煤矸石綜合利用的可行性研究

摘要：本文通過介紹煤矸石的幾種可利用途徑及其綜合利用所產(chǎn)生的經(jīng)濟與社會效益，論述了煤矸石的綜合利用的可行性，以達到變廢為寶、變害為利，節(jié)省能源及資源循環(huán)利用的目的。

關(guān)鍵詞：煤矸石；成分；利用

前言

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，隨著煤炭產(chǎn)能的增加，其排放量亦相當驚人，據(jù)相關(guān)資料保守估算，每年的排放數(shù)量約占煤炭產(chǎn)量的10%，到目前為止，已累計堆存約38億噸，不僅占用了大量的土地（約1.5萬公頃），同時在適合的條件下還會產(chǎn)生自燃，對大氣及地下水造成污染并影響當?shù)鼐坝^，對礦區(qū)造成種種負面影響，作為煤炭工業(yè)廢棄物的煤矸石一直是煤礦生產(chǎn)企業(yè)最頭痛的事兒。

就煤矸石的組分而言，它又是一種可利用的礦產(chǎn)資源，\"八五\"以來煤矸石的開發(fā)利用有了較大發(fā)展，而且利用的途徑在不斷擴大，技術(shù)水平在不斷提高。在當前基礎(chǔ)能源石油價格日益高漲，特別是\"十一五\"規(guī)劃中提出，建設(shè)節(jié)約型社會，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的要求，更是給煤矸石的綜合利用提供了廣闊的空間。

研究煤矸石的利用，就有必要從其化學組分談起。

1 煤矸石的組分

煤矸石的化學成分主要是SiO2、Al2O3和C。其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金屬元素，煤矸石的化學成分不穩(wěn)定，不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大，但其變化一般在一定范圍內(nèi)：

化學組份： SiO2 Al2O3Fe2O3 CaO MgO Na2O K2OC

百分含量：30-6015-40 2-101-4 1-31-2 1-2 20-30

煤矸石的礦物成分以粘土礦物和石英為主，常見礦物為高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英、長石、云母和綠泥石類。除了石英和長石外，以上礦物均屬于層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，這是煤矸石礦物成分的一個特點。

2 煤矸石的開發(fā)利用途徑

巖石與礦石的區(qū)別點僅僅在于現(xiàn)階段有無使用價值，二者之間是一種隨人類生產(chǎn)技術(shù)條件變化而變化的動態(tài)關(guān)系。煤矸石的開發(fā)利用，在途徑上主要分為二大類，一是熱能源；二是選擇灰份作工業(yè)原料。

2.1 熱能源（利用煤矸石發(fā)電）

煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用的最主要途徑。利用煤矸石中的C成分，煤矸石燃燒時產(chǎn)生的熱能，一般在1.68～2.10MJ/kg，有的也可達10.50～12.60 MJ/kg，標準煤燃燒值為29.3 MJ/kg，一般4噸煤矸石約合1噸標準煤發(fā)熱值。每度電換算成能量單位為3.6 MJ，經(jīng)換算得出，每燃噸煤矸石可發(fā)電約2000度（理論計算）。在實際利用中通常按一定的比例摻入原煤。

福建安溪煤矸石電廠，據(jù)項目負責人介紹，安溪煤矸石電廠設(shè)計裝機2×50MW，年產(chǎn)值約20000萬元，電廠煤矸石燃燒技術(shù)穩(wěn)定，電廠經(jīng)過4個多月的并網(wǎng)調(diào)試，煤矸石從20%開始，經(jīng)過逐步摻燒，煤矸石與原煤的燃燒比例已達6：4，入爐的熱值在9.58 MJ/kg，鍋爐仍可穩(wěn)定燃燒，低于規(guī)定的12.6 MJ/kg，煤矸石的熱值在5.0 MJ/kg以上，符合煤矸石電廠政策要求。電廠建成投產(chǎn)后，每年利用煤矸石約36萬噸，相當于9萬噸商品煤，亦相當于新建一個年產(chǎn)原煤9萬噸的新礦井，節(jié)約效果十分顯著。

另外，還可以利用煤矸石生產(chǎn)煤氣，產(chǎn)氣用的煤矸石一般要求灰份為70%～80%，發(fā)熱量為4.1868～5.02416MJ/kg。煤矸石煤氣爐造氣原理與一般煤氣發(fā)生爐基本相同。所得煤氣的熱值可達2.93076～4.60548MJ/m3。

利用后的廢渣，還可用來作為水泥配料與電解鋁等的生產(chǎn)，從而形成延伸產(chǎn)業(yè)鏈。

2.2 選擇灰份作工業(yè)原（材）料

由于以前對煤矸石一直視為 \"三廢\"之一，對于各地各礦區(qū)的煤矸石的重視度不夠，故具體的煤矸石的成分研究與檢測也相應(yīng)較少，尤其是非重點礦區(qū)。

煤矸石質(zhì)量參差不齊，成份波動較大，應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)類型、熱值、成份的不同，對新挖掘或選剔出的煤矸石按類分級堆放，建立技術(shù)檔案，同時，對歷年來積存的老煤矸石進行調(diào)查，勘測，采樣分析，建立資源檔案，有所選擇地利用一些合乎要求的煤矸石作為工業(yè)原料是完全可行的。

2.2.1 制造建筑材料

主要利用煤矸石中的礦物成分代替其它具相同成分的礦產(chǎn)資源。

2.2.1.1 配制水泥

煤矸石已被廣泛用于水泥生產(chǎn)。利用煤矸石代替粘土生產(chǎn)水泥，水泥中煤矸石含量可達30%，煤矸石的摻入可使噸熟料（非標準煤）由475kg，降至378kg，每件可節(jié)煤11640t。熟料臺時產(chǎn)量由6.54t提高到8.33t，而且噸熟料電耗下降6.93kWh。

還利用煤矸石代替粘土配制全黑生料，熟料燒成后，又利用人工引燃煤矸石煅燒石灰后再作混合材生產(chǎn)火山灰水泥。這種水泥生產(chǎn)二次利用煤矸石，平均每噸水泥利用0.5噸煤矸石。

另外可用煤矸石、石灰石、螢石、石膏和鐵礦粉為原料。采用高鋁和比加復(fù)合礦化劑的配料方案，控制C11A7.CaF2和C4A3S等速凝早強物質(zhì)，生產(chǎn)出的速凝早強水泥已達到國家建材標準(JC314-82)。符合\"快凝快硬硅酸鹽水泥\"（雙快的-150）的技術(shù)指標。

2.2.1.2 煤矸石制磚

主要利用煤矸石中所含的粘土礦物，替代粘土進行建筑用磚的生產(chǎn)。目前我國的墻體材料產(chǎn)品中95%是實心粘土磚，現(xiàn)在全國有磚瓦企業(yè)約11萬個，生產(chǎn)粘土磚多達7000億塊，占地500萬畝，每年耗土量相當于110萬畝土地，實際毀田數(shù)十萬畝，耗能達 7000多萬t標煤，成為一個破壞耕地、消耗能源的大戶。為此，國家制定了一系列限制粘土磚，發(fā)展新型墻體材料的政策。但目前全國煤矸石磚生產(chǎn)企業(yè)僅有近千家，年生產(chǎn)矸石磚約60億塊，占粘土磚產(chǎn)量的0.8%，僅利用煤矸石約1600萬t。此外，全國利用煤矸石生產(chǎn)粘土內(nèi)燒結(jié)磚的（平均摻矸量15%左右）廠家較多，每年生產(chǎn)矸石內(nèi)燒結(jié)磚500億塊，年利用煤矸石量1800萬t。從而使利用廢棄煤矸石替代粘土制磚成為最主要的產(chǎn)業(yè)政策。

2.2.1.3 煤矸石作為建筑填料

利用煤矸石的固體物理性質(zhì)及自身強度，可廣泛用于公路、鐵路的路基填筑、工業(yè)與民用建筑的換土墊層建設(shè)，公路的穩(wěn)定層及江河湖海的堤壩也有大量的應(yīng)用。

另外，采空塌陷區(qū)也可作為填料，進行回填復(fù)墾。

2.2.2 煤矸石制陶瓷

歷年來作為工業(yè)廢渣看待的煤矸石，經(jīng)過人們的長期研究、實驗， 煤矸石主要由粘土礦物組成，其化學成份與一般瓷土近似，工藝性能在一定條件下，也可以滿足陶瓷生產(chǎn)的要求。

以高嶺石為主的煤矸石可作為燒制陶瓷的主要原料，國外把煤矸石用作燒制彩色陶瓷板，有的在陶瓷原料中加入15～20%的煤矸石，不但降低燃料消耗，還可以改善造型性能、提高產(chǎn)品強度。

2.2.3 煤矸石制取化工產(chǎn)品

主要是利用煤矸石中的有效化學成分，通過一定的技術(shù)手段與設(shè)備，提取其中的有效組分，提取有用的化工產(chǎn)品。

2.2.3.1 制取堿式氯化鋁和水玻璃

據(jù)研究，可用煤矸石在同一工藝過程中，制取堿式氯化鋁(Al2(OH)nCl6-n))和水玻璃(Na2SiO3)。將煤矸石破碎、熔燒、酸溶和過濾，濾液中的氯化鋁經(jīng)加堿調(diào)整鹽基度就可得到合格的液態(tài)堿式氯化鋁。濾渣中的SiO2與加入NaOH的反應(yīng)，在1200C至1500C的溫度下，在反應(yīng)釜中反應(yīng)2～3h ，然后在貯存池中沉淀，濾去不溶物，濾液濃縮后便得到水玻璃。該工藝產(chǎn)生的殘渣含有大量活性物質(zhì)，還可用作建筑材料，如作為水泥配料，對于有些煤矸石原料，還可從殘渣中提取部分金屬元素。

2.2.3.2 制取聚合物氯化鋁

據(jù)報道，以煤矸石為原料，用酸溶法制取聚合氯化鋁技術(shù)已成熟，其工藝流程可分為破碎、焙燒、連續(xù)酸溶、濃縮結(jié)晶、沸騰分解和配水聚合等工序。生產(chǎn)過程中，酸溶產(chǎn)生的殘渣可用作水泥配料，或制成水玻璃和白炭黑等產(chǎn)品。

2.2.3.3 制取硫酸鋁

用煤矸石制取硫酸鋁的工藝比較簡單，主要工序是破碎、酸解、過濾提純、蒸發(fā)結(jié)晶和脫水烘干。其成品是十八水硫酸鋁(Al2(SO4)3.18H2O)。采用本工藝生產(chǎn)的硫酸鋁質(zhì)量符合中華人民共合國化工行業(yè)一級品標準(HG/T-92)。

2.2.3.4生產(chǎn)肥料

利用煤矸石生產(chǎn)復(fù)合肥料已取得突破性進展。如利用煤矸石制取氨水，產(chǎn)品除氫氧化銨外，還含有亞硫酸銨、碳酸銨和磷、鉀等，屬于復(fù)合肥料。具有速效和長效的特點，適用于各種農(nóng)作物的土壤。

3 通過對煤矸石的綜合循環(huán)利用，將會收到巨大的經(jīng)濟與社會效益

3.1 減少占地，治理復(fù)墾

在土地資源尤其是耕種土地日益緊張的今天，將堆置煤矸石的大片土地資源騰出來后，經(jīng)過土質(zhì)治理后，還田與農(nóng)，加上替代節(jié)省的土地資源，又將解決多少人的吃飯問題，周邊地區(qū)百姓的菜籃子、米袋子又將更加豐裕起來。

3.2 改變礦區(qū)景觀，減輕礦區(qū)及周邊地區(qū)的污染煤矸石綜合利用后，礦區(qū)的黑乎乎煤矸石山漸漸消失，取而代之的將是一片生命的綠色。

在我國礦區(qū)，有相當部分煤矸石山曾經(jīng)自燃過或正在自燃，產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵及熱量等，給礦區(qū)及周邊地區(qū)的大氣造成嚴重的污染，灰分的酸性物質(zhì)經(jīng)雨水淋濾溶滲入地下，污染水質(zhì)，嚴重威脅到礦區(qū)及周邊居民的健康與生命安全，通過煤矸石的綜合利用，這種威脅將大大改觀。

3.3 增加礦區(qū)新產(chǎn)業(yè)，帶動礦區(qū)經(jīng)濟二次騰飛

煤矸石的綜合利用，將在礦區(qū)形成新的產(chǎn)業(yè)鏈，會生產(chǎn)出更多的衍生產(chǎn)品，不但減輕了礦區(qū)的公害，而且會產(chǎn)生巨大的投入產(chǎn)出差，產(chǎn)生巨額的經(jīng)濟效益，無疑會給礦區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供了強勁的動力。

3.4 實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移及勞動再就業(yè)

目前，我國大部分地區(qū)的煤炭資源面臨枯竭的現(xiàn)實，到那時，從業(yè)人員無煤可采，面臨的將是失業(yè)的現(xiàn)實。但礦區(qū)的大量廢棄物煤矸石的綜合利用，可使單一煤炭開采向發(fā)展煤矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，及早的實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，不僅能使現(xiàn)有從業(yè)人員免除失業(yè)危機，而且煤矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)還將提供大量新的就業(yè)崗位，更符合當前的產(chǎn)業(yè)政策。

言而概之，煤矸石的綜合利用不僅是簡單廢物利用、變廢為寶，而且是新時代的要求，是利國利民、大有可為的事業(yè)。

參考文獻

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