煤矸石的開(kāi)發(fā)利用

柳長(zhǎng)宇

（呂梁學(xué)院離石師范分校，山西 呂梁 033000）

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工過(guò)程中產(chǎn)生的含碳巖石的統(tǒng)稱(chēng)，是煤礦在建井、掘進(jìn)采煤、洗煤過(guò)程中排放的工業(yè)廢渣。它是遠(yuǎn)古時(shí)期，在煤的形成過(guò)程中伴生的一種含碳量低、質(zhì)地堅(jiān)硬的黑灰色巖石。煤矸石可分為掘進(jìn)矸和洗矸兩大類(lèi)，其化學(xué)成分主要有SiO2、AlO3、Fe2O3以及一些其他氧化物和微量重金屬元素，其主要的礦物組成是高嶺石、石英、鉀云母、長(zhǎng)石等。目前，我國(guó)每年煤矸石的排放量約占煤炭開(kāi)采總量的10%~25%，而煤矸石堆放總量約為45億噸，并且還在以每年1.5億~2.0億噸的速度增長(zhǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆睢⑸a(chǎn)環(huán)境造成了極大危害。

一、煤矸石的危害

煤矸石是我國(guó)最多的固體廢棄物，約占中國(guó)工業(yè)固體廢物排放總量的40%以上，對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成多方面的影響。首先，土地資源污染。煤矸石的大量堆放，不僅侵占了大面積的土地，而且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)吹、日曬、雨淋，煤矸石會(huì)部分分化，其中一些金屬會(huì)形成可溶性鹽滲入土壤。與此同時(shí)，煤矸石中的硫化物遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使土壤逐漸酸化,破壞土壤肥力，導(dǎo)致土壤中毒而失去活性，不再適合綠色植物生長(zhǎng)。其次，水資源污染。煤矸石的淋溶水含有大量有毒的 Pb、Sn、Hg、As、Cr等重金屬鹽，經(jīng)地表徑流轉(zhuǎn)入江、河、湖或通過(guò)土壤進(jìn)入地下水，造成水體污染，影響人類(lèi)及動(dòng)植物健康。最后，空氣污染。煤矸石對(duì)大氣的污染可分為兩部分：一是粉塵，煤矸石在運(yùn)輸堆放過(guò)程中會(huì)形成細(xì)小的固體懸浮物；二是有毒有害氣體，煤矸石在堆放過(guò)程中，由于內(nèi)部溫度升高而發(fā)生自燃現(xiàn)象，釋放出 SO2、CO2、H2S、CO等有害氣體，在大氣中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成硫酸或硝酸氣溶膠，或?yàn)樵?、雨、雪、霧捕捉吸收，降到地面成為酸雨。

二、煤矸石的利用途徑

煤矸石是一種混合物，其中包含有大量的Fe、Al、C、Si等礦物質(zhì)。如果針對(duì)其元素組成和性質(zhì)分別進(jìn)行提煉，不僅可以解決煤矸石帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，還可以變廢為寶，解決目前資源不足的危機(jī)，達(dá)到充分利用資源的目的。

1.能源利用

首先，煤矸石中混有部分煤炭資源，通過(guò)洗選工藝，從中選出較好的煤和劣質(zhì)煤，針對(duì)不同性質(zhì)綜合利用。其次，利用煤矸石發(fā)電也是其綜合利用的主要途徑。對(duì)于熱值高于6270KJ/Kg的煤矸石直接用作循環(huán)流化床燃料發(fā)電，而對(duì)于熱值較低的煤矸石摻入一定量的中煤后，也可用于發(fā)電取暖?，F(xiàn)在國(guó)際上已有許多將電廠和選煤廠建在一起的先例，不僅節(jié)省了能源成本，而且提高了資源利用率。最后，煤矸石還可以制取煤氣、水煤氣和高溫干餾煤氣，作為燃料供企業(yè)使用。

2.硅酸鹽建筑材料

煤矸石中含有大量的硅酸鹽化合物，與黏土在化學(xué)組成和性質(zhì)上非常相似，因此，可代替黏土生產(chǎn)水泥、空心磚、輕骨料等建筑材料。

第一，生產(chǎn)水泥。將燃燒后的煤矸石，按一定比例混入石灰、石膏，研磨粉碎，經(jīng)過(guò)不同的工藝可生產(chǎn)普通水泥、火山灰質(zhì)水泥與特種水泥等。

第二，生產(chǎn)輕骨料。輕骨料是一種密度小的建筑材料，用于高層樓房的建設(shè)可使建筑物自身重量減輕20%。煤矸石制輕骨料是先將矸石加水研磨成球，用燒結(jié)機(jī)或回轉(zhuǎn)窯焙燒，使矸石膨脹、冷卻而成。

第三，煤矸石燒結(jié)磚。煤矸石燒結(jié)磚是以煤矸石為結(jié)合劑的燒結(jié)磚工藝所生產(chǎn)的建筑材料。煤矸石中含有和黏土性質(zhì)相似的材料，可以用作燒制空心磚的原料。在燒制過(guò)程中，又可利用其可燃性，節(jié)約煤的用量，降低成本。

3.提煉化工產(chǎn)品

利用煤矸石中含有Al、Fe、Si等礦物質(zhì)，通過(guò)不同的方法，可以提煉回收各種化工產(chǎn)品原料。

第一，回收黃鐵礦。洗選煤矸石的工藝中，在平面搖床流程中回收黃鐵礦，用于煉鐵煉鋼原料。

第二，制備鋁鹽。煤矸石中鋁的含量約為20%左右，可用作制取鋁鹽的原料。例如，用鹽酸浸取制得結(jié)晶氯化鋁，采用直流礦熱爐冶煉硅鋁鐵合金，還可以生產(chǎn)明礬、氫氧化鋁等鋁鹽產(chǎn)品。

第三，制備復(fù)合材料。利用煤矸石中的SiO2、Al2O3和C，可以制備出一種具有吸附作用的復(fù)合材料。該材料具有孔狀結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)還具備沸石的親水特性和活性炭的親油特性，可用于吸附、除臭、分離氣體，凈化污水等工業(yè)。

除此之外，煤矸石還可以制水玻璃，生產(chǎn)硫酸及其鹽、炭黑、超細(xì)料、多相材料、多孔陶瓷、吸聲泡沫玻璃、橡膠增強(qiáng)填充劑等產(chǎn)品。

4.用作填充材料

煤矸石可用于采空區(qū)回填，采用矸石不出井的工藝方法，減少煤矸石排放量，防止地面下沉。煤矸石還可以用作路基材料，利用其物理、化學(xué)特性，和其他材料混合后，可用于路基建設(shè)。在采煤地區(qū),應(yīng)充分利用煤矸石筑路,既可減少筑路取土用地對(duì)土地資源的破壞,降低工程造價(jià),又可復(fù)墾部分煤矸石占地,同時(shí)也減少了環(huán)境污染,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)綜合效益顯著。

5.農(nóng)業(yè)作用

在煤矸石中含有較多N、P，以及B、Zn等多種微量元素，這些物質(zhì)都是植物生長(zhǎng)所必需的。利用煤矸石和磷礦粉為原料基質(zhì)，外加添加劑等可生產(chǎn)有機(jī)肥、微生物肥等等。另外，利用煤矸石可以改良鹽堿地，通過(guò)煤矸石中的各種酸性物質(zhì)可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度，增加土壤疏松度和透氣性，提高土壤含水率，促進(jìn)土壤中各類(lèi)細(xì)菌新陳代謝，豐富土壤腐殖質(zhì)，使土地得到肥化，達(dá)到改良土壤、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的。

6.制備相變材料

相變材料是利用某些物質(zhì)在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的吸熱和放熱現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控的一類(lèi)材料。被被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能供暖、建筑領(lǐng)域、紡織服裝、工業(yè)加熱系統(tǒng)等方面。將煤矸石溶于H2SO4、HCl等強(qiáng)酸和氫氧化鈉試劑,改變反應(yīng)體系的溫度、酸堿的濃度、原料的配比,通過(guò)熱解、堿熔、溶解、沉淀和萃取等主要步驟,制備儲(chǔ)能相變材料。

隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，能源危機(jī)、環(huán)境污染等矛盾日益突出。煤作為我國(guó)的主要能源，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可估量的作用，但其生產(chǎn)加工過(guò)程中所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也不容忽視，其中，煤矸石的綜合利用就是迫在眉睫的問(wèn)題之一。因此，應(yīng)通過(guò)多種途徑大力開(kāi)發(fā)煤矸石，并不斷提高其利用水平，使煤矸石在化工、建材、冶金等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

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