平頂山地區煤矸石資源化利用途徑探索

董建勛，蘇孝杰

(1.河南平煤神馬環保節能有限公司；2.煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室；3.平頂山工業尾廢綜合利用工程技術研究中心，河南 平頂山 467000)

煤矸石是目前我國排放量最大的工礦業固體廢棄物之一，主要來自煤炭采選過程，是煤炭資源開發和洗選加工過程中的副產物，煤矸石綜合排放量占原煤產量的15%～20%。目前，我國已累計堆存51 億t煤矸石，每年新產生煤矸石量6 億t以上，占用了大量的土地。煤矸石長期暴露于空氣中易受風化而發生自燃，產生大量的CO、SO2和H2S等有毒氣體污染空氣。另外，煤矸石露天堆放，經降雨沐浴后，對土壤、水環境產生非常大的危害。盡管煤矸石資源化利用的相關研究開展很久[1-6]，但由于歷史存量比較大，煤矸石的利用依舊困擾著全國大多數煤礦相關企業。2019年，平頂山市煤矸石新增產量為1 640 萬t，累計庫存量6 500 萬t，主要來源于平頂山地區各煤炭開采和洗選企業，綜合利用量920 萬t，綜合利用率為56.1%。2020年8月26日，《平頂山市煤矸石管理辦法(試行)》頒布實施；2020年9月1日，新修訂的固廢法正式實施。隨著國家環保治理逐步深入，平頂山地區開展煤矸石的資源化利用已是大勢所趨。

1 平頂山地區煤矸石基本情況

煤矸石以常量元素為主，兼含多種微量元素，各種松散伴生元素含量極低，屬痕量元素，成分相當復雜，構成煤矸石的元素達十多種，一般以SiO2、Al2O3為主要成分，另外含有數量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O 等無機物，以及微量的稀有元素(鈦、釩、鈷等) 。煤矸石的組成比較復雜且成分極不穩定，不同地區的煤矸石成分也不相同，主要是由碳質頁巖、碳質砂頁巖、砂質頁巖、泥質頁巖等巖石和粘土組成的混合物[7-9]。根據礦物成分的不同，一般可以將煤矸石分為粘土類、砂巖類、碳酸鹽類和鋁質巖類，平頂山地區的煤矸石以粘土類為主。對平頂山地區的煤矸石進行采樣分析，結果見表1和表2。

表1 平頂山地區矸石主要化學組分

表2 平頂山地區煤矸石中的巖石類型及占比 %

2 煤矸石利用途徑

煤矸石是與煤伴生的灰分高、發熱量低的碳質巖，是無機質和少量有機質組成的混合物。發熱量是煤矸石最重要的質量指標，是煤矸石作為能源的使用價值高低的體現，灰熔點、活性和可塑性也是煤矸石的重要指標之一，煤矸石的物理和化學性能是影響矸石活性、決定其利用技術途徑的重要指標。開展煤矸石綜合利用時，應根據煤矸石的物理化學性能及技術要求，探索合理的資源化利用方案[10-12]。煤矸石的常規利用方式見表3。

表3 煤矸石的利用方式

3 平頂山地區的煤矸石利用途徑

3.1 路基材料

平頂山地區的煤矸石利用都是將其破碎后進行制磚塊，但是僅適用部分煤矸石，對CaO含量要求比較高，大部分煤矸石無法得到有效處置利用。針對該現象，探索研究了平頂山地區煤矸石高效、高值、規模利用的方式方法。現階段平頂山地區公路資源的緊缺，將煤矸石作為無機結合料的穩定材料在道路底基層、基層應用，以提高煤矸石利用效益。平頂山地區煤矸石用于道路底基層、基層的技術指標見表4。

表4 煤矸石用于道路底基層、基層的技術指標 %

按照技術指標對平頂山地區的煤矸石進行測定，平頂山地區的大部分煤矸石可用于道路的底基層、基層，剩余不符合技術標準的煤矸石用于制磚廠，能夠顯著提升煤矸石的綜合利用價值，真正實現煤矸石高效化、高值化、規模化利用。煤矸石利用途徑如圖1所示。

圖1 煤矸石利用途徑

煤矸石與傳統礫石、碎石等材料相比，存在強度低的問題，不能采用常用的骨架密實型結構。重點是利用無機結合料的火山灰反應產生的膠凝劑充分包裹煤矸石，道路荷載主要由無機結合料承受，煤矸石起次要作用。

利用破碎機將煤矸石進行破碎，控制最大粒徑在90 mm以下；隨后，將破碎后的煤矸石集料進行初步控制后與電石渣及粉煤灰結合料拌和、攤鋪、碾壓，為了防止碾壓工作時對煤矸石的破碎、需在鋼輪壓路機外包裹一層橡膠傳送帶)，形成道路的底基層。也可以將電石渣、粉煤灰按照設計配合比進行初步拌和；隨后，將煤矸石原材料攤鋪在道路上，電石渣、粉煤灰混合料攤鋪在煤矸石原材料上；最后利用冷再生機對材料進行收集、破碎、拌和、攤鋪，利用鋼輪壓路機進行碾壓。

3.2 煤矸石制磚

對于平頂山地區，煤矸石制磚目前有2種選擇：一種是混凝土空心砌塊，另一種是燒結煤矸石磚。混凝土空心砌塊的主要缺點：① 隔熱保溫性能差，它的熱阻值僅為燒結實心磚的0.7～0.9，為燒結空心磚的0.5～0.6，隔聲性能也不理想；② 抗滲水性能差，凡用其砌筑外墻，下雨時，浸濕的外墻面極易將水分滲至內墻面；③墻體易裂縫，混凝土空心砌塊的砌體抗剪強度僅為燒結磚的50%～55%，由于熱脹冷縮、濕脹干縮等產生的應力，極易使墻體產生裂縫。因而，用煤矸石生產的燒結實心磚，克服了混凝土空心磚的以上缺點，是混凝土空心磚的較好替代產品。

研究表明，用生產頁巖磚和粘土磚的設備完全可以進行煤矸石磚的生產，在煤矸石的物理化學性能指標符合要求的情況下，可以進行全煤矸石磚的生產(不摻加其它原料)，焙燒不用燃料(即靠煤矸石自身發熱量焙燒)。粘土實心磚的生產和使用在我國有著悠久的歷史，目前從我國墻體材料總量看，近80%仍為粘土實心磚，每年產量約8 000億塊。從消耗土地看，一年耗土約2.32×105hm2(實心磚質量按2.5 kg/塊，粘土密度以2.3 t/m3計，8000×108×0.8×2.5×10-3×10-3/(3×2.3))(按平均挖深3 m計算)，破壞耕地仍很嚴重。從消耗能源看，現在國內燒磚的能耗每萬塊約為1.4 t標煤，6 000億塊標磚就耗能8 400 萬t標煤。因此，從保護土地、節約能源的角度出發，煤矸石磚代替黏土磚是今后一段時期內主要的利用途徑之一。

3.3 煤矸石制骨料

對于CaO含量大于5%、硫含量小于1%、燒失量小于8%的煤矸石，可以考慮生產骨料。

煤矸石輸送至煤矸石處置站后，通過輸送膠帶機輸送至破碎機原料倉口，原料倉中原料通過棒條篩分給料機的篩分和給料作用，經過多次破碎、篩分后，各類成品骨料輸送至相應的成品儲料倉筒倉，通過汽車外運。生產工藝如圖2所示。

圖2 煤矸石生產骨料工藝流程

3.4 發泡陶瓷保溫板

發泡陶瓷是一種氣孔率為70%～90%、體積密度150～800 kg/m3、擁有三維空間網架結構的多孔陶瓷體，具有密度小、氣孔率較高、比表面積大、低熱傳導率、耐高溫、耐腐蝕等優點，廣泛應用于隔熱隔音材料、工業污水處理、汽車尾氣處理、電工電子領域、醫用材料領域以及生物化學領域。發泡陶瓷隔墻板具備防火保溫、隔熱隔音、抗凍抗滲、輕質高強等綜合特性，可廣泛應用于建筑保溫材料、室內隔墻、隔音屏障、工業防腐內襯等領域。由于發泡陶瓷的多孔結構，還可以利用發泡陶瓷的孔道阻尼作用作為吸聲材料廣泛應用于多墻面材料，尤其應用于地鐵、影院、博物館等防火要求較高的場所。

發泡陶瓷生產工藝流程如圖3所示。將陶瓷玻璃廢渣、煤矸石、粉煤灰和各類礦山尾料以及發泡劑、助熔劑粉碎處理后，入廠均化，測水分，按配方稱量，經過球磨、噴霧制粉、存儲、布料、燒成、切割、加工等工序，最后包裝入庫。

圖3 煤矸石制備發泡陶瓷工藝流程

4 結 語

(1)結合上述分析結果和國家的發展方向，平頂山地區的煤矸石作為燒結磚原料、發泡陶瓷和路基材料是今后主要的利用方向。由于各個礦區煤矸石的組分都有差別，開展具體利用之前需要針對性地進行全面分析。

(2)以煤炭生產開發為基礎。結合平頂山地區發展規劃與資源綜合利用規劃，按照煤炭生產開發規模，測算煤炭生產和洗選過程中產生的煤矸石以及電廠排放的灰渣等資源量，以市場為導向，經技術經濟分析和方案對比，提出資源綜合利用方案。

(3)以發展礦區循環經濟為目標。因地制宜，統籌煤炭資源開發、綜合利用和生態環境建設，實現煤炭開采、洗選加工、煤矸石和粉煤灰建材等產業的協調發展，合理延伸和優化產業鏈，保護和恢復礦區生態環境，促進礦區經濟社會協調發展。堅持固體廢物污染控制的“資源化、無害化、減量化”三原則，對煤矸石的環境污染實施全過程控制，積極發展并最終實現資源化。

(4)與產業升級相結合。貫徹落實國家關于資源綜合開發利用和墻體材料改革的產業政策，突出產業升級和企業技術進步。綜合利用建材項目，要采用先進技術和工藝設備，實現合理規模經營。各類綜合利用項目要做到清潔生產，不得形成二次污染。統籌安排礦區環境治理與資源綜合利用，煤炭和洗選加工中產生的固體、液體和氣體排棄物要盡快做到同步治理，同時要逐步解決歷史上形成的環境問題。