王淇 張麗娜 閔鑫 吳小文 劉艷改 黃朝暉 房明浩

摘 要：煤矸石是與煤伴生的一種含煤高嶺土，是在采煤和洗煤過程中排放出的一種固體廢物。我國煤資源產(chǎn)量巨大，因此伴有大量的煤矸石固廢排放，其高附加值綜合利用對經(jīng)濟、環(huán)境和社會具有重要的意義。本文主要從提取有價元素、能源化利用、建筑材料化應用、尾礦填充和土地復墾等方面綜述其無害化處理的現(xiàn)狀，同時結合其元素賦存特征從固廢高值材料化利用方面介紹其研究進展，提出煤矸石綜合利用提供新的技術思路。

關鍵詞：煤矸石 無害化 高值化 綜合利用 現(xiàn)狀與進展

中圖分類號：X75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0046-03

我國是全球煤炭開采量和使用量最大的國家，2016年煤炭產(chǎn)量占全球煤炭總產(chǎn)量的46.1%。煤炭在我國能源機構中也占有極大的比例，在2016年為62%[1]。煤矸石是與煤伴生的一種含煤高嶺土，是在煤資源的開采和清洗等處理過程中排出的固體廢物，其含碳量約為20%～30%，其他主要成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3、P2O5和稀有元素等微量成分[2]。在采煤過程中排放的大量煤矸石排放若棄置不用，將占用大量土地，自燃引發(fā)火災，逸出或浸出硫化物造成環(huán)境污染，雨季崩塌、淤塞河流導致自然災害，同時也會給企業(yè)造成較大經(jīng)濟負擔，因此，對于煤矸石的處理與綜合利用愈來愈得到人們高度重視[3]。目前，我國在煤矸石處理、無害化應用、高值化綜合利用與環(huán)境保護等方面的工作主要集中在以下幾個方面。

1 煤矸石的再選和有價組分提取利用

煤矸石的礦物組成主要包括高嶺土、長石、伊利石、方解石、水鋁石、黃鐵礦、蒙脫石、云母、綠泥石類以及少量的稀有金屬礦物，其中高嶺石含量高達60%以上[4]。通過對其進行再選可進一步回收煤矸石固廢中殘留的有用礦物，是提高資源利用率、大量處理堆存尾礦的重要措施。例如：通過一些選洗方法，得到鐵礦石等有用礦物。張晉霞等[5]通過磨細河北某地含硫5%矸石，以石灰為抑制劑、硫酸調(diào)整pH，硫酸銅為活化劑、丁基黃藥為捕收劑，2#油為起泡劑，經(jīng)浮選、粗選和細選，獲得回收率為82.50%的精黃鐵礦。同時，還有部分研究通過物理、化學方法來提取或利用尾礦中的有用組分。例如：使用鹽酸浸取法得到結晶氯化鋁、氯化鐵可用于生產(chǎn)氧化鋁、氧化鐵，而浸取后的殘渣主要成分為二氧化硅，可作生產(chǎn)橡膠的填充料以及生產(chǎn)水玻璃的原料。董玲等[6]選取霍州三交河煤礦，確定了在110℃下，HCl濃度為12mol/L、浸潤時間為150min下，得到溶出率為65.67%的Fe2O3。夏舉佩等[7]以貴州盤縣煤矸石為原料，酸矸質量比為1.4，170℃下反應4h，氧化鋁的浸取率為98.47%，極大地提高了煤矸石利用率。此外，剩余母液內(nèi)還所含的少量稀有、貴重元素，如鍺、鎵、釩、鈾、鈦等，也可視含量通過富集的方式?jīng)Q定其提取價值。夏舉佩等[8]以貴州盤縣煤矸石為原料，經(jīng)過機械活化、微波酸浸提取Ti，在酸矸比為1.5，微波功率800W、溶解溫度為75℃下加熱90min，得到提取率為79.85%、以Ti（SO4）2為主要形式的鈦。孫亞喬等[9]分別對韓城產(chǎn)煤矸石進行BCR可交換態(tài)及碳酸鹽結合態(tài)提取法和Tessier連續(xù)分級提取法的對比研究探索，得出對于提取Cr、Mn、Ni、Pb、Zn等元素BCR法優(yōu)于Tessier法，對煤矸石有價組分提取利用又有了新的方法。

2 煤矸石的能源化利用

對于含碳量超過20%的煤矸石，也可用于火力發(fā)電，這是實現(xiàn)煤矸石能源化利用的主要方式。經(jīng)過多年的發(fā)展，采用洗中煤和洗矸混燒發(fā)電技術已經(jīng)成熟，而爐渣還可用于生產(chǎn)爐渣磚和爐渣水泥，粉煤灰還可進行提鋁和提硅等進一步生產(chǎn)應用。煤經(jīng)過30多年的發(fā)展，全國煤研石等低熱值煤發(fā)電裝機已達到約3000萬kW，加上在建機組總裝機規(guī)模約達3500萬kW。研石等低熱值煤發(fā)電裝機規(guī)模不斷增長，為國家節(jié)能減排做出巨大貢獻。雖然煤研石發(fā)電裝機在全國煤電總裝機中占比不到4%，但對煤矸石的消耗量占比約為30%，年可燃用煤研石、煤泥、中煤等低熱值燃料1.35億t，相當于節(jié)約4000萬t標準煤[10]。保德選煤廠[11]改矸石分級回洗順序、并末矸摻入原煤中，經(jīng)過技術改造，降低運行成本，提高了矸石燃燒可用率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。神華集團[12]對循環(huán)流化床（CFB）發(fā)電技術，尤其是牽頭研究的超臨界CFB技術進行研究探索，對大規(guī)模清潔利用煤泥、矸石等低熱值煤的綠色使用有了新的拓展。

3 煤矸石的建筑材料化利用

煤矸石由于硅、鋁組分含量較高，可用于制備建材和裝飾材料以及鋁硅酸鹽聚合凝膠材料等的基礎原料，這也是煤矸石綜合利用中最廣泛的途徑之一。在建材應用中，煤矸石可用于制備煤矸石燒結磚、水泥、和輕質骨料等。

在制備燒結磚的過程中，煤矸石可代替粘土作為原料。呂德生等[13]取烏魯木齊煤矸石與沙漠砂制備粘土燒結磚，燒結溫度為1000℃燒結2h可制得抗折強度為3.79MPa、抗壓強度為31.52MPa的高性能、低成本多孔磚。

煤矸石還可以部分或全部替代粘土成分用于生產(chǎn)普通水泥，自燃或人工燃燒過的煤矸石具有一定活性，可作為水泥的活性混合材料生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥（摻量小于20%）、火山灰質水泥（摻量20%～50%）和少熟料水泥（摻量大于50%），還可直接與石灰、石膏以適當?shù)呐浔饶コ蔁o熟料水泥，可作為膠結料與沸騰爐渣做骨料或以石子、沸騰爐渣作粗細骨料制成混凝土砌塊或混凝土空心砌塊等建筑材料[14]。李燕等[15]在硅酸鹽水泥中加入15%安徽產(chǎn)高溫活化煤矸石、15%高爐礦渣后干燥收縮率較小，抗壓強度較大，并且煤矸石和礦渣的利用率較高，很好地解決了煤矸石大宗使用問題。孫道勝等[16]以煤研石作為硅鋁質原料制備水泥時，按熟料理論率值KH=0.95，IM=1.55，SM=2.55配制生料，在1450℃下鍛燒，制備的水泥3天凈漿抗壓強度為45.3MPa，28天凈漿抗壓強度為95.3MPa，性能優(yōu)良，造價低廉。

煤矸石還可用于制備燒結輕質骨料，用于建造高層樓房；也可用于制備陶瓷，或用于鋪路等領域。劉靜靜等[17]以煤矸石、高鋁礬土和少量工業(yè)氧化鋁為原料，添加鋸末為造孔劑，造粒成球后在1450℃保溫3h，制備的莫來石輕質骨料體積密度為1.31g/cm3，顯氣孔率為57%，耐壓強度為14.5 MPa，300℃的導熱系數(shù)為0.394W/m·K-1，該方法也能對煤矸石的資源化利用有著不可或缺的作用。

4 尾礦填充和土地復墾

利用煤矸石生產(chǎn)的建材產(chǎn)品的附加值比較低，并不適合用于遠距離運輸，因此，大部分煤矸石都是就近消耗處理。其中，礦山采空區(qū)充填能使煤矸石不出礦井的情況就被使用，直接填充采空區(qū)，從而從源頭杜絕煤矸石的排放，減少地表的下沉，降低發(fā)生地質災害的風險，這是直接利用煤矸石最行之有效的一種途徑，具有較高的技術優(yōu)勢、經(jīng)濟優(yōu)勢和環(huán)境優(yōu)勢。寧建國等[18]通過煤矸石與水泥共用，降低了填充成本，提高了填充體結構性能，能在確保安全生產(chǎn)的情況下，將矸石等廢棄物填充，達到固體廢棄物的高效利用和對地面空間的有效節(jié)約。

此外，礦山的復墾工作是指在煤矸石庫上復墾或利用煤矸石在適宜地點覆土造田和種植農(nóng)作物等，不僅能避免尾礦流失，污染江河，還能增加農(nóng)業(yè)耕種面積，也可種草造林美化環(huán)境，目前我國對這方面的研究較多。朱江等[19]研究了不同配比的煤矸石添加量、不同的配比方式對水稻秸稈、水稻籽中重金屬含量，對煤矸石土壤復墾有了新的研究并提出新的要求。

5 煤矸石的高值材料化利用

除上述無害化利用以外，利用煤矸石固廢生產(chǎn)高值工業(yè)新材料也是提高煤矸石附加值的一種有效途徑，主要包括利用煤矸石制備白炭黑、分子篩、陶瓷、耐火材料等。方莉等[20]以煤矸石提鋁廢渣為原料，以碳分法制備白炭黑產(chǎn)品，其產(chǎn)品粒徑≤4.5μm，最小可達2.77μm，產(chǎn)品具有良好的分散性、疏水性，可以用作聚合材料的填料，具有較好的應用前景。郭振坤等[21]蒙古準格爾煤田煤矸石為原料，450℃下堿溶活化，在晶化溫度50℃下晶化12h，生產(chǎn)出立方體狀、晶粒約為2μm的高晶化程度的4A分子篩，并有很好的吸附能力。張長森等[22]以煤矸石和城市污泥兩種廢棄物原料，創(chuàng)新性地在1120℃、保溫1h下制得多孔陶瓷，對有害元素得到有效固化，對固體廢棄物的有效利用提出新方法。

Al2O3-SiC復相材料是重要的高溫陶瓷復相材料，它同時具有Al2O3與SiC材料二者的性能，表現(xiàn)出較好的抗折強度、斷裂韌性、硬度、高溫抗熱震性、耐腐蝕和耐磨性能等優(yōu)異特性和廣泛的應用前景。其中，利用煤矸石碳熱還原方法制備Al2O3-SiC復相材料已經(jīng)成為較為成熟的合成方法，將煤矸石與焦炭或炭黑等碳質材料進行混合并在高溫下進行碳熱還原反應即可原位合成得到Al2O3-SiC復相材料。該方法工藝簡單，易于操作，既不需要高純納米級原料，也不需要高溫高壓的制備條件，生產(chǎn)成本低廉，是一種可進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的方法。同時，類似的碳熱還原方法還可以推廣到其他低品味礦物的綜合利用上，是一種大宗低品味礦石提高產(chǎn)品附加值的有效實現(xiàn)方法。

6 結論與展望

近些年，煤矸石綜合應用研究方面已經(jīng)從過去的以火力發(fā)電、礦坑復填、燒制耐火磚、水泥等，逐漸轉變?yōu)橐蕴崛∮杏迷?、分選有價礦物、高值材化等為主的綜合、高效利用方案。在生態(tài)文明建設背景下，面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重和生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢，煤矸石這類固體廢物的處理與綜合利用將占據(jù)越來越重要的地位。

在煤矸石的綜合利用中應當因地制宜科學地開展工作，穩(wěn)妥有序推廣。在國家強化政策和經(jīng)濟支持的前提下，加大開展煤矸石處理與綜合利用科技研發(fā)工作的粒度，實現(xiàn)煤矸石利用的最大化。既關注回收有用組分，提高礦產(chǎn)資源利用價值，也需要關注其大宗量的利用，實現(xiàn)礦山無尾礦工藝生產(chǎn)，逐步構建“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的綠色美麗礦山開采與生產(chǎn)體系；必須根據(jù)煤矸石礦物和元素組成以及物理化學特性，開發(fā)利用煤矸石基新型材料，拓展尾礦利用范圍，實現(xiàn)尾礦高附加值利用。

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