楊莎莎，張貴泉

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2. 中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030051）

煤矸石特性與資源化利用研究綜述*

楊莎莎1，張貴泉2

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2. 中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030051）

本文通過對比國內(nèi)外煤矸石資源化利用的現(xiàn)狀，綜合分析了我國在煤矸石發(fā)電、生產(chǎn)建材、提取化工產(chǎn)品、改良土壤、高附加值利用等多種高效利用途徑方面的新技術(shù)，并通過總結(jié)實際應(yīng)用中的問題提出煤矸石實現(xiàn)資源化、持續(xù)化利用的合理建議。通過對煤矸石綜合利用途徑的開發(fā)和研究，對實現(xiàn)保護耕地、減少占地、減輕礦區(qū)大氣和地下水污染、開辟礦區(qū)新產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和勞動力再就業(yè)有重大意義。

煤矸石；資源化；高附加值利用；綜合利用；可持續(xù)性

0 引言

煤矸石是我國積存量和年產(chǎn)生量最大、分布最廣的工業(yè)廢渣之一，據(jù)《中國資源綜合利用年度報告（2014）》中數(shù)據(jù)顯示，2013年我國煤矸石總產(chǎn)生量接近 7.5億 t，綜合利用量為 4.8 億 t，占年總產(chǎn)量的64%，其中發(fā)電利用煤矸石1.5億 t，占總綜合利用量的32%；用于建材產(chǎn)品生產(chǎn)利用量為5600 萬 t，占總綜合利用量的12%；用于土地復(fù)墾、充填礦井采空區(qū)和回填塌陷區(qū)等的煤矸石量約2.6億 t，占總綜合利用量的56%[1]。

為有效并高效地實現(xiàn)煤矸石綜合利用，目前已開發(fā)的技術(shù)先進(jìn)適應(yīng)性良好、環(huán)境—經(jīng)濟效益較好的途徑有：煤矸石的能源利用、發(fā)電利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆積地形等因素，長期大量露天堆放的煤矸石山不僅侵占農(nóng)業(yè)耕地和破壞地表原有植被，矸石淋溶水還將污染礦區(qū)周圍土壤和地下水，而且煤矸石中 FeS 等物質(zhì)由于被空氣氧化，熱量不斷積累并達(dá)到燃點時導(dǎo)致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期間釋放出大量的 SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害氣體極大提高了礦區(qū)周邊的生態(tài)風(fēng)險和人體健康風(fēng)險，故實現(xiàn)煤矸石的高效綜合利用成為相關(guān)研究工作者的研究方向。

1 煤矸石的特性

1.1 煤矸石的組成

煤矸石是在煤炭采掘和洗選加工過程中產(chǎn)生的礦山固體廢棄物，是夾在煤層中、在成煤過程中與煤共同沉積的有機、無機化合物共同組成的含碳巖石[2]，其主要來源為露天剝離及巷道掘進(jìn)過程產(chǎn)生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘進(jìn)過程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗選過程產(chǎn)生的矸石（20%）[3]。同時煤矸石是有機質(zhì)和無機化合物組成的混合物[4]，其化學(xué)組成主要為 SiO2、C 和 Al2O3，除此之外還包括 Fe2O3、CaO、 MgO、K2O、Na2O 等，煤矸石的化學(xué)成分見表1[6]。煤矸石礦物組成較為復(fù)雜，主要由高嶺土、石英、伊利石、蒙脫石、石灰石、氧化鋁等組成[5]。

表1 煤矸石化學(xué)組成%

1.2 煤矸石的結(jié)構(gòu)特點

煤矸石的原礦粒度較大，其中黃鐵礦主要以結(jié)核體、塊狀、粒狀等宏觀形態(tài)為主，礦物之間呈細(xì)粒浸染狀，洗矸中的黃鐵礦以塊狀、脈狀、結(jié)核狀及星散狀四種形態(tài)存在，而硅質(zhì)煤矸石的宏觀形態(tài)呈黑色隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦物構(gòu)造為紋層狀和塊狀[7]。

1.3 煤矸石物理性質(zhì)

煤矸石的發(fā)熱量是指單位質(zhì)量的煤矸石在一定條件下完全燃燒所能釋放出的能量，通常其發(fā)熱量隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和揮發(fā)分的增加而增加，隨灰分的增加而減小。我國煤矸石的發(fā)熱量多在6300kJ/kg 以下，熱值高于6300kJ/kg 的煤矸石僅占10% 左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定條件下加熱，隨著溫度升高產(chǎn)生軟化、熔化的現(xiàn)象。我國煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高，因此煤矸石的灰熔點（在規(guī)定條件下測得的引起煤矸石變形、軟化和流動的溫度）相當(dāng)高，最低為1050℃，最高可達(dá)1800℃ 左右，鑒于此特性，煤矸石可用作耐火材料。

另外，煤矸石還有一定的膨脹性、可塑性、收縮性，具有一定的硬度和強度。

1.4 煤矸石的有害雜質(zhì)

煤矸石中復(fù)雜的化學(xué)組分經(jīng)不同的處理工藝和釋放機制導(dǎo)致煤矸石中的有害雜質(zhì)對周邊土壤、水環(huán)境或生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。張明亮等[8]通過分析煤矸石樣品中重金屬的釋放、遷移活性，并利用潛在風(fēng)險評估法分析矸石山周邊潛在的生態(tài)風(fēng)險，研究發(fā)現(xiàn)煤矸石樣品中重金屬的主要形態(tài)為殘渣態(tài)，且不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，但是少量的酸溶態(tài)、結(jié)合態(tài)重金屬在受到降雨噴淋或長期處于潮濕狀態(tài)后由于遷移轉(zhuǎn)化加快從而容易造成重金屬污染。徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站[9]以煤礦區(qū)及煤矸石的污染特征為依據(jù)，選取16種 EPA 優(yōu)先控制多環(huán)芳烴（PAHs）污染物，采用高效液相色譜法對不同堆積年限的礦區(qū)煤矸石山周圍塌陷區(qū)的水體樣品進(jìn)行測試，分別分析此類水體中單個 PAHs 和總 PAHs 的分布情況及水體中 PAHs 不同環(huán)數(shù)的組成情況，試驗結(jié)果顯示由于PAHs的疏水性導(dǎo)致周邊水體中 ∑PAHs 含量不高，而在部分水樣中測出苯并(α)芘可知監(jiān)測礦區(qū)附近水體受到PAHs 一定程度的污染。

2 國內(nèi)外煤矸石資源化利用對比

2.1 國外利用情況

以美國、英國為代表的西方國家煤矸石總綜合利用率突破 90%[10]。琴希托霍瓦工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院[11]通過氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而開發(fā)了煤矸石作為工業(yè)廢水預(yù)處理中的廉價吸附劑的新應(yīng)用；馬來亞大學(xué)[12]則利用棕櫚—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高爐礦渣（BFS）作為粘合劑和細(xì)骨料，分別可以替代傳統(tǒng)材料。當(dāng)前國外煤矸石綜合利用的發(fā)展趨勢為：在工藝選擇上堅持節(jié)能降耗；在產(chǎn)品性能上大力生產(chǎn)輕質(zhì)、高強產(chǎn)品；在建材產(chǎn)品上由傳統(tǒng)的混凝土向新型保溫墻材料轉(zhuǎn)換[13]。

2.2 國內(nèi)利用情況

我國對煤矸石的應(yīng)用范圍及比例見圖1。

圖1 我國煤矸石主要利用途徑

2.2.1 煤矸石發(fā)電

對含碳量高的煤矸石，即含碳量≥20%（熱值在6270～12550kJ/kg），可以直接用作流化床鍋爐的燃料用于煤矸石發(fā)電。煤矸石發(fā)電不僅解決了煤矸石堆放所帶來的環(huán)境問題，而且可以緩解我國能源緊張的局面，并且在其生產(chǎn)工藝過程中，產(chǎn)生的有害氣體、煙塵、廢棄物基本上都能夠得到有效回收，大氣污染物的排放也可控制并達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。國華寧東發(fā)電公司[14]現(xiàn)已建成并投產(chǎn)使用的一期工程2×330MW 機組以煤礦廢棄的劣質(zhì)煤和煤矸石作為發(fā)電主要染料，該發(fā)電公司設(shè)計每年使用燃煤287萬 t，其中煤矸石占51.2%，其生產(chǎn)用水采用周邊礦井水且采用空冷技術(shù)，符合國家資源綜合利用產(chǎn)業(yè)政策，實現(xiàn)了工業(yè)固體廢物零排放、循環(huán)利用和資源化綜合利用。

2.2.2 煤矸石建材

（1）節(jié)能墻體材料的開發(fā)利用。我國早在20 世紀(jì)80 年代通過引進(jìn)國外破碎、擠出、焙燒技術(shù)很快完善并提高了我國在利用煤矸石生產(chǎn)燒結(jié)墻體材料方面的技術(shù)。在燒結(jié)新型墻體材料中，作為節(jié)能型綠色產(chǎn)品的煤矸石燒結(jié)自保溫砌塊性能能夠滿足國家建筑節(jié)能65%的要求。節(jié)能墻體材料的利用減少了建筑單位的各種設(shè)計、砌筑、配套等相關(guān)費用并能免去使用過程中的維護費用，更由于墻體輕質(zhì)的特點節(jié)省了大量的基礎(chǔ)建材費用，是一種節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的綠色建材產(chǎn)品。

（2）煤矸石生產(chǎn)陶粒輕骨料。陶粒輕骨料由于其輕質(zhì)、保溫、高強、附加值高的特點，能夠替代普通混凝土中的粗骨料，且符合高層建筑輕質(zhì)、高強的發(fā)展方向。含碳量低于13% 的煤矸石適宜作為生產(chǎn)輕骨料原料。內(nèi)蒙古科技大學(xué)[15]利用包頭地區(qū)堆積密度較大的粉煤灰陶粒、礦粉、粉煤灰等原材料，通過正交試驗的方法研制出導(dǎo)熱和抗凍性能良好的 LC40 結(jié)構(gòu)粉煤灰陶粒輕骨料混凝土。

（3）煤矸石生產(chǎn)水泥。我國在煤矸石生產(chǎn)水泥及水泥混合材方面的應(yīng)用較早，但由于難以突破實際生產(chǎn)過程中的技術(shù)瓶頸，從而抑制了煤矸石制水泥的發(fā)展。近年來，我國在煤矸石生產(chǎn)水泥的技術(shù)開發(fā)上取得了重大突破。裘國華[16]通過對煤矸石、尾礦以及石灰石的研磨試驗、物化性質(zhì)及熱解分析，并建立相關(guān)動力學(xué)模型，得出煤矸石—尾礦—低品石灰石代替黏土煅燒水泥技術(shù)節(jié)能效果顯著的結(jié)論。

2.2.3 生產(chǎn)化工產(chǎn)品

采煤和巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)煤矸石含大量礦物元素且回收利用價值高[17]。煤矸石中主要的礦物成分為 SiO2、Al2O3，另外還含有數(shù)量不等的 Fe2O3、FeS2、Mn、P、K 及微量稀有元素（Ga、V、Ti、Co）等，可分別制備鋁系、硅系、炭系化工產(chǎn)品、制取鈦白粉及提取鎵。高鋁煤矸石（Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥35%）可通過加以一定的外界能量以破壞其原有的結(jié)晶相，從而制備成本、能耗低和副產(chǎn)品價值高的鋁系產(chǎn)品。以煤矸石為原料，利用溶劑萃取法、萃淋樹脂法、液膜法等提取出來的金屬鎵主要用于半導(dǎo)體工業(yè)，以鎵化合物為基礎(chǔ)的產(chǎn)品用于電子技術(shù)較硅、鍺具有更大的優(yōu)點。有效回收煤矸石中的 SiO2成分可生產(chǎn)白炭黑（SiO2·nH2O）、SiC 等硅系化工產(chǎn)品。含 FeS2的煤矸石由于自身氧化產(chǎn)生的 SO2雖是大氣環(huán)境的主要污染物，但硫鐵礦是化學(xué)工業(yè)制備硫酸的重要原料，從煤矸石中回收硫鐵礦具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

2.2.4 改良土壤

礦區(qū)可利用暫時不能加工利用的巖石及自燃矸石充填塌陷區(qū)或復(fù)墾，這對礦區(qū)固體廢物的有效治理、生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石理化性狀的生物復(fù)墾技術(shù)成為礦區(qū)土地復(fù)墾的熱點技術(shù)，其中中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的畢銀麗教授開發(fā)的利用煤矸石中的有效基質(zhì)培養(yǎng)叢枝菌根真菌從而用于煤礦區(qū)復(fù)墾區(qū)土壤修復(fù)的技術(shù)，開創(chuàng)了煤矸石用于改良土壤的新技術(shù)體系[18]。畢銀麗教授等[19]在寧夏大武口洗煤廠矸石山（作為生長基質(zhì)）混合種植接種和不接種叢枝菌根真菌劑的白蠟幼苗，實驗結(jié)果表明接種菌根真菌13個月后能夠有效提高植被成活率（15%），促進(jìn)植株生長（接種植物蓋度高于對照 9%）和侵染率（高達(dá)90% 以上），且菌絲長度較對照伸長1.4倍，擴大了根系的范圍，該研究極大促進(jìn)了煤矸石的資源化利用和矸石山周邊的生態(tài)恢復(fù)，為煤矸石綜合利用指明了新的研究和發(fā)展方向。

2.2.5 煤矸石的高附加值利用

近年來，為了突破傳統(tǒng)的煤矸石資源化利用技術(shù)體系，國內(nèi)研究學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向煤矸石的高附加值利用且技術(shù)開發(fā)效果顯著。如昆明理工大學(xué)[20]結(jié)合室內(nèi)試驗提出采用高濃度酸-微波加熱法提取煤矸石中的高純度硅，再加入 Na2SO4制備水玻璃，有效實現(xiàn)了煤矸石的高附加值利用。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的李彩霞等[21]利用煤矸石中的硅酸鹽成分，將經(jīng)化學(xué)改性后的煤矸石制成橡膠補強材料，在產(chǎn)品性能、節(jié)能環(huán)保方面均領(lǐng)先炭黑。神華烏海能源有限公司[22]開發(fā)出了煤矸石—脫硫石膏—石灰—水泥（發(fā)氣劑為鋁粉）生產(chǎn)泡沫混凝土，充分利用了煤矸石的高附加值。

綜上，我國煤矸石綜合利用途徑多樣，具體工業(yè)化選擇途徑見表2。

表2 煤矸石工業(yè)利用途徑

3 當(dāng)前煤矸石資源化問題現(xiàn)狀

（1）煤矸石資源化利用的整體水平較低。國內(nèi)煤矸石綜合利用技術(shù)開發(fā)較為緩慢且裝備設(shè)施與國際水平相比較為落后，致使煤矸石新增量遠(yuǎn)超于綜合利用量。目前我國煤矸石綜合利用主要有傾倒、利用煤矸石發(fā)電、回填與復(fù)墾及建材，產(chǎn)業(yè)模式單一、規(guī)模較小，且由于技術(shù)的局限性會產(chǎn)生大量廢液、廢渣，環(huán)境—經(jīng)濟效益較低。

（2）礦山企業(yè)環(huán)保思想不夠解放。由于企業(yè)環(huán)保意識不強且受綜合利用成本的約束，煤矸石成為我國堆存量最大、占用土地最多的工業(yè)固體廢棄物，進(jìn)而導(dǎo)致煤矸石資源化利用在我國發(fā)展緩慢。

（3）相關(guān)法律法規(guī)及指標(biāo)體系不夠完善。由于礦山企業(yè)追求經(jīng)濟效益、相關(guān)法律法規(guī)不夠健全，導(dǎo)致煤矸石亂排放、環(huán)境污染等一系列問題突出，很大程度上造成了資源浪費。

4 建議與展望

（1）依靠科技創(chuàng)新，大力開發(fā)創(chuàng)新煤矸石新的用途。大力支持技術(shù)開發(fā)階段的自主創(chuàng)新，鼓勵并扶持相關(guān)企業(yè)、機構(gòu)及高校在煤矸石資源化利用方面的技術(shù)研發(fā)，從而帶動煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（2）礦山企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步解放思想、政府應(yīng)給予相關(guān)的扶持。礦山企業(yè)要勇于打破“先污染后治理”的傳統(tǒng)觀念，多方面籌集資金，政府也應(yīng)給予其資金支持，共同實現(xiàn)煤矸石資源化利用的企業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。

（3）建立健全相關(guān)法律法規(guī)、制定煤矸石排放標(biāo)準(zhǔn)體系。規(guī)范企業(yè)對煤矸石的利用、對礦山環(huán)境的修復(fù)和治理，為促進(jìn)煤矸石的資源化有效利用和全面改善礦山環(huán)境提供有力的法律保障。

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Research on the characteristics and utilization of coal gangue

Yang Shasha1, Zhang Guiquan2
(1. School of Chemical and Engineering , China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing100083;2. School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051)

By comparing the present situation of the coal gangue utilization at home and abroad, this text analyzes the new technologies of variety of effective ways in coal gangue generation,producing building materials, extracting chemical products, improving soil and high value-added utilization, and by summarizing the problems in the practical application,puts forward some reasonable suggestions for the resource and sustainable utilization of coal gangue.Through the development and study of comprehensive utilization of coal gangue, it is of great signi fi cance to protect cultivated land,reduce occupied land, reduce the air and underwater pollution,open up new mining industry and promote industrial transfer and labor re-employment.

coal gangue; resource-based; high value-added utilization; comprehensive utilization; sustainability

*本研究得到山西省煤基重點科技攻關(guān)項目支助，項目編號 MC2014-04。

楊莎莎（1996—），女，本科在讀，主要研究方向：污染場地修復(fù)及環(huán)境管理。

［通訊地址］北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁11號學(xué) 8 樓 426室（100083）