煤矸石成分研究及其再利用技術的應用

滕 杰

（山西清源環(huán)境咨詢有限公司，山西 太原 030012）

煤矸石是煤炭開采過程中較為常見的廢棄物之一，其成分相對復雜，且含有較為豐富的元素，如果將其直接拋棄，會占用大量的土地資源，不僅會對自然環(huán)境造成破壞，還會給人們正常的生活造成不利影響。在這種情況下，對煤矸石進行研究和分析，找出煤矸石在其他行業(yè)當中的再利用價值是十分必要的。

1 煤矸石的概念

1.1 煤矸石的種類

當前，我國煤矸石主要包括三個類型。首先是白矸石，這種煤矸石多為露天煤礦開采后從巷道中采出的廢棄物。白矸石當中的煤炭含量很少，而雜質成分較多，因此很難進行提煉。但白矸石中所含其他物質成分較多，因此對其進行持續(xù)開發(fā)的相關方法和技術較多[1]。例如在高嶺地區(qū)的單礦當中，可以對白矸石進行提煉并硫化后，將材料應用到陶瓷品的生產(chǎn)中。此外，在白矸石中還含有大量的伴生鋁礬成分，可以在火磚或者保溫磚等產(chǎn)品中進行應用。其次是選矸石。選矸石是在煤礦開采過程中經(jīng)挑選后的煤矸石，在挑選過程中，根據(jù)煤矸石所含的成分以及含煤炭量的多少進行分類，可有針對性地對其進行使用[2]。例如，一些含煤炭量較高的煤矸石可以在工業(yè)當中充作爐燃料。而對于一些含煤炭量較低的煤矸石，可以用于道路施工或者露天煤礦回填。最后是煤矸石燃燒后，經(jīng)過挑選處理所得的材料。這種材料通常用于化工生產(chǎn)中，例如含有三氯化鋁的結晶體等，可以在化工產(chǎn)品中進行應用。

1.2 煤矸石的主要成分

煤矸石所含成分相對復雜，在不同地區(qū)受到不同水文條件以及地質條件的影響，煤矸石的成分也會有很大的差異。此外，煤礦開采技術工藝的不同也會對開采出的煤矸石產(chǎn)生影響，導致其化學成分有所差別。根據(jù)實驗研究發(fā)現(xiàn)：煤矸石中的主要成分是碳，此外存在較多的成分還有Al2O3、SiO2、CaO、K2O等。在本文中對陜西黃陵一號礦區(qū)煤矸石進行實驗研究，并對其主要化學成分進行分析，發(fā)現(xiàn)煤矸石的化學成分如表1所示。

表1 煤矸石的化學成分 %

2 煤矸石的污染現(xiàn)狀

煤矸石是煤炭開采過程中出現(xiàn)的固體廢棄物，煤矸石當中含有的化學成分相對復雜，直接排放會對生態(tài)環(huán)境造成不同程度的污染。

2.1 大氣污染

煤矸石產(chǎn)生后，如果處理不當，會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫等物質，對大氣環(huán)境造成污染。隨著當前煤礦行業(yè)規(guī)模的不斷擴大，煤矸石的數(shù)量也在不斷的增加，煤矸石的長時間累計會產(chǎn)生大量的有害氣體，甚至會導致煤矸石出現(xiàn)自燃的情況[3]。而在自燃的過程中，還會形成其他有害氣體，如二氧化硫等，一旦這些有害氣體被人吸入身體后，會使人體產(chǎn)生呼吸系統(tǒng)的疾病和慢性病，對人類的身體健康造成嚴重影響。

2.2 水質污染

煤矸石中含有大量的硫化物，與水接觸后會發(fā)生化學反應，形成其他鹽類的混合液體，而這種溶液在和其他化學成分相遇后，還會繼續(xù)進行化學反應再產(chǎn)生新的物質，從而對水質產(chǎn)生嚴重影響[4]。此外，煤矸石當中還存在數(shù)量較多的重金屬，如果煤矸石存儲不當，會隨著降水進入到地下水中，對水體造成污染，甚至會對周圍的居民產(chǎn)生嚴重影響。

2.3 占用土地資源

隨著我國煤炭開采行業(yè)的不斷發(fā)展，煤矸石產(chǎn)量也在不斷增加，而這些煤矸石在開采出來后，需要占用大量的土地資源進行存放。此外，煤矸石的長時間存儲也很容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，進而產(chǎn)生很多有毒有害的物質。一方面會導致農(nóng)作物產(chǎn)量的減少，另一方面也會對人類的身體造成嚴重的傷害。

3 煤矸石的再利用技術

本文以黃陵一號礦區(qū)的煤矸石利用為例，黃陵一號礦區(qū)位于陜北黃土高原，占地約103 hm2。在進行煤矸石利用前，當?shù)囟逊糯罅康拿喉肥瘜υ摰貐^(qū)植被造成嚴重破壞，通過對煤矸石進行再利用，有效解決了當?shù)孛喉肥奈廴締栴}。

3.1 在燃料當中的再利用

煤矸石當中的含碳量較低，但是該含量依舊可以使燃燒損失量達到10.00%~30.00%，其發(fā)熱量通常在5.0~12.5 MJ/kg之間。這種程度的發(fā)熱量可以保證煤矸石在很多行業(yè)當中當做燃料使用，例如在煉鐵、石灰煅燒等工作中都可以使用煤矸石作為燃料。以陜西黃陵一號礦區(qū)為例，該礦區(qū)存在大量的煤矸石，結合當?shù)貙嶋H情況，礦區(qū)采用現(xiàn)代技術對煤矸石進行處理，并應用在煉鐵行業(yè)當中。實踐證明，煤矸石以及焦炭可作為煉鐵的原材料。在實際煉制的過程中，煤矸石的使用通常需要進行嚴格的挑選。煤矸石的大小需要控制在200 mm內[5]。此外，在鑄鐵過程中對煤矸石的化學成分等也有較高的要求。而煤矸石中存在的石灰石成分較多，在進行煉鐵煅燒時，還需要注意做好風眼的疏通措施。在鍋爐設備的應用中，需要選擇更為細小的煤矸石，通常需要將煤矸石的大小控制在8 mm內，這種要求使得煤矸石的選擇和破碎作業(yè)工作量增加，且由于石灰石成分較高，在鍋爐設備的燃燒過程中能量消耗大，進而導致維修成本增加。但是，煤矸石屬于礦產(chǎn)廢棄物，從再利用的角度分析，將煤矸石運用于鍋爐燃燒當中是一個很好的廢物利用的方法，因此可進一步提高資源持續(xù)應用的效果[6]。

3.2 在化工產(chǎn)品當中的再利用

煤矸石可以有效應用于很多化工產(chǎn)品的生產(chǎn)當中。在黃陵一號礦區(qū)，主要將煤矸石應用在三氯化鋁以及水玻璃等材料的生產(chǎn)方面。黃陵一號礦區(qū)的煤矸石中鋁元素的含量相比鐵元素更高，在生產(chǎn)三氯化鋁時，通常將其應用在硬化劑以及凈水劑等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。而水玻璃是煤矸石再利用的重要方向之一，在此生產(chǎn)過程中，煤矸石的再利用技術的特點在于在低壓環(huán)境下就可以和燒堿進行化學反應，從而生產(chǎn)出水玻璃，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了水玻璃的制作成本。此外，煤矸石在經(jīng)過二次加工后還可以制作白炭黑。

3.3 在水泥生產(chǎn)中的再利用

對黃陵一號礦區(qū)煤矸石中的成分進行分析后發(fā)現(xiàn)，當?shù)孛喉肥斨?，二氧化硅以及二氧化鐵等物質的含量較高，因此可以將煤矸石應用在水泥的制作當中。煤矸石的成分完全符合用黏土制作普通水泥的需求，對于部分特殊水泥以及無熟料的水泥產(chǎn)品來說，也基本滿足制作條件。當前，在我國使用煤矸石作為水泥原材料的技術已相對成熟，其生產(chǎn)技術主要應用于生產(chǎn)普通水泥和特殊水泥兩種。

在普通水泥的生產(chǎn)過程中，首先會選擇石灰石、鐵粉以及煤矸石等物質進行處理加工，形成粉末后混合成為生料；然后通過煅燒獲得熟料，即以硅酸三鈣為主的材料；再將熟料與石膏混合后磨成粉末制成水泥。而不同類型的煤矸石當中的鋁元素含量也有所差異，在制作硅酸鹽水泥的過程中，會根據(jù)煤矸石所含鋁元素的不同對其進行分類。通常分為低鋁（w（Al）達到20.00%）、中鋁（w（Al）達到30.00%）以及高鋁（w（Al）達到40.00%）三種[7]。在生產(chǎn)普通水泥時，主要是使用低鋁的煤矸石作為主要原材料，且通常需要定點使用煤矸石來確保水泥當中的鋁含量適當，然后通過合適的機械方式保證鋁含量的比例。

在特種水泥的生產(chǎn)過程中，水泥的配料要有一定的區(qū)別，需要根據(jù)水泥的具體要求，選擇合適的煤矸石。特種水泥的凝結時間、凝結速度以及膨脹劑使用比例等指標都會根據(jù)實際使用的需求而產(chǎn)生差異。對于速凝水泥來說，煤矸石的比例為16.7%，其他材料如石灰石比例為67%、石膏比例為3.5%。這種水泥的凝固速度快、防水性能好，在地下工程當中具有廣泛的應用前景，可應用于地下隧道、鐵道等項目中。

此外，煤矸石還可以應用于無熟料的生產(chǎn)當中。這種水泥在使用后的強度通?？梢赃_到20~40 MPa，可以在很多板材生產(chǎn)當中予以應用。

4 結語

當前我國的經(jīng)濟發(fā)展不斷加快，很多行業(yè)和領域的生產(chǎn)建設也在逐步擴大規(guī)模，與此同時，經(jīng)濟和建設對環(huán)境帶來的影響和破壞日益嚴重。因此，對于煤矸石材料進行廢棄物再利用是當前煤礦行業(yè)發(fā)展的重要內容之一。通過對煤矸石的再利用，能夠有效實現(xiàn)煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化，提高煤炭行業(yè)的經(jīng)濟效益，使企業(yè)有更好的發(fā)展前景。此外，還需要煤炭行業(yè)對煤矸石進行進一步的研究和探索，以提高煤矸石在其他領域當中的利用價值。