我國煤矸石固體廢棄物在建筑與環境修復領域的資源化利用

鄧穎蘭，魏愷頡，趙迪斐，董云，顧東清

(1.中國礦業大學建筑與設計學院，江蘇 徐州 221000；2. 中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221000；3.中國礦業大學人工智能研究院，江蘇 徐州 221000；4.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223003；5.江蘇省能源研究會， 南京 21009)

煤矸石是煤礦生產在挖掘、開采和清洗處理過程中產生的一種固體廢棄物，是碳質、泥質和砂質的混合物，具有低發熱值的特點，造成其在深度利用上存在劣勢[1]。煤矸石固廢在巖性上包含煤質、泥頁巖和粉砂質泥頁巖等類型，按照主要礦物含量，煤矸石固廢可以進一步劃分為黏土巖類、砂石巖類、碳酸鹽類和鋁質巖類等，它的主要化學成分是SiO2、Al2O3和C等，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O3、K2O、SO3和部分Ti、Co等微量稀有元素[2-3]。煤炭作為我國的主要能源，即便在碳中和和碳減排的背景下，仍然將作為我國能源經濟的壓艙石保持發展，僅2020年，中國煤炭產量達到了38.4億t，排名世界第六，進口量約為3.04億t ，位居全球第一[4-5]。煤矸石約占煤炭整體比例的10%～15%，煤炭資源的利用隨之帶來煤矸石廢棄物占用大量土地堆放的問題，并因元素淋濾等造成對自然環境的危害，引發了部分煤炭資源產區的環境地質問題[6]。煤矸石的堆放也潛藏自燃引起火災和雨季易發生崩塌滑坡等安全事故的風險，其含有的硫化物和重金屬等逸出或浸出將會對大氣、土壤和水體造成不可逆轉的污染[7-8]。因此，對煤矸石廢棄物的固廢利用引起越來越多的關注，本文綜合討論煤矸石資源利用現狀及存在問題，并重點分析其在裝配式建筑快速成型技術等建筑與環境修復前沿領域的資源化利用前景。

1 我國煤矸石資源化利用現狀

截至目前，我國煤矸石保有存量約為45億t，主要分布在山西、陜西和黑龍江等重要煤炭資源開發利用地區，形成的煤矸石山約有2 600余座，資料顯示，僅煤矸石一項，山西存量達到10億t，據我國生態環境部公布數據顯示，我國工業煤矸石年產量達3.3億t，綜合利用率為54.5%，綜合利用量約為1.8億t[9]。我國煤矸石主要由煤炭開采利用以及洗選業產生，在當前資源循環利用快速發展的背景下，煤矸石的利用率不斷提高。

從煤矸石的資源化利用來看，煤矸石發電、化工產品制備、建筑材料化利用、農業環境及其他工業應用是煤矸石的主要利用方式，近年來，涌現了一系列煤矸石資源化利用的新技術、新方法，在建筑材料化利用以及化工利用方面尤為顯著[10]。煤矸石內平均含有20%到30%的碳，可用于燃燒發電。目前，利用沸騰爐燃燒洗中煤和洗矸的混合物發電技術，發熱量每千克可達約8 372 kJ。一般認為，發熱量大于6 272 kJ/kg的煤矸石可直接用作鍋爐的燃料，發熱量在4 181～6 272 kJ/kg的煤矸石則需要混雜一定比例發熱量較高的煤泥、中煤等才能進入鍋爐，充分燃燒后產生的熱量可用于發電。據統計，我國至少有1.4億t/a的煤矸石被用于發電，其效果相當于節約3 800萬t/a標準煤，煤矸石發電技術逐漸在完善，已取得較大的進步。但是煤矸石發熱量低、灰分高、硬度大，會嚴重磨損鍋爐，造成鍋爐停機等問題，煤矸石發電技術仍然需要進一步深入研究。煤矸石中含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等多種化合物，利用煤矸石中富含的鋁元素，可將其制成氯化鋁、氫氧化鋁、硫酸鋁等化工原料。將這些元素通過化學手段合理的進行有效提取和利用，變廢為寶，減緩其環境危害的同時，將極大提高煤矸石的利用價值[11]。煤矸石中含有的微量元素如Zn、Cu和B等，可以用于制作植物所需的肥料，將煤矸石用于土地復墾，作為土壤改良劑、生物肥料載體、復合肥料配料和吸附劑等，可有效改良土壤質量。煤矸石中含有多種農作物生長所需的微生物肥料成分，為開辟煤矸石的綜合利用新途徑，我國相關機構研究以煤矸石為基質的生物肥料生產菌種，并達到較好預期效果，產出肥料具有無毒、無害、優質和高效等優點。

煤矸石中含有豐富的SiO2、Al2O3、 Fe2O3和CaO，是天然的黏土質原料，可以代替黏土配料燒制普通硅酸鹽水泥、特種水泥和無熟料水泥等建筑材料。此外，煤矸石還可以用作燒結制磚、生產混凝土的輕骨料和生產制造煤矸石微晶玻璃等。煤矸石代替黏土生產水泥，煤矸石和黏土的化學成分相近并能釋放一定的熱量，用其代替部分或全部黏土生產普通水泥能提高熟料質量，其生產工藝相似，但需對煤矸石進行脫硫處理，避免煤中的硫所帶來的污染。用煤矸石燒磚可以利用煤矸石自身的發熱量降低能耗，但是煤矸石中含油雜質及放射性材料也需要考慮，產品總體成本偏高；用煤矸石做輕骨料其碳含量不能過大，以10%以下為宜；用煤矸石生產空心砌塊，以煤矸石作為主要原料，配合一定比例生石灰和石膏做膠粘劑，攪拌成型，對于建筑材料的運用大有前景。

2 煤矸石建筑與環境修復資源化利用前沿技術

2.1 采空/塌陷區回填、筑基修路、土地復墾新型材料

采用煤矸石回填采空區，既避免了露天堆放的煤矸石粉塵對自然環境的破壞，又能減輕采空區地表的沉陷，降低地質災害發生的風險。從經濟上考慮，就近回填處理可以減去運輸等過程，減少生產成本，還具有保護生態環境的社會效益，在采空/塌陷區回填、筑基修路和土地復墾等領域具有廣泛的應用意義。2021年以來，國家高度重視固體廢棄物的治理利用問題，尤其是作為新材料在采空/塌陷區回填等領域的應用，國家發展改革委辦公廳出臺了《關于開展大宗固體廢棄物綜合利用示范的通知》，明確了以煤矸石、粉煤灰和尾礦(共伴生礦)等為主的大宗固體廢棄物綜合利用示范基地建設方向。

2.2 建筑裝飾新材料及裝配式建筑快速成型技術

Si、Al含量較高的煤矸石可作為原料用于生產建筑、裝飾材料以及鋁硅酸鹽聚合凝膠材料，具體應用有煤矸石燒結磚、新型水泥、輕質骨料和混凝土砌塊等。煤矸石是國內新型墻體材料制作的常見工業固體廢棄物，以工業固廢資源化利用制造的新型墻體材料具有較高的生態效率。煤矸石現可用于一些綠色高性能混凝土的制作，可將煤矸石摻入原料作為集料用于生產。此外，煤矸石還可用于替代部分自然資源原料生產硫鋁酸鹽膠凝材料，全固廢制備硫鋁酸鹽基3D打印膠凝建筑材料應用到建筑快速成型技術是與綠色建筑理念相吻合的。裝配式建筑在許多特定領域有適應性極好的應用場景，例如我國大量的村鎮住房改建，針對其所存在的安全度低、節能率低、建筑效率低和建筑材料成本相對較高等問題，結合煤矸石建筑裝飾新材料以及裝配式建筑快速成型的新技術體系具有很好的應用前景，尤其是針對我國采礦地區的村鎮住房改建，煤矸石建筑裝飾新材料以及裝配式建筑快速成型的新技術體系具有重要的應用價值和潛力，對于采礦區環境問題改善和人居環境改善可以起到積極作用。

2.3 煤矸石(混合)內能燃燒應用

含硫煤矸石在自然條件下容易發生自燃，利用煤矸石中的內能是煤矸石充分利用的一個重要類型。高熱值煤矸石可以直接用于熱能利用，低熱值煤矸石在可控陰燃或作為混合利用等技術條件下，也可以實現對內能的提取[12]，或針對煤矸石進行洗選回收可燃組分用于發電等工業生產過程；但煤矸石作為內能燃料還存在內能提取殘余物處理的問題，煤矸石內能提取殘余物可以用于建筑材料、回填材料等。我國早期以沸騰爐煤矸石燃燒利用為主，但存在顯著的能耗大等問題，循環流化床鍋爐等技術的應用可以更好適應低熱值燃料的燃燒發電，同時，對于燃燒廢棄物的處理技術也逐漸成熟，煤矸石(混合)內能燃燒應用可以有效解決煤矸石堆放自燃造成的環境污染及碳排放問題，其內能提取殘余物也可以作為建筑材料應用和環境化工應用的部分原材料。

2.4 以煤矸石為原料的建筑及環境化工應用

對于以煤矸石為原料的化工利用起步較早，近年來發展速度也較快，如以廉價煤矸石為原料制備分子篩及其它復合吸附材料、提取煤矸石中稀有元素(B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等)制備肥料、提取煤矸石有價值元素制備化工產品等利用方向。化工利用是煤矸石實現高附加值和規模化利用的主要發展方向，這些化工利用方向中，許多產品類型本身即可以用于建筑行業或開展環境治理，如用于廢水處理的聚合硅酸鐵鋁硫酸鹽(PFASS)和無機高分子水處理混凝劑等。

3 煤矸石建筑與環境修復利用現狀及存在的問題

3.1 煤矸石建筑與環境修復利用現狀

近年來，基于煤矸石利用技術的治理體系已經初步形成，不同地區、不同運營主體采用了不同的技術方案和利用方式，大大提高了我國煤矸石固廢的利用效率和經濟性，顯著降低了對環境的不利影響，并形成了在建筑行業以及環境領域的兩大重點利用方向。在建筑領域，以煤矸石作為建筑材料的案例不斷豐富，已經成為領域內重要的原材料來源類型，但所占比例仍然不高，且利用方式相對單一，經濟效益有限，煤矸石固廢資源化利用的進一步發展進入瓶頸階段。在環境修復領域，得益于煤矸石固廢資源化利用近年來的迅速發展，煤矸石本身由于堆放和淋濾等導致的環境問題得到了較好的治理，以煤矸石作為原料的環境化工應用發展較快，產品類型日益豐富，逐漸成為采煤區產業鏈中的一個重要環節。在國家“雙碳”戰略背景下，煤矸石建筑與環境修復資源化利用迎來了新的發展機遇，但也需要克服這個新領域的一系列存在問題。

3.2 煤矸石建筑與環境修復資源化利用存在問題

目前，我國在煤矸石建筑與環境修復資源化利用領域取得了長足進展，但也存在很多需要進一步解決的典型問題，既包括技術發展程度、產業層次等需要從技術角度解決的問題，也包含管理、發展戰略和經濟性等需要從制度角度推動的問題。

(1)煤矸石在建筑與環境修復領域利用總體技術水平不高，產業層次低。主要表現為技術裝備落后，對環境造成影響，利潤空間少，企業規模小，產品競爭力弱。一些高技術含量的煤矸石利用還沒有真正落地，產業鏈不完善，并且煤矸石的經濟效益不能保證，在資金籌措和現金流上也存在問題，新的融資渠道還沒有形成，企業資金籌措困難，給煤矸石擴大再利用帶來不便。

(2)在煤矸石利用管理過程中依然存在很多的環境影響問題亟待解決。由于大量廢棄的煤矸石堆積，是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，長時間堆放，不僅對環境造成污染，還有因堆放造成所需土地面積會越來越大，尤其是對耕種影響最大；而且因煤矸石低燃點，容易發生自燃，從而引發更大的危險災害；其次，煤矸石可以通過水的淋溶、浸泡，對周圍水體環境產生影響，如果按正常情況下大氣降水呈酸性，酸性條件下淋溶析出的重金屬含量超過生活飲用水標準，而且，堿性條件下除Cu、Zn、As外也超過地面水環境Ⅴ類標準。

(3)煤矸石利用存在地區發展不平衡、管理制度不規范明確的弊端。對于能源緊缺的地區，如東部地區和西南部地區，煤矸石的利用率比較高，技術發展較快，而在煤炭資源豐富的地區如山西、陜西和東北，煤矸石產業發展相對之后。目前，煤矸石電廠和一些煤矸石建材企業大多不是獨立單位，很難依靠煤矸石作為單一經濟來源，煤矸石往往都是以輔助的角色出現，其運轉還不能適應市場需求，也需要時間驗證。

(4)煤矸石無害化向資源化利用轉變過程中的盈利能力問題需要持續改善。隨著國家對生態環境保護的日益重視，煤矸石的合理治理和有效利用也逐漸得到關注，但煤矸石利用企業的盈利能力一直存在問題。傳統上煤矸石的利用大多在發電、化工產品制備、建筑材料和農業肥料等行業進行，近年在建筑材料化利用以及化工利用方面涌現了一系列煤矸石資源化利用的新技術、新方法，有效提高了煤矸石的利用率及經濟附加值，值得關注，是實現煤矸石無害化向資源化利用轉變過程中盈利性質轉換的重要潛力方向。

3.3 建筑與環境修復領域煤矸石固廢資源化利用對策

基于對煤矸石固廢在建筑與環境修復利用領域應用現狀與存在問題的系統梳理和分析，表明目前我國建筑與環境修復領域煤矸石固廢資源化利用研發、應用轉化速度不斷加快，但如何實現從煤矸石固廢的“無害化”利用向“資源化”利用轉型，仍然是領域關鍵痛點。從目前的利用方式來看，資源利用效率仍然相對低下，高附加值利用方式相對較少，以建筑或環境修復原料或簡單加工產品為主要形式的利用方式，決定了煤矸石固廢在跨區域應用、高效高附加應用上存在短板。從技術、產業、政策和發展戰略等角度看，我國建筑與環境修復領域煤矸石固廢資源化顯然存在顯著發展潛力：在技術上，大力發展深度利用、高附加值和環境友好固廢利用技術，加速匹配煤矸石固廢與裝配式建筑快速成型技術等建筑、環境修復行業技術的融合，強化煤矸石無害化處理技術的低成本發展，從根源促進煤矸石固廢從“無害化”利用向“資源化”利用轉型；在產業結構上，促進高技術煤矸石固廢利用技術落地，完善煤矸石固廢資源化利用產業鏈，擴大煤矸石固廢利用領域的融資渠道，打通上下游產業，促進跨區域、跨行業資源匹配與協同發展；在政策上，配合國家“雙碳”戰略，制定完善兼具環境意義與經濟性的煤矸石固廢產業優化扶持政策，建成完善行業標準與管理政策，促進行業規范發展；在發展戰略上，進一步統合資源，縮小區域間產業技術發展差異，促進大規模、集成化的資源化利用，加速產業集聚。

4 結語

我國煤矸石固廢資源化利用取得了長足進展，初步實現了從固體廢棄物向環境治理對象再向資源利用的目標轉換，形成了建筑行業以及環境領域的兩大重點利用方向，形成了采空/塌陷區回填、筑基修路、土地復墾新型材料、建筑裝飾新材料、煤矸石(混合)內能燃燒應用、建筑/環境化工應用等前沿技術方向，但也產生了總體技術水平不高，產業層次低，利用管理過程中存在環境影響問題、地區發展不平衡、管理制度不規范明確、盈利能力問題需要持續改善等痛點，亟待進一步發展。深度利用、高附加值和環境友好的固廢利用技術，完善煤矸石固廢資源化利用產業鏈，建成完善行業標準與管理政策，統合資源促進大規模和集成化的資源化利用集聚，這些技術、產業、政策和發展戰略上的協同，將為國家“雙碳”戰略背景下煤矸石建筑與環境修復資源化利用的發展機遇提供科學的發展框架與指導。