我國(guó)煤矸石固體廢棄物在建筑與環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的資源化利用

鄧穎蘭，魏愷頡，趙迪斐，董云，顧東清

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)人工智能研究院，江蘇 徐州 221000；4.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；5.江蘇省能源研究會(huì)， 南京 21009)

煤矸石是煤礦生產(chǎn)在挖掘、開(kāi)采和清洗處理過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)的混合物，具有低發(fā)熱值的特點(diǎn)，造成其在深度利用上存在劣勢(shì)[1]。煤矸石固廢在巖性上包含煤質(zhì)、泥頁(yè)巖和粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖等類型，按照主要礦物含量，煤矸石固廢可以進(jìn)一步劃分為黏土巖類、砂石巖類、碳酸鹽類和鋁質(zhì)巖類等，它的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3和C等，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O3、K2O、SO3和部分Ti、Co等微量稀有元素[2-3]。煤炭作為我國(guó)的主要能源，即便在碳中和和碳減排的背景下，仍然將作為我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)的壓艙石保持發(fā)展，僅2020年，中國(guó)煤炭產(chǎn)量達(dá)到了38.4億t，排名世界第六，進(jìn)口量約為3.04億t ，位居全球第一[4-5]。煤矸石約占煤炭整體比例的10%～15%，煤炭資源的利用隨之帶來(lái)煤矸石廢棄物占用大量土地堆放的問(wèn)題，并因元素淋濾等造成對(duì)自然環(huán)境的危害，引發(fā)了部分煤炭資源產(chǎn)區(qū)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6]。煤矸石的堆放也潛藏自燃引起火災(zāi)和雨季易發(fā)生崩塌滑坡等安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，其含有的硫化物和重金屬等逸出或浸出將會(huì)對(duì)大氣、土壤和水體造成不可逆轉(zhuǎn)的污染[7-8]。因此，對(duì)煤矸石廢棄物的固廢利用引起越來(lái)越多的關(guān)注，本文綜合討論煤矸石資源利用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，并重點(diǎn)分析其在裝配式建筑快速成型技術(shù)等建筑與環(huán)境修復(fù)前沿領(lǐng)域的資源化利用前景。

1 我國(guó)煤矸石資源化利用現(xiàn)狀

截至目前，我國(guó)煤矸石保有存量約為45億t，主要分布在山西、陜西和黑龍江等重要煤炭資源開(kāi)發(fā)利用地區(qū)，形成的煤矸石山約有2 600余座，資料顯示，僅煤矸石一項(xiàng)，山西存量達(dá)到10億t，據(jù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境部公布數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)工業(yè)煤矸石年產(chǎn)量達(dá)3.3億t，綜合利用率為54.5%，綜合利用量約為1.8億t[9]。我國(guó)煤矸石主要由煤炭開(kāi)采利用以及洗選業(yè)產(chǎn)生，在當(dāng)前資源循環(huán)利用快速發(fā)展的背景下，煤矸石的利用率不斷提高。

從煤矸石的資源化利用來(lái)看，煤矸石發(fā)電、化工產(chǎn)品制備、建筑材料化利用、農(nóng)業(yè)環(huán)境及其他工業(yè)應(yīng)用是煤矸石的主要利用方式，近年來(lái)，涌現(xiàn)了一系列煤矸石資源化利用的新技術(shù)、新方法，在建筑材料化利用以及化工利用方面尤為顯著[10]。煤矸石內(nèi)平均含有20%到30%的碳，可用于燃燒發(fā)電。目前，利用沸騰爐燃燒洗中煤和洗矸的混合物發(fā)電技術(shù)，發(fā)熱量每千克可達(dá)約8 372 kJ。一般認(rèn)為，發(fā)熱量大于6 272 kJ/kg的煤矸石可直接用作鍋爐的燃料，發(fā)熱量在4 181～6 272 kJ/kg的煤矸石則需要混雜一定比例發(fā)熱量較高的煤泥、中煤等才能進(jìn)入鍋爐，充分燃燒后產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)至少有1.4億t/a的煤矸石被用于發(fā)電，其效果相當(dāng)于節(jié)約3 800萬(wàn)t/a標(biāo)準(zhǔn)煤，煤矸石發(fā)電技術(shù)逐漸在完善，已取得較大的進(jìn)步。但是煤矸石發(fā)熱量低、灰分高、硬度大，會(huì)嚴(yán)重磨損鍋爐，造成鍋爐停機(jī)等問(wèn)題，煤矸石發(fā)電技術(shù)仍然需要進(jìn)一步深入研究。煤矸石中含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等多種化合物，利用煤矸石中富含的鋁元素，可將其制成氯化鋁、氫氧化鋁、硫酸鋁等化工原料。將這些元素通過(guò)化學(xué)手段合理的進(jìn)行有效提取和利用，變廢為寶，減緩其環(huán)境危害的同時(shí)，將極大提高煤矸石的利用價(jià)值[11]。煤矸石中含有的微量元素如Zn、Cu和B等，可以用于制作植物所需的肥料，將煤矸石用于土地復(fù)墾，作為土壤改良劑、生物肥料載體、復(fù)合肥料配料和吸附劑等，可有效改良土壤質(zhì)量。煤矸石中含有多種農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的微生物肥料成分，為開(kāi)辟煤矸石的綜合利用新途徑，我國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)研究以煤矸石為基質(zhì)的生物肥料生產(chǎn)菌種，并達(dá)到較好預(yù)期效果，產(chǎn)出肥料具有無(wú)毒、無(wú)害、優(yōu)質(zhì)和高效等優(yōu)點(diǎn)。

煤矸石中含有豐富的SiO2、Al2O3、 Fe2O3和CaO，是天然的黏土質(zhì)原料，可以代替黏土配料燒制普通硅酸鹽水泥、特種水泥和無(wú)熟料水泥等建筑材料。此外，煤矸石還可以用作燒結(jié)制磚、生產(chǎn)混凝土的輕骨料和生產(chǎn)制造煤矸石微晶玻璃等。煤矸石代替黏土生產(chǎn)水泥，煤矸石和黏土的化學(xué)成分相近并能釋放一定的熱量，用其代替部分或全部黏土生產(chǎn)普通水泥能提高熟料質(zhì)量，其生產(chǎn)工藝相似，但需對(duì)煤矸石進(jìn)行脫硫處理，避免煤中的硫所帶來(lái)的污染。用煤矸石燒磚可以利用煤矸石自身的發(fā)熱量降低能耗，但是煤矸石中含油雜質(zhì)及放射性材料也需要考慮，產(chǎn)品總體成本偏高；用煤矸石做輕骨料其碳含量不能過(guò)大，以10%以下為宜；用煤矸石生產(chǎn)空心砌塊，以煤矸石作為主要原料，配合一定比例生石灰和石膏做膠粘劑，攪拌成型，對(duì)于建筑材料的運(yùn)用大有前景。

2 煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)資源化利用前沿技術(shù)

2.1 采空/塌陷區(qū)回填、筑基修路、土地復(fù)墾新型材料

采用煤矸石回填采空區(qū)，既避免了露天堆放的煤矸石粉塵對(duì)自然環(huán)境的破壞，又能減輕采空區(qū)地表的沉陷，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。從經(jīng)濟(jì)上考慮，就近回填處理可以減去運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程，減少生產(chǎn)成本，還具有保護(hù)生態(tài)環(huán)境的社會(huì)效益，在采空/塌陷區(qū)回填、筑基修路和土地復(fù)墾等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用意義。2021年以來(lái)，國(guó)家高度重視固體廢棄物的治理利用問(wèn)題，尤其是作為新材料在采空/塌陷區(qū)回填等領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳出臺(tái)了《關(guān)于開(kāi)展大宗固體廢棄物綜合利用示范的通知》，明確了以煤矸石、粉煤灰和尾礦(共伴生礦)等為主的大宗固體廢棄物綜合利用示范基地建設(shè)方向。

2.2 建筑裝飾新材料及裝配式建筑快速成型技術(shù)

Si、Al含量較高的煤矸石可作為原料用于生產(chǎn)建筑、裝飾材料以及鋁硅酸鹽聚合凝膠材料，具體應(yīng)用有煤矸石燒結(jié)磚、新型水泥、輕質(zhì)骨料和混凝土砌塊等。煤矸石是國(guó)內(nèi)新型墻體材料制作的常見(jiàn)工業(yè)固體廢棄物，以工業(yè)固廢資源化利用制造的新型墻體材料具有較高的生態(tài)效率。煤矸石現(xiàn)可用于一些綠色高性能混凝土的制作，可將煤矸石摻入原料作為集料用于生產(chǎn)。此外，煤矸石還可用于替代部分自然資源原料生產(chǎn)硫鋁酸鹽膠凝材料，全固廢制備硫鋁酸鹽基3D打印膠凝建筑材料應(yīng)用到建筑快速成型技術(shù)是與綠色建筑理念相吻合的。裝配式建筑在許多特定領(lǐng)域有適應(yīng)性極好的應(yīng)用場(chǎng)景，例如我國(guó)大量的村鎮(zhèn)住房改建，針對(duì)其所存在的安全度低、節(jié)能率低、建筑效率低和建筑材料成本相對(duì)較高等問(wèn)題，結(jié)合煤矸石建筑裝飾新材料以及裝配式建筑快速成型的新技術(shù)體系具有很好的應(yīng)用前景，尤其是針對(duì)我國(guó)采礦地區(qū)的村鎮(zhèn)住房改建，煤矸石建筑裝飾新材料以及裝配式建筑快速成型的新技術(shù)體系具有重要的應(yīng)用價(jià)值和潛力，對(duì)于采礦區(qū)環(huán)境問(wèn)題改善和人居環(huán)境改善可以起到積極作用。

2.3 煤矸石(混合)內(nèi)能燃燒應(yīng)用

含硫煤矸石在自然條件下容易發(fā)生自燃，利用煤矸石中的內(nèi)能是煤矸石充分利用的一個(gè)重要類型。高熱值煤矸石可以直接用于熱能利用，低熱值煤矸石在可控陰燃或作為混合利用等技術(shù)條件下，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)能的提取[12]，或針對(duì)煤矸石進(jìn)行洗選回收可燃組分用于發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程；但煤矸石作為內(nèi)能燃料還存在內(nèi)能提取殘余物處理的問(wèn)題，煤矸石內(nèi)能提取殘余物可以用于建筑材料、回填材料等。我國(guó)早期以沸騰爐煤矸石燃燒利用為主，但存在顯著的能耗大等問(wèn)題，循環(huán)流化床鍋爐等技術(shù)的應(yīng)用可以更好適應(yīng)低熱值燃料的燃燒發(fā)電，同時(shí)，對(duì)于燃燒廢棄物的處理技術(shù)也逐漸成熟，煤矸石(混合)內(nèi)能燃燒應(yīng)用可以有效解決煤矸石堆放自燃造成的環(huán)境污染及碳排放問(wèn)題，其內(nèi)能提取殘余物也可以作為建筑材料應(yīng)用和環(huán)境化工應(yīng)用的部分原材料。

2.4 以煤矸石為原料的建筑及環(huán)境化工應(yīng)用

對(duì)于以煤矸石為原料的化工利用起步較早，近年來(lái)發(fā)展速度也較快，如以廉價(jià)煤矸石為原料制備分子篩及其它復(fù)合吸附材料、提取煤矸石中稀有元素(B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等)制備肥料、提取煤矸石有價(jià)值元素制備化工產(chǎn)品等利用方向?；だ檬敲喉肥瘜?shí)現(xiàn)高附加值和規(guī)模化利用的主要發(fā)展方向，這些化工利用方向中，許多產(chǎn)品類型本身即可以用于建筑行業(yè)或開(kāi)展環(huán)境治理，如用于廢水處理的聚合硅酸鐵鋁硫酸鹽(PFASS)和無(wú)機(jī)高分子水處理混凝劑等。

3 煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

3.1 煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)利用現(xiàn)狀

近年來(lái)，基于煤矸石利用技術(shù)的治理體系已經(jīng)初步形成，不同地區(qū)、不同運(yùn)營(yíng)主體采用了不同的技術(shù)方案和利用方式，大大提高了我國(guó)煤矸石固廢的利用效率和經(jīng)濟(jì)性，顯著降低了對(duì)環(huán)境的不利影響，并形成了在建筑行業(yè)以及環(huán)境領(lǐng)域的兩大重點(diǎn)利用方向。在建筑領(lǐng)域，以煤矸石作為建筑材料的案例不斷豐富，已經(jīng)成為領(lǐng)域內(nèi)重要的原材料來(lái)源類型，但所占比例仍然不高，且利用方式相對(duì)單一，經(jīng)濟(jì)效益有限，煤矸石固廢資源化利用的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)入瓶頸階段。在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，得益于煤矸石固廢資源化利用近年來(lái)的迅速發(fā)展，煤矸石本身由于堆放和淋濾等導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題得到了較好的治理，以煤矸石作為原料的環(huán)境化工應(yīng)用發(fā)展較快，產(chǎn)品類型日益豐富，逐漸成為采煤區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略背景下，煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)資源化利用迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，但也需要克服這個(gè)新領(lǐng)域的一系列存在問(wèn)題。

3.2 煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)資源化利用存在問(wèn)題

目前，我國(guó)在煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)資源化利用領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但也存在很多需要進(jìn)一步解決的典型問(wèn)題，既包括技術(shù)發(fā)展程度、產(chǎn)業(yè)層次等需要從技術(shù)角度解決的問(wèn)題，也包含管理、發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)性等需要從制度角度推動(dòng)的問(wèn)題。

(1)煤矸石在建筑與環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域利用總體技術(shù)水平不高，產(chǎn)業(yè)層次低。主要表現(xiàn)為技術(shù)裝備落后，對(duì)環(huán)境造成影響，利潤(rùn)空間少，企業(yè)規(guī)模小，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力弱。一些高技術(shù)含量的煤矸石利用還沒(méi)有真正落地，產(chǎn)業(yè)鏈不完善，并且煤矸石的經(jīng)濟(jì)效益不能保證，在資金籌措和現(xiàn)金流上也存在問(wèn)題，新的融資渠道還沒(méi)有形成，企業(yè)資金籌措困難，給煤矸石擴(kuò)大再利用帶來(lái)不便。

(2)在煤矸石利用管理過(guò)程中依然存在很多的環(huán)境影響問(wèn)題亟待解決。由于大量廢棄的煤矸石堆積，是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，長(zhǎng)時(shí)間堆放，不僅對(duì)環(huán)境造成污染，還有因堆放造成所需土地面積會(huì)越來(lái)越大，尤其是對(duì)耕種影響最大；而且因煤矸石低燃點(diǎn)，容易發(fā)生自燃，從而引發(fā)更大的危險(xiǎn)災(zāi)害；其次，煤矸石可以通過(guò)水的淋溶、浸泡，對(duì)周圍水體環(huán)境產(chǎn)生影響，如果按正常情況下大氣降水呈酸性，酸性條件下淋溶析出的重金屬含量超過(guò)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，而且，堿性條件下除Cu、Zn、As外也超過(guò)地面水環(huán)境Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

(3)煤矸石利用存在地區(qū)發(fā)展不平衡、管理制度不規(guī)范明確的弊端。對(duì)于能源緊缺的地區(qū)，如東部地區(qū)和西南部地區(qū)，煤矸石的利用率比較高，技術(shù)發(fā)展較快，而在煤炭資源豐富的地區(qū)如山西、陜西和東北，煤矸石產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)之后。目前，煤矸石電廠和一些煤矸石建材企業(yè)大多不是獨(dú)立單位，很難依靠煤矸石作為單一經(jīng)濟(jì)來(lái)源，煤矸石往往都是以輔助的角色出現(xiàn)，其運(yùn)轉(zhuǎn)還不能適應(yīng)市場(chǎng)需求，也需要時(shí)間驗(yàn)證。

(4)煤矸石無(wú)害化向資源化利用轉(zhuǎn)變過(guò)程中的盈利能力問(wèn)題需要持續(xù)改善。隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，煤矸石的合理治理和有效利用也逐漸得到關(guān)注，但煤矸石利用企業(yè)的盈利能力一直存在問(wèn)題。傳統(tǒng)上煤矸石的利用大多在發(fā)電、化工產(chǎn)品制備、建筑材料和農(nóng)業(yè)肥料等行業(yè)進(jìn)行，近年在建筑材料化利用以及化工利用方面涌現(xiàn)了一系列煤矸石資源化利用的新技術(shù)、新方法，有效提高了煤矸石的利用率及經(jīng)濟(jì)附加值，值得關(guān)注，是實(shí)現(xiàn)煤矸石無(wú)害化向資源化利用轉(zhuǎn)變過(guò)程中盈利性質(zhì)轉(zhuǎn)換的重要潛力方向。

3.3 建筑與環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域煤矸石固廢資源化利用對(duì)策

基于對(duì)煤矸石固廢在建筑與環(huán)境修復(fù)利用領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問(wèn)題的系統(tǒng)梳理和分析，表明目前我國(guó)建筑與環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域煤矸石固廢資源化利用研發(fā)、應(yīng)用轉(zhuǎn)化速度不斷加快，但如何實(shí)現(xiàn)從煤矸石固廢的“無(wú)害化”利用向“資源化”利用轉(zhuǎn)型，仍然是領(lǐng)域關(guān)鍵痛點(diǎn)。從目前的利用方式來(lái)看，資源利用效率仍然相對(duì)低下，高附加值利用方式相對(duì)較少，以建筑或環(huán)境修復(fù)原料或簡(jiǎn)單加工產(chǎn)品為主要形式的利用方式，決定了煤矸石固廢在跨區(qū)域應(yīng)用、高效高附加應(yīng)用上存在短板。從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、政策和發(fā)展戰(zhàn)略等角度看，我國(guó)建筑與環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域煤矸石固廢資源化顯然存在顯著發(fā)展?jié)摿Γ涸诩夹g(shù)上，大力發(fā)展深度利用、高附加值和環(huán)境友好固廢利用技術(shù)，加速匹配煤矸石固廢與裝配式建筑快速成型技術(shù)等建筑、環(huán)境修復(fù)行業(yè)技術(shù)的融合，強(qiáng)化煤矸石無(wú)害化處理技術(shù)的低成本發(fā)展，從根源促進(jìn)煤矸石固廢從“無(wú)害化”利用向“資源化”利用轉(zhuǎn)型；在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上，促進(jìn)高技術(shù)煤矸石固廢利用技術(shù)落地，完善煤矸石固廢資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈，擴(kuò)大煤矸石固廢利用領(lǐng)域的融資渠道，打通上下游產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)跨區(qū)域、跨行業(yè)資源匹配與協(xié)同發(fā)展；在政策上，配合國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，制定完善兼具環(huán)境意義與經(jīng)濟(jì)性的煤矸石固廢產(chǎn)業(yè)優(yōu)化扶持政策，建成完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與管理政策，促進(jìn)行業(yè)規(guī)范發(fā)展；在發(fā)展戰(zhàn)略上，進(jìn)一步統(tǒng)合資源，縮小區(qū)域間產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展差異，促進(jìn)大規(guī)模、集成化的資源化利用，加速產(chǎn)業(yè)集聚。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)煤矸石固廢資源化利用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，初步實(shí)現(xiàn)了從固體廢棄物向環(huán)境治理對(duì)象再向資源利用的目標(biāo)轉(zhuǎn)換，形成了建筑行業(yè)以及環(huán)境領(lǐng)域的兩大重點(diǎn)利用方向，形成了采空/塌陷區(qū)回填、筑基修路、土地復(fù)墾新型材料、建筑裝飾新材料、煤矸石(混合)內(nèi)能燃燒應(yīng)用、建筑/環(huán)境化工應(yīng)用等前沿技術(shù)方向，但也產(chǎn)生了總體技術(shù)水平不高，產(chǎn)業(yè)層次低，利用管理過(guò)程中存在環(huán)境影響問(wèn)題、地區(qū)發(fā)展不平衡、管理制度不規(guī)范明確、盈利能力問(wèn)題需要持續(xù)改善等痛點(diǎn)，亟待進(jìn)一步發(fā)展。深度利用、高附加值和環(huán)境友好的固廢利用技術(shù)，完善煤矸石固廢資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈，建成完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與管理政策，統(tǒng)合資源促進(jìn)大規(guī)模和集成化的資源化利用集聚，這些技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、政策和發(fā)展戰(zhàn)略上的協(xié)同，將為國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略背景下煤矸石建筑與環(huán)境修復(fù)資源化利用的發(fā)展機(jī)遇提供科學(xué)的發(fā)展框架與指導(dǎo)。