煤矸石綜合利用的技術(shù)研究

姜珊珊，王佳琪，劉美榮

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，每年的排放量相當(dāng)于當(dāng)年10%左右的煤炭產(chǎn)量，到目前為止，已累計(jì)堆存煤矸石30多億t，占地面積約1.2萬hm2，是我國(guó)目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。長(zhǎng)期堆存煤矸石占用了大量土地，有極大的可能造成自燃，進(jìn)而污染大氣和地下水。

煤矸石是一種可再利用的資源，是綜合利用煤炭資源的重要組成部分。但我國(guó)綜合利用煤矸石的整體技術(shù)裝備水平還比較落后、技術(shù)含量不高、發(fā)展綜合利用方面各地也很不平衡，大力開展煤矸石的綜合利用可以減少土地浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)對(duì)于增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和改善煤礦的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也有很積極的影響。因此，本文從幾個(gè)方面對(duì)煤矸石的綜合利用進(jìn)行了探討。

1 我國(guó)煤矸石污染現(xiàn)狀

由于高速發(fā)展的開采機(jī)械化和逐漸惡化的煤層開采條件，我國(guó)的煤礦每年至少排放1.5億t煤矸石，其利用率大概為38.5%，累計(jì)積存量已達(dá)10億t以上。其中，露天剝離以及井筒和巷道掘進(jìn)過程中開鑿排出的矸石大約占45%，煤層中含有或削下部分煤層底板產(chǎn)生的矸石約占35%，煤炭洗選過程中排出的矸石約為20%，含有一定碳（20%以下）和硫，SiO2和Al2O3含量也很高。

各地煤礦矸石的大量堆存侵占了大片耕地、林地、居民生活用地和工礦用地，破壞了周圍的地質(zhì)地貌景觀。矸石堆單體過大，形成矸石山，已引發(fā)了多起渣石流、自燃和坍塌事故。浸溶試驗(yàn)結(jié)果表明，矸石淋濾液中 SO42-、F-、Mo、Se、總硬度、pH 等成分或指標(biāo)偏高，甚至超過《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—88）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，局部地區(qū)已對(duì)水環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重污染。

2 煤矸石綜合利用方法

煤矸石綜合利用原則有以下幾點(diǎn)：以大量利用為重點(diǎn)，以煤矸石發(fā)電、復(fù)墾回填塌陷區(qū)、建材制品和煤矸石無害化處理等利用技術(shù)作為主攻方向，發(fā)展高附加值、高技術(shù)含量的煤矸石綜合利用技術(shù)和產(chǎn)品。對(duì)煤矸石資源化利用的評(píng)價(jià)工作要進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)煤矸石的類型、分布、積存量和特性等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究和深入的分析，逐步建立起關(guān)于煤矸石各方面資料的數(shù)據(jù)庫(kù)，為煤矸石的合理有效利用提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)資料。要根據(jù)各類煤矸石不同的礦物特性和理化性質(zhì)確定合理有效的綜合利用途徑。

2.1 煤矸石用做燃料發(fā)電

煤矸石含有一定數(shù)量的固定炭和揮發(fā)成分，一般燒失量在10%～30%，發(fā)熱量可達(dá)4.19～12.6 MJ·kg-1，所以煤矸石可以用來代替燃料。目前，采用煤矸石作燃料的工業(yè)生產(chǎn)主要有以下幾個(gè)方面：①化鐵；②燒鍋爐；③燒石灰；④回收煤炭；⑤利用煤石造氣－煤氣。

煤矸石發(fā)電應(yīng)向大型循環(huán)流化床燃燒技術(shù)方向發(fā)展，逐步改造現(xiàn)有的煤矸石電廠，提高燃燒效率和綜合利用率，實(shí)現(xiàn)污染物達(dá)標(biāo)排放。利用煤矸石、煤矸石與煤泥、煤矸石與焦?fàn)t煤氣、礦井瓦斯等低熱值燃料進(jìn)行單獨(dú)或混合發(fā)電，推廣爐內(nèi)石灰脫硫和靜電除塵技術(shù)。對(duì)燃用高硫煤矸石的電廠，必須采取脫硫措施實(shí)現(xiàn)二氧化硫、煤塵等污染物的達(dá)標(biāo)排放，對(duì)灰渣要進(jìn)行綜合利用，不應(yīng)造成二次污染。

2.2 煤矸石生產(chǎn)建筑材料及制品

在用于生產(chǎn)建材及制品方面，以發(fā)展高摻量煤矸石燒結(jié)制品為主，積極發(fā)展煤矸石承重、非承重?zé)Y(jié)空心磚、輕骨料等新型建材，逐步替代黏土；鼓勵(lì)煤矸石建材及制品向多功能、多品種、高檔次方向發(fā)展。生產(chǎn)前，應(yīng)對(duì)所用煤矸石的化學(xué)成分、礦物成分、發(fā)熱量、物理性能等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并做小試；如原料成分復(fù)雜、波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行半工業(yè)性試驗(yàn)。

2.2.1 煤矸石制燒結(jié)磚

用煤矸石替代部分或全部黏土用適當(dāng)工藝燒制而成。質(zhì)量較好，顏色均勻，抗凍、耐火、耐酸、耐堿性較好。煤矸石磚生產(chǎn)以燒結(jié)磚為主，重點(diǎn)推廣全煤矸石承重多孔磚和非承重空心磚；利用磚窯余熱干燥磚坯，推廣有余熱利用系統(tǒng)的節(jié)能型輪窯和隧道窯；積極發(fā)展硬塑、半硬塑成型和隧道窯干燥與焙燒連續(xù)作業(yè)的全內(nèi)燃一次碼燒工藝，提高機(jī)械化和半自動(dòng)化水平，完善開發(fā)高質(zhì)量的外承重裝飾磚和廣場(chǎng)、道路磚。

2.2.2 煤矸石生產(chǎn)微孔吸音磚

將破碎后的煤矸石、曬干的鋸木、白云石和半水石膏混合送入硫酸溶液中混合攪拌,白云石（碳酸鹽礦物）與硫酸反應(yīng)發(fā)泡,使混合料膨脹，然后澆注入模，經(jīng)干燥、焙燒而制成。產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、吸音效果好的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)煤矸石的礦物組成，還可作為硅質(zhì)原料或鋁質(zhì)原料，應(yīng)用于許多燒結(jié)陶(瓷)類建材產(chǎn)品的生產(chǎn)，并充分利用其所含的發(fā)熱量。在建筑陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷等陶瓷制品生產(chǎn)中，采用以煤矸石為部分原料替代材料的生產(chǎn)技術(shù)。

2.2.3 煤矸石制水泥

以煤矸石為原料，利用其二氧化硅、三氧化二鋁含量高的特點(diǎn)來部分或全部代替黏土配料，使用過火矸等作水泥混合材技術(shù)，燒制各種硅酸鹽水泥熟料：①生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥——礦物組成與黏土類似；②生產(chǎn)少熟料水泥－67%自然煤矸石＋30%水泥熟料＋3%石膏，不煅燒；③生產(chǎn)無熟料水泥－60%~80%煤矸石+15%~25%生石灰+3%~8%石膏，不煅燒用于做水泥混合材的煤矸石應(yīng)符合有關(guān)水泥混合材的標(biāo)準(zhǔn)，水泥應(yīng)符合有關(guān)水泥產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 煤矸石回填礦井采空區(qū)技術(shù)

煤矸石充填礦井，采用煤矸石不出井的采煤生產(chǎn)工藝，充填采空區(qū)，減少矸石排放量和地表下沉量。在道路等工程建設(shè)中，以煤矸石代替黏土作基材技術(shù)，凡有條件利用的，必須摻用一定量的煤矸石，完善利用煤矸石棄填廢棄礦井技術(shù)。

2.4 煤矸石改良土壤

煤矸石含有一定的有機(jī)質(zhì)以及多種植物所需的Zn、Cu、Mn等微量元素。某些煤矸石中N、P、K和微量元素的含量是普通土壤的數(shù)倍，經(jīng)過加工可生產(chǎn)有機(jī)肥和微生物肥料。

煤矸石有機(jī)肥一般用化學(xué)活化法制成，將有機(jī)質(zhì)含量較高的煤矸石破碎成粉末后與過磷酸鈣按一定比例混合，然后加入適量的活化劑，充分?jǐn)嚢?，再加入適量水，堆漚活化制成。煤矸石有機(jī)肥料可增加土壤的疏松性、透氣性，改善土壤的結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，從而達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

2.5 煤矸石生產(chǎn)化工產(chǎn)品

一些煤矸石還可用來生產(chǎn)化學(xué)肥料及多種化工產(chǎn)品，如結(jié)晶三氧化鋁、固體聚合鋁、水玻璃以及化學(xué)肥料氨水和硫酸銨等。以下幾種可大規(guī)模用于工業(yè)化生產(chǎn)：①結(jié)晶氯化鋁——利用氧化鋁；②生產(chǎn)固體聚合鋁——利用氧化鋁；③用煤矸石制氨水——利用有機(jī)氮；④生產(chǎn)硫酸銨——利用硫化鐵。

3 結(jié)論

在對(duì)煤矸石進(jìn)行綜合利用時(shí)，要充分考慮各類煤矸石的特點(diǎn)，以便選擇利用價(jià)值大、對(duì)環(huán)境造成的二次污染盡可能小的技術(shù)。煤矸石的綜合利用以鞏固、推廣為主，完善、開發(fā)并舉。鞏固現(xiàn)有的技術(shù)成果，推廣工藝成熟、經(jīng)濟(jì)合理、有市場(chǎng)前景的技術(shù)，研究開發(fā)新工藝。積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和裝備，在消化吸收的基礎(chǔ)上繼續(xù)創(chuàng)新，不斷提高我國(guó)煤矸石綜合利用的技術(shù)和裝備水平，促進(jìn)煤矸石的擴(kuò)大利用，在減少環(huán)境污染的同時(shí)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

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