展。目前，我們應該在原有基礎上改進現有技術，加大煤矸石高效利用技術的研發，實現煤矸石的高附加值利用。