煤矸石資源化利用研究

[摘要]文章在分析煤矸石來(lái)源的基礎(chǔ)上，指出煤矸石的危害，根據(jù)煤矸石的特點(diǎn)和理化性質(zhì)，論述煤矸石的資源化研究進(jìn)程，提出應(yīng)加強(qiáng)煤矸石的資源化利用，并將資源化利用與企業(yè)發(fā)展相結(jié)合、資源化利用與污染治理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益相統(tǒng)一的思路，為煤矸石的利用提供必要的技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞]煤矸石；資源化；利用

[作者簡(jiǎn)介]齊華鋒，許昌縣環(huán)境保護(hù)局，研究方向：環(huán)境規(guī)劃、評(píng)估與管理，河南許昌，461101

[中圖分類號(hào)]TD98 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1007-7723(2008)12-0010-0003

一、煤矸石的來(lái)源

煤矸石是煤炭開(kāi)采和洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物。當(dāng)前，我國(guó)年產(chǎn)原煤約10億t，排放的煤矸石超過(guò)1億t。歷年堆積的煤矸石已達(dá)約30億t，占用土地約1.1億m2，而且在逐年增加。目前，煤矸石是我國(guó)排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。所以對(duì)煤矸石的處理和綜合利用在國(guó)內(nèi)外頗受重視。

目前煤礦的矸石主要有以下幾個(gè)來(lái)源：一是從各類選煤廠排出的尾礦(俗稱洗矸)，灰分一般在60％～75％以上，發(fā)熱量較高，每年約有1000多萬(wàn)t；二是從井下開(kāi)采中排出的矸石，一般可達(dá)原煤產(chǎn)量的10％～20％，它包括回采工作面和掘進(jìn)工作面排出的矸石；三是露天礦剝離的矸石和礦井基建過(guò)程中前期排出的矸石，一般無(wú)發(fā)熱量，不列入煤矸石的范圍，這部分矸石的處理和利用也同樣應(yīng)引起重視。

二、煤矸石的危害

煤矸石的大量堆積，不僅占用了大量的土地和農(nóng)田，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境。

(一)侵占土地

煤矸石棄置不用，占用大片土地。煤礦經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，廢棄的煤矸石堆積如山。20世紀(jì)50年代以來(lái)，由于采掘機(jī)械化的發(fā)展和煤層開(kāi)采條件的逐漸惡化，煤礦排出的矸石大量增加。我國(guó)煤炭系統(tǒng)多年來(lái)積存下來(lái)的煤矸石達(dá)10億t以上，現(xiàn)在每年還要排放出近1億t，其中洗矸約1500多萬(wàn)t。據(jù)2002年資料，目前我國(guó)煤矸石積存約30億t，矸石山占用土地35萬(wàn)～40萬(wàn)hm2，且每年以0.2～0.5萬(wàn)hm2的速度遞增。壓占的土地不少是可耕種的農(nóng)田，這無(wú)疑加劇了我國(guó)人口多、可耕地短缺的緊張局面。

(二)造成大氣污染

大量長(zhǎng)期露天堆放的煤矸石遇風(fēng)飛揚(yáng)，使空氣中的降塵和總懸浮顆粒物的含量增高；煤矸石中所含的硫化物散發(fā)后，污染大氣；煤矸石中所含的黃鐵礦易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風(fēng)化以至自燃，釋放二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和煙塵等有害氣體污染大氣環(huán)境，使附近居民慢性氣管炎和氣喘病患者增多，周?chē)鷺?shù)木落葉，莊稼減產(chǎn)。

(三)造成河流及水源污染

煤矸石對(duì)水體的污染，按發(fā)生的原因分為兩種：一種是物理污染，另一種是化學(xué)污染。煤矸石中的硫化礦物與水和大氣可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是硫化礦物的氧化反應(yīng)。從煤矸石山滲流出的水是混合鹽類的溶液，產(chǎn)生的酸繼續(xù)與其他成分反應(yīng)生成各種硫酸鹽，被滲流水?dāng)y帶到地表水體中的酸實(shí)際上是酸性鹽的水解產(chǎn)物。如果矸石中含有較多的重金屬礦物，重金屬對(duì)水體產(chǎn)生毒性污染，其危害往往較重，但這類污染不具普遍意義。水體一旦遭污染，被污染的水就直接或間接地通過(guò)人體食物鏈毒害人體并危及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

三、煤矸石成分及性質(zhì)

(一)化學(xué)組成

煤矸石是在成煤過(guò)程中與煤伴生的含碳巖石，一般碳及有機(jī)揮發(fā)分約占20％，灰分約占80％?；曳只瘜W(xué)組成范圍見(jiàn)表1。此外還含有可觀的包括微量元素和稀有元素在內(nèi)的伴生元素。煤矸石的化學(xué)組成與巖石種類和礦物組成有關(guān)，其差異較大。

(二)理化性質(zhì)

煤矸石炭質(zhì)頁(yè)巖呈黑褐色，層狀結(jié)構(gòu)，油脂光澤，根據(jù)巖相分析，除較低含量的炭外，其主要礦物成分是伊利石、高嶺土等礦物，以及石英、云母、長(zhǎng)石及少量的碳酸鹽和硫鐵礦等，煤矸石能夠滿足鐵路路基填料要求。其物理及力學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表2：

四、煤矸石利用現(xiàn)狀

如何治理和綜合利用煤矸石，正越來(lái)越得到人們的重視。開(kāi)發(fā)利用煤矸石，不僅具有重大的環(huán)境意義和較好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，而且是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略之必須。根據(jù)煤矸石的熱值和物理性質(zhì)，常見(jiàn)的利用方式主要有：

(一)煤矸石發(fā)電

煤矸石的主要特點(diǎn)是灰分高(40％～70％)，發(fā)熱量低(3.7～6.2MJ／kg)，是一種低熱值燃料，可以充分利用其熱值進(jìn)行發(fā)電和采暖供熱，化害為利，提高資源利用率，緩解能源緊張局面，具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。由于一般鍋爐無(wú)法單獨(dú)將煤矸石作為燃料利用，可以將煤與矸石摻燒或采用流化床鍋爐燃燒。這樣，就擴(kuò)大了煤矸石的使用范圍。煤矸石燃燒后生成的灰渣，化學(xué)活性提高，亦可作為建材、化工及農(nóng)業(yè)原料加以利用。

(二)煤矸石制磚和水泥

利用與黏土成分相近的煤矸石燒制磚，可以做到燒磚不用或少用土，不用或少用煤，能夠大量節(jié)約土地，減少對(duì)環(huán)境破壞；煤矸石磚的質(zhì)量完全能滿足建筑行業(yè)要求，其強(qiáng)度、耐酸堿和抗凍性均優(yōu)于普通黏土磚。制磚煤矸石要求的一般指標(biāo)：Si02為55％～70％，A1203為15％～25％，F(xiàn)e203<5％，Ca0<2.5％，MgO<1％，s<1％；塑性指數(shù)為7～17，粒度<3 mm，收縮率<4％。在國(guó)家已禁止使用黏土燒磚情況下，煤矸石制磚的市場(chǎng)前景廣闊。

煤矸石可以全部或部分代替黏土，作為生產(chǎn)普通水泥熟料的黏土原料或作為鋁質(zhì)校正原料，為生產(chǎn)水泥提供所需的硅、鋁成分，同時(shí)煤矸石能釋放一定熱量，代替部分優(yōu)質(zhì)燃料。如果煤矸石中Al203含量高，還可用來(lái)代替黏土和部分礬土作為生產(chǎn)特種水泥的高鋁原料。特別是燃燒過(guò)的矸石，由于含有一定活性的硅鋁酸鹽，可用于制造彩色水泥并能提高水泥的標(biāo)號(hào)。

(三)煤矸石生產(chǎn)復(fù)合肥料

煤矸石微生物肥料依靠所含六種微生物的生命代謝活動(dòng)來(lái)完成固氮、解磷、解鉀，是一種含內(nèi)芯、外層、衣膜的兩層一膜式三維結(jié)構(gòu)的顆粒狀肥料，它通過(guò)仿生模擬方法有效地創(chuàng)造了一個(gè)類似豆科作物根瘤的微生物活動(dòng)微環(huán)境，使其施入土壤后不會(huì)受到土壤中龐大微生物系的影響。這種肥料的核心是生物固氮，通過(guò)固定進(jìn)入土壤間隙的分子態(tài)氮變成植物可以吸收的可溶性錢(qián)態(tài)氮來(lái)供給植物氮素營(yíng)養(yǎng)，并輔以生物解磷、解鉀提供給植物磷素、鉀素營(yíng)養(yǎng)?？茖W(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立起固氮、解磷、解鉀和煤矸石分解等各種微生物的共生機(jī)制，因采用多種獨(dú)特的方式提高微生物活性，保證了肥料中有效菌的生命代謝活動(dòng)。

經(jīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)部谷物品質(zhì)監(jiān)檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)：施用煤矸石復(fù)合微生物肥料的青椒、玉米、谷子分別要比施普通化肥的同類農(nóng)作物增產(chǎn)9.3％、0.4％和10.3％，VB1含量提高103.1％，粗纖維、硝酸鹽等含量則大為降低。煤矸石復(fù)合微生物肥料具有克服施用化肥導(dǎo)致的環(huán)境污染、肥效不長(zhǎng)、農(nóng)作物品質(zhì)下降等功效，具有無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染、廣譜、優(yōu)質(zhì)、高效等優(yōu)點(diǎn)。

(四)煤矸石工業(yè)填料

在橡膠、塑料建筑用防水涂料等有機(jī)物高分子化合物工業(yè)制品中，為了降低生產(chǎn)成本，改變產(chǎn)品性能，往往添加一些填料，如輕鈣、碳黑等。但物美價(jià)廉者不多，利用煤矸石生產(chǎn)的SAC硅鋁新型填料彌補(bǔ)了這一不足，具有資源豐富、成本低廉、補(bǔ)強(qiáng)效果好等優(yōu)點(diǎn)。

SAC填料是由含較高發(fā)熱量的煤矸石經(jīng)一定的物理化學(xué)處理后制成的黑灰色粉狀物料，其有效成分中二氧化硅可相當(dāng)白碳黑的作用f硅鋁酸鹽起到陶土的作用；有機(jī)化合物經(jīng)高溫處理后可變成類碳黑物質(zhì)；氧化鈣、氧化鎂可相當(dāng)無(wú)機(jī)促進(jìn)劑作用。SAC填料可取代橡膠制品中的輕鈣、陶土、白碳黑、碳黑等填充劑，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)墊帶、外胎油皮膠、膠鞋、膠輥。

煤矸石除了上述用途外，還有很多用途，如作溝谷、采煤塌陷區(qū)等低洼區(qū)的填筑材料；采用洗選的方法回收其中的精礦，可用作化工產(chǎn)品的原料、人行道地磚、下水管道等建筑材料、硅酸鋁耐火纖維系列產(chǎn)品的原料等。

五、結(jié)論及建議

第一，煤矸石綜合利用要堅(jiān)持“因地制宜，積極利用”的指導(dǎo)思想，實(shí)行“誰(shuí)排放、誰(shuí)治理”、“誰(shuí)利用、誰(shuí)受益”的原則。

第二，煤矸石資源化利用的當(dāng)務(wù)之急是根據(jù)市場(chǎng)需求，在對(duì)煤矸石組成和資源化應(yīng)用技術(shù)充分研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)真論證煤矸石資源化利用的可行性和有效途徑。對(duì)一些組成上缺乏開(kāi)發(fā)價(jià)值的煤矸石實(shí)施相應(yīng)的無(wú)害化處理。

第三，根據(jù)市場(chǎng)情況和煤矸石成分、礦物組成，結(jié)合地方優(yōu)勢(shì)選擇處理及資源化利用途徑。

第四，大力開(kāi)展煤矸石綜合利用可以增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，改善煤礦生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，分流煤礦富余人員，同時(shí)又可以減少土地壓占，改善環(huán)境質(zhì)量。因此，煤矸石綜合利用是一項(xiàng)長(zhǎng)期的技術(shù)政策。