煤矸石固廢無(wú)害化處置與資源化綜合利用現(xiàn)狀與展望

王玉濤

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

煤炭作為基礎(chǔ)能源，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展起到了重要的支撐和推動(dòng)作用[1-2]，近十多年來(lái)，我國(guó)煤炭產(chǎn)量一直占世界煤炭產(chǎn)量的40%以上(圖1)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020 年我國(guó)煤炭產(chǎn)量39.0 億t，約占全球煤炭產(chǎn)量的50.4%。隨著國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭消費(fèi)量在一次性能源消費(fèi)總量的比例雖有所下降，但在一定時(shí)期內(nèi)煤炭依然是我國(guó)最重要的一次性能源[3]。

圖1 2000-2020 年我國(guó)煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.1 China’s coal production and consumption data from 2000 to 2020

煤矸石作為煤炭開(kāi)采與加工生產(chǎn)過(guò)程中的主要固體廢物，占原煤產(chǎn)量的15%～20%，因熱值低、利用困難，一般露天堆放排棄在礦區(qū)周邊地表。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存量已超過(guò)60 億t[4]，形成2 600 多座大型矸石山[5-6]，壓占土地1.3 萬(wàn)hm2[6]。煤矸石堆積不僅占用大量土地，且?guī)?lái)水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患；矸石山自燃產(chǎn)生的SO2、NOx 等有毒有害氣體對(duì)礦區(qū)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染；在雨水淋溶和滲濾等作用下，煤矸石產(chǎn)生的有毒有害元素將會(huì)對(duì)土壤和地下水帶來(lái)一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題[7]。

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)煤矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，加強(qiáng)煤矸石綜合利用管理，我國(guó)針對(duì)煤矸石的處置與利用問(wèn)題出臺(tái)了《煤矸石綜合利用管理辦法(2014 年)》《關(guān)于推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》等一系列政策與規(guī)定。2021 年3 月28 日，十部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，對(duì)煤矸石綜合利用體系、模式和綜合利用率提出了明確要求。

從煤矸石堆放造成的危害、煤矸石處置與綜合利用方面政策法規(guī)和緩解我國(guó)資源短缺等多個(gè)方面來(lái)看，開(kāi)展礦區(qū)煤矸石的科學(xué)化、規(guī)?；幹?，提高煤矸石資源的綜合利用率，是解決煤矸石帶來(lái)的環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害隱患等問(wèn)題的有效途徑。筆者在系統(tǒng)梳理煤矸石分類(lèi)方法、理化性質(zhì)、綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述煤矸石無(wú)害處置技術(shù)方法和綜合資源化利用途徑，展望我國(guó)煤矸石規(guī)?；幹门c綜合利用的未來(lái)發(fā)展方向，旨在為我國(guó)煤矸石產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展提供借鑒。

1 我國(guó)煤矸石排放現(xiàn)狀

1.1 煤矸石分類(lèi)

根據(jù)煤矸石的來(lái)源、特征、成分等不同指標(biāo)，我國(guó)形成了以三級(jí)分類(lèi)命名法[8]和等級(jí)定量法[9]等為代表的多種煤矸石分類(lèi)方法。2013 年，國(guó)家頒布實(shí)施的GB/T 29162—2012《煤矸石分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)，從煤矸石資源化再利用的角度，對(duì)煤矸石分類(lèi)方法進(jìn)行了規(guī)范，并按照主要指標(biāo)依次進(jìn)行排列編碼。煤矸石具體分類(lèi)方法見(jiàn)表1。

表1 煤矸石分類(lèi)方法Table 1 Classification Method of coal gangue

1.2 煤矸石的理化特征

煤矸石是由炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、砂巖及煤炭等物質(zhì)組成的黑灰色沉積巖，與煤層伴生，具有含碳量低、比煤硬、干基灰分大于50% 的特點(diǎn)，顆粒密度2 100～2 900 kg/m3。煤矸石發(fā)生自燃后其堆積密度有所降低，主要是由于煤矸石中的碳和有機(jī)物在燃燒過(guò)程中形成氣體，以及熱量作用下巖體結(jié)構(gòu)破壞造成孔隙度增加所致。

根據(jù)不同地區(qū)煤矸石化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)(表2)，我國(guó)煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高，大部分地區(qū)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.90%～70.25%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.68%～42.40%，二者的總量可達(dá)52.23%～96.36%，僅陜西長(zhǎng)武亭南煤礦、新疆哈密三道嶺2 礦、新疆伊寧達(dá)達(dá)木圖鄉(xiāng)煤礦及陜西銅川自燃煤矸石的SiO2與Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%。不同地區(qū)煤矸石的化學(xué)成分存在一定差異，我國(guó)鋁質(zhì)巖類(lèi)煤矸石主要分布在山西大同、山西陽(yáng)泉、山西長(zhǎng)治、陜西銅川、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾、江蘇徐州、安徽淮北、貴州遵義等地區(qū)；黏土巖類(lèi)煤矸石在河北、河南、安徽、云南、新疆、陜西、貴州等地分布較廣；砂巖類(lèi)煤矸石主要分布在遼寧、新疆和山東等地；鈣質(zhì)巖類(lèi)煤矸石主要分布在陜西長(zhǎng)武、新疆哈密和伊寧等地。

表2 不同地區(qū)煤矸石化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of coal gangue from different areas

1.3 煤矸石排放現(xiàn)狀

近年來(lái)，煤炭產(chǎn)量不斷增加，煤矸石產(chǎn)量隨之顯著增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)產(chǎn)生煤矸石7.29 億t，是1995 年1.47 億t 的4.96 倍。根據(jù)煤炭需求與產(chǎn)量預(yù)測(cè)，“十四五”期間每年產(chǎn)量仍維持在6 億～8 億t，預(yù)計(jì)到2025 年，我國(guó)煤矸石產(chǎn)量約為8 億t。

煤矸石作為煤炭開(kāi)采與加工生產(chǎn)過(guò)程中的主要固體廢物，其產(chǎn)地分布與煤炭資源的賦存狀況和區(qū)域分布特點(diǎn)具有顯著的相關(guān)性。根據(jù)我國(guó)聚煤盆地成煤特點(diǎn)，煤矸石產(chǎn)地可劃分為東北、華北、華南、西南和西北5 個(gè)區(qū)域[28]，如圖2 所示。從分布區(qū)域來(lái)看，我國(guó)煤矸石的總體排放特點(diǎn)是“北多南少，西多東少”[29]。從2018 年我國(guó)主要產(chǎn)煤省份煤矸石新增產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆等9 個(gè)煤炭主產(chǎn)省份新產(chǎn)生煤矸石5.79 億t，占全國(guó)年新增總產(chǎn)生量的87.38%；僅晉陜蒙3 個(gè)省份煤矸石產(chǎn)生量就達(dá)到全國(guó)的66.38%，如圖3 所示。隨著我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化大型煤礦建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國(guó)煤炭集約化、區(qū)塊化、規(guī)模化、高效化生產(chǎn)供應(yīng)水平顯著提高，使煤矸石的生產(chǎn)和排放朝著集中、高產(chǎn)、規(guī)?；较虬l(fā)展。

圖2 我國(guó)煤矸石產(chǎn)地區(qū)域分布[28]Fig.2 Regional distributionofcoal gangue producing areas in China[28]

圖3 2018 年主要產(chǎn)煤省份矸石新增產(chǎn)量及全國(guó)占比Fig.3 New output of gangue in main coal producing provinces and the proportion of each province in China 2018

2 煤矸石處置與綜合利用現(xiàn)狀和途徑

自20 世紀(jì)60 年代，我國(guó)已開(kāi)始進(jìn)行煤矸石處置和綜合利用方面的探索和實(shí)踐工作，但進(jìn)展較為緩慢，利用途徑主要為回填筑路和生產(chǎn)低性能矸石磚瓦建材。近年來(lái)，在相關(guān)政策的推動(dòng)與引導(dǎo)下，煤矸石綜合利用技術(shù)得到一定發(fā)展，利用量保持了相對(duì)穩(wěn)定增長(zhǎng)。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出(圖4)，九五、十五期間綜合利用低于60%，到“十二五”末達(dá)到68.4%，2020 年煤矸石綜合利用率達(dá)到72.2%[30]，較1995 年增加34.2%。我國(guó)煤矸石固體廢物堆存量和排放量巨大，現(xiàn)有煤矸石無(wú)害化處置與資源化綜合利用的規(guī)模和能力明顯不能滿足國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及“雙碳”目標(biāo)下煤炭綜合利用的相關(guān)要求。

圖4 1995—2020 年我國(guó)煤矸石產(chǎn)量及綜合利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.4 Statistics of China’s coal gangue output and comprehensive utilization from 1995 to 2020

煤矸石處置與綜合利用方法和途徑很多(圖5)，主要有填坑筑路、土地復(fù)墾、塌陷區(qū)回填、低熱值燃料煤矸石發(fā)電和生產(chǎn)建材產(chǎn)品等方面。2020 年，我國(guó)煤矸石綜合利用量約5.26 億t，采空區(qū)回填、筑路和土地復(fù)墾等方式利用的煤矸石量占總利用量的56%，用于煤矸石及低熱值煤發(fā)電的煤矸石量占30%左右，用于生產(chǎn)建筑材料的煤矸石占11%[2]，用于有價(jià)元素提取及高附加值化工產(chǎn)品約占3%。目前，煤矸石處置和綜合利用依然是以技術(shù)水平相對(duì)較低的露天排棄、填坑筑路、土地復(fù)墾、塌陷區(qū)回填等方式為主，而高技術(shù)含量、高價(jià)值的煤矸石發(fā)電、高附加值化工產(chǎn)品、有價(jià)元素和高性能建筑材料利用方面不足50%，高價(jià)值綜合利用率依然較低，多組分梯級(jí)利用模式尚未建立。

圖5 煤矸石規(guī)?；幹门c綜合產(chǎn)業(yè)化利用途徑Fig.5 Large scale disposal and comprehensive industrial utilization of coal gangue

3 煤矸石規(guī)模化無(wú)害處置技術(shù)

煤炭開(kāi)采和洗選是煤矸石來(lái)源的2 個(gè)主要途徑，煤矸石規(guī)模無(wú)害化處置技術(shù)主要包含以下幾個(gè)方面：

(1) 煤炭開(kāi)采過(guò)程形成煤矸石處置，可采用煤矸石井下“采選充處”一體化固體充填開(kāi)采技術(shù)。

(2) 洗選產(chǎn)生的煤矸石，可采用在洗煤廠增加破碎研磨設(shè)備，將煤矸石粉制作成膏體或漿體材料，利用管道，通過(guò)鉆孔或井筒與巷道輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填。

(3) 對(duì)于堆存或新形成煤矸石，亦可采用煤矸石地面筑基、塌陷坑回填與土地復(fù)墾等方式進(jìn)行處置。

3.1 采空區(qū)充填

采空區(qū)作為地下固體礦床開(kāi)采形成的人工空間，以往采取頂板自由垮落方式管理，頂板自然垮落，空間并未得到有效利用。煤礦開(kāi)采所形成的采空區(qū)，引發(fā)地表大面積采煤沉陷。截至2018 年底，我國(guó)采煤沉陷區(qū)面積約為21 600 km2[31]，采煤塌陷對(duì)礦區(qū)土地和生態(tài)造成嚴(yán)重影響。利用煤矸石充填采空區(qū)為實(shí)現(xiàn)煤矸石的規(guī)?；療o(wú)害處置提供了新的有效途徑。

煤矸石采空區(qū)充填主要分為固體充填、膏體充填和漿體充填3 類(lèi)。

1) 井下“采選充處”一體化固體充填開(kāi)采技術(shù)

煤矸石井下“采選充處”一體化固體充填開(kāi)采技術(shù)是以井下矸石不升井、從源頭實(shí)現(xiàn)煤矸石減量化為出發(fā)點(diǎn)，是從源頭控制煤矸石排放增量的有效方法，開(kāi)采模式如圖6 所示。

圖6 煤矸石井下分選協(xié)同原位充填開(kāi)采模式[14,32]Fig.6 Mode of coal waste separation and coordinated in-situ backfill and mining[14,32]

該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、處理規(guī)模大、處理成本低的特點(diǎn)，其主要包含：井下煤矸石分選、多源固體充填材料、“采選充處”多工序協(xié)同智能控制等模塊，實(shí)現(xiàn)了利用采煤產(chǎn)生的空間進(jìn)行煤矸石井下快速規(guī)模化處置[32]。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)煤矸石規(guī)?；幹玫耐瑫r(shí)，對(duì)釋放“三下”煤炭資源，防止沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生，減小煤層覆巖損傷實(shí)現(xiàn)保水采煤，有效控制地面沉降，提高采煤沉陷區(qū)地基承載力等方面均具有重要作用，是煤炭生產(chǎn)全過(guò)程的重大技術(shù)創(chuàng)新。

2) 煤矸石地面采空區(qū)膏體與漿體充填技術(shù)

煤矸石地面采空區(qū)膏體與漿體充填技術(shù)是將煤矸石破碎研磨后，將煤矸石粉和膠凝材料與水混合攪拌制備成充填膏體或料漿，通過(guò)充填管道、鉆孔或井筒與巷道輸送到地下采空區(qū)、垮落帶、裂隙帶及離層空隙內(nèi)，在注漿壓力作用下，漿液經(jīng)過(guò)滲流擴(kuò)散，重新形成“充填結(jié)石體、關(guān)鍵層、隔離煤柱、壓實(shí)垮落巖體”等組成的聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)控制地表沉降、保護(hù)環(huán)境的“以廢制害”目的。目前，國(guó)內(nèi)外仍廣泛采用水泥作為充填膠凝材料[33]，用于采空區(qū)注漿充填。該方法是控制煤矸石增量、大規(guī)模減少煤矸石堆存量的最有效方法之一，可有效解決煤矸石地面堆放引起的環(huán)境污染問(wèn)題，降低矸石山滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)減輕老采空區(qū)地面塌陷對(duì)地表建(構(gòu))筑物、耕地與生態(tài)環(huán)境破壞等有重要作用。

3.2 地面筑基處置

煤矸石是一種優(yōu)質(zhì)的工程填筑材料，可單獨(dú)代替灰土與黏性土、粉煤灰、熟石灰混合，作為普通公路路基或底基層的填料。在保證含水量、壓實(shí)度和良好粒徑級(jí)配的條件下，煤矸石可與石灰等發(fā)生水化反應(yīng)，獲得較高的承載能力。實(shí)踐表明：煤矸石路基具有成形快、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[34]。目前缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，煤矸石筑路施工隨意性較大，重金屬和硫化物污染控制問(wèn)題尚未得到很好解決。由于道路為線性工程，每公里煤矸石消耗量有限，不可能實(shí)現(xiàn)煤矸石的集中、連續(xù)、大規(guī)模利用。

3.3 塌陷坑回填與土地復(fù)墾

塌陷坑回填與土地復(fù)墾是煤矸石規(guī)?；幹门c綜合利用最簡(jiǎn)單直接與投資最少的方式，是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)、煤矸石封存保護(hù)與減量化最有效途徑之一。受煤矸石壓占與損毀土地一般采用推土機(jī)回填壓實(shí)，表層覆土的方式進(jìn)行復(fù)墾[35]。煤矸石含有豐富的鉀、鐵、硅、錳等微量元素與營(yíng)養(yǎng)成分[7]，能有效改良土壤活性，提高土壤孔隙度，使細(xì)菌和氧更好地分解有機(jī)質(zhì)；硫元素可提高土壤酸性，抑制水合鐵離子、水合鋁離子的水解，增強(qiáng)鋁離子和鐵離子對(duì)水分的吸附，減少土壤水分蒸發(fā)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。煤矸石土地復(fù)墾應(yīng)充分發(fā)揮自身的修復(fù)能力，采取適當(dāng)、及時(shí)、科學(xué)的人工干預(yù)，實(shí)施過(guò)程中為避免煤矸石中有害元素浸透到土壤中，應(yīng)保持土壤結(jié)構(gòu)，建立復(fù)墾土地的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

4 煤矸石資源化綜合利用技術(shù)

4.1 發(fā)電技術(shù)

當(dāng)煤矸石中含碳量超過(guò)15%時(shí)，其粉碎后顆粒燃燒具有較高發(fā)熱量，可用于燃燒發(fā)電。一般認(rèn)為，用于發(fā)電時(shí)，發(fā)熱量大于6 272 kJ/kg 的煤矸石可直接用作鍋爐燃料，發(fā)熱量在4 181～6 272 kJ/kg 的煤矸石則需混雜一定比例發(fā)熱量較高的煤泥、中煤等才能進(jìn)入鍋爐[36]。我國(guó)利用煤矸石發(fā)電的歷程隨著燃燒鍋爐技術(shù)法發(fā)展大致分為4 個(gè)階段，如圖7 所示。

圖7 煤矸石發(fā)電工業(yè)裝備與技術(shù)發(fā)展歷程Fig.7 Development history of coal gangue power generation industrial equipment and technology

第一階段，沸騰鍋爐燃燒發(fā)電技術(shù)。20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始開(kāi)展煤矸石沸騰鍋爐工業(yè)試驗(yàn)[37]。1981 年，黑龍江雞西礦務(wù)局滴道發(fā)電廠采用130 t/h 沸騰爐建成我國(guó)第一個(gè)25 MW 容量煤矸石發(fā)電廠。此后陸續(xù)建設(shè)了江西萍鄉(xiāng)高坑、安源、王坑，重慶趙各莊、安徽淮南八公山等煤矸石電廠。該階段僅在四川、重慶、江蘇等地區(qū)個(gè)別礦務(wù)局進(jìn)行了煤矸石發(fā)電項(xiàng)目示范。

第二階段，20 世紀(jì)90 年代，煤矸石發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)從沸騰鍋爐燃燒向循環(huán)流化床燃燒和混合燃燒發(fā)展。在這一時(shí)期，大部分為自備發(fā)電項(xiàng)目，用于綜合利用坑口煤電資源。循環(huán)流化床鍋爐已從35 t/h 逐步發(fā)展到220 t/h，單機(jī)容量在6～135 MW，其中以25 MW 以下小型機(jī)組為主要配置。到2000 年底，我國(guó)煤矸石發(fā)電廠的裝機(jī)容量達(dá)到1 840 MW。

第三階段，在“十五”和“十一五”期間，300 MW大型循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電技術(shù)逐步得到應(yīng)用，并于2008 年全面實(shí)現(xiàn)300 MW 等級(jí)循環(huán)流化床鍋爐國(guó)產(chǎn)化，技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。2010 年全國(guó)煤矸石電廠裝機(jī)容量達(dá)到26 000 MW，年消耗煤矸石約1.3 億t，節(jié)約3 500 萬(wàn)t 標(biāo)準(zhǔn)煤，其中135 MW 和300 MW 等級(jí)的機(jī)組裝機(jī)占比超過(guò)50%。

第四階段，“十二五”以來(lái)，世界上第一臺(tái)600 MW超超臨界循環(huán)流化床鍋爐于2013 年在四川白馬電廠建成投產(chǎn)，將我國(guó)煤矸石發(fā)電技術(shù)推向一個(gè)新的發(fā)展階段。

根據(jù)部分煤矸石電廠規(guī)模統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表3)可以看出，近年來(lái)，我國(guó)新建低熱值煤矸石電廠多集中在山西、內(nèi)蒙古、陜西等主要產(chǎn)煤省份的重要煤炭基地周邊。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2020 年底，我國(guó)建成的煤矸石及低熱值煤綜合利用發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到42 000 MW，其中300 MW 及以上亞臨界發(fā)電機(jī)組達(dá)到90 臺(tái)。僅2019 年，煤矸石發(fā)電廠就消耗1.51 億t 煤矸石，約占煤矸石總利用量的28.8%，回收能源相當(dāng)于4 700 萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤[14,38]。煤矸石發(fā)電在“煤炭－電力－煤化工－建材”等煤矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈中起到重要作用。

表3 部分煤矸石電廠規(guī)模統(tǒng)計(jì)Table 3 Scale statistics of some coal gangue power plants

4.2 高性能建筑材料

4.2.1 生產(chǎn)水泥

煤矸石富含SiO2和Al2O3，將其應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，在充分利用其自身熱值，節(jié)省節(jié)約燃料的同時(shí)，又可有效節(jié)省黏土資源。煤矸石粉碎后，與石膏、熟料按不同比例混合，可制成快硬、早強(qiáng)、膨脹、無(wú)熟料或少熟料以及硫鋁酸鹽等特種水泥[39]。煤矸石在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用較早，但工業(yè)化發(fā)展緩慢，產(chǎn)量較低。雖然在開(kāi)發(fā)高含量煤矸石水泥方面做出了很多努力，但在實(shí)際生產(chǎn)中，煤矸石的比例仍然不足15%[40]。目前，如何充分激發(fā)煤矸石的水化活性，提高其摻量，仍處于應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段[41-42]。煤矸石水泥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，受消費(fèi)群體分布和運(yùn)輸成本等問(wèn)題限制，往往難以形成大型煤矸石水泥廠，限制了煤矸石綜合利用的規(guī)模。

4.2.2 墻體材料

煤矸石含有豐富的黏土礦物，經(jīng)過(guò)原料選擇、均化、粉碎篩分、凈化、攪拌成型、碼坯、干燥、焙燒、冷卻等工序，可加工成各種性能優(yōu)良的新型墻體材料，如透水磚、多孔磚、免燒磚、釉面瓷磚、微晶玻璃、高檔陶瓷等。對(duì)于發(fā)熱量介于2 095～4 190 kJ/kg 的煤矸石制磚是其最常用的利用方式。自1964 年進(jìn)行煤矸石制磚工業(yè)試驗(yàn)以來(lái)，在四川、山東、遼寧等多省相繼建成了煤矸石制磚廠。到2005 年，我國(guó)煤矸石磚廠年生產(chǎn)煤矸石磚達(dá)到100 億塊[37]。馮榮等[43]采用發(fā)泡陶瓷空心磚體填充煤矸石陶粒制備的透水磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa 以上，透水率超過(guò)6 000 mL/min。我國(guó)在煤矸石燒結(jié)磚和空心磚常規(guī)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，陸續(xù)開(kāi)發(fā)了煤矸石無(wú)機(jī)纖維防火保溫材料、自保溫砌塊、高孔洞率空心砌塊、地磚、煤矸石閉孔發(fā)泡陶瓷、煤矸石輕質(zhì)保溫砌磚、透水磚、清水裝飾墻磚等多種類(lèi)型不同規(guī)格的產(chǎn)品，不斷重視民族區(qū)域特色、文化裝飾、建筑承載和節(jié)能等綜合功能產(chǎn)品研發(fā)。低成本、多功能(高孔洞率、高摻渣量、節(jié)能、輕質(zhì)、高強(qiáng)、裝飾)、多品種已成為煤矸石制備墻體材料的未來(lái)發(fā)展方向。

4.2.3 再生骨料

骨料是混凝土的主要成分，每年我國(guó)砂石消耗量超過(guò)200 億t。煤矸石成分和性質(zhì)與砂石原料相近，CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%、硫含量小于1%、燒失量小于8%的煤矸石[44]，將其作為機(jī)制砂石原料，不僅可以擴(kuò)大機(jī)制砂石的原料來(lái)源，增加機(jī)制砂石產(chǎn)量，而且可以有效緩解骨料資源的短缺，實(shí)現(xiàn)煤矸石資源化利用[45]。煤矸石用于制備混凝土再生骨料有2 種方式，一種是直接破碎、篩分作為混凝土粗細(xì)骨料利用，該方式具有耗能低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；另外一種是通過(guò)燒制輕骨料陶粒方式進(jìn)行利用，成品煤矸石陶粒具有隔音隔熱、輕質(zhì)高強(qiáng)、低吸水性等特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的高強(qiáng)度建筑原材料。采用陶粒配制的高性能混凝土適用于制作混凝土空心砌塊、結(jié)構(gòu)保溫墻體、復(fù)合墻板、屋面保溫及多種建筑的預(yù)制構(gòu)件。煤矸石陶粒骨料制備條件的篩選和煤矸石混凝土耐久性能是當(dāng)前的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

4.3 有價(jià)元素提取

煤矸石中含有豐富的鋁、硅、鐵和鈣等有價(jià)元素及鎵、鈧、鋰、釩、鈦及稀土等微量稀有元素。有價(jià)微量稀有元素的提取是煤矸石深度開(kāi)發(fā)利用的重要方向，是有效緩解我國(guó)資源短缺的重要手段。根據(jù)煤矸石中礦石賦存狀態(tài)、含礦品位、嵌布特征等不同，采取不同方法進(jìn)行分選提取。當(dāng)煤矸石中全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)6%時(shí)，可以使用全重介脫硫精選工藝提取硫精礦。煤矸石中黃鐵礦常用的分選有跳汰、搖床、水介旋流器、重介旋流器、螺旋溜槽等方法[46-47]。當(dāng)煤矸石中TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～1.5%，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.6% 時(shí)，可以用煤矸石冶煉硅鋁鐵合金的工藝流程生產(chǎn)硅鋁鈦合金。煤矸石中如鎵、鈧、鋰等稀土元素提取多采用鹽酸進(jìn)行選擇性溶解后，用氫氧化鐵或氫氧化鋁沉淀法有效地分離富集稀土元素，再用草酸鹽沉淀將稀土元素與Fe、Al 分離，通過(guò)高溫焙燒實(shí)現(xiàn)稀有元素提取。由于煤矸石中有價(jià)元素含量偏低，提取技術(shù)成本偏高，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)煤矸石中金屬資源分布、賦存的調(diào)查研究，亟需提高煤矸石中有價(jià)元素的提取利用效率。

4.4 制取化工產(chǎn)品

4.4.1 鋁 系

我國(guó)鋁土資源相對(duì)稀缺，以鋁硅比大于0.5，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于35%的高鋁煤矸石為原料，采用酸溶或堿溶方式可制備硫酸鋁、氫氧化鋁等20 多種鋁系化工產(chǎn)品，可有效緩解鋁土資源短缺的局面。實(shí)踐證明，煤矸石中氧化鋁提取率可達(dá)80%以上，鋁系化工產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在造紙、橡膠、有機(jī)高分子、污水處理及陶瓷材料補(bǔ)強(qiáng)等多個(gè)領(lǐng)域。

4.4.2 硅 系

煤矸石含有豐富的二氧化硅，可利用高硅煤矸石為原料合成工業(yè)填料碳化硅、水玻璃、白炭黑等多種硅系化工產(chǎn)品。以高硅煤矸石和煙煤為原料，采用Acheson 法[6,48]合成碳化硅，具有速度快、污染少、成本低的特點(diǎn)，為煤矸石利用提供了途徑。白炭黑作為一種環(huán)保、性能優(yōu)異的橡膠增強(qiáng)劑和塑料填充劑，在制藥、紡織、造紙等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。以煤矸石為原料，替代硅酸鈉、四氯化硅和正硅酸乙酯作為硅源，可大幅降低白炭黑的生產(chǎn)成本。煤矸石制備氯化鋁的剩余濾渣通過(guò)堿化反應(yīng)，并經(jīng)沉淀、濃縮處理可生產(chǎn)Na2SiO3，將其與CO2和空氣混合，經(jīng)冷卻、沉淀、過(guò)濾、脫水、干燥、粉碎等工藝，即可獲得成品白炭黑。劉成龍等[49]利用以煤矸石浸取Al、Fe、Ti 等元素后的浸渣為原料，在利用硫酸鈉干法制備出水玻璃的基礎(chǔ)上，采用碳化法制得比表面積為267.33 m2/g、DBP吸油值為2.77 mL/g 的高純度白炭黑產(chǎn)品。朱明燕等[50]對(duì)煤矸石采用氟鹽燒結(jié)法分離鋁硅，成功制備了主要成分為無(wú)定型SiO2的白炭黑，SiO2回收率達(dá)到93.72%，符合我國(guó)白炭黑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

4.4.3 制備分子篩

煤矸石作為原料通過(guò)堿處理不僅可以制備4A 分子篩，還可以制備N(xiāo)aA 和NaX 型、13X 型、CHA、PAFS 與P 型等多種分子篩。4A 分子篩是一種具有微孔立方晶格的合成堿金屬硅酸鋁鹽，骨架上具有均勻的孔徑，不僅能吸附水、乙酸等極性溶劑，還能通過(guò)靜電場(chǎng)吸附氣體、液體等分子，在化工冶煉、污水處理和環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。合成分子篩的工藝流程為：首先將煤矸石經(jīng)研磨、煅燒、焙燒等工藝活化成活性高嶺土，然后經(jīng)堿膠凝、結(jié)晶合成、雜質(zhì)過(guò)濾、干燥得到分子篩。該方法具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，可大幅度降低分子篩的生產(chǎn)成本，有效促進(jìn)煤矸石的綜合利用?？椎马樀萚51]以貴州六盤(pán)水礦區(qū)煤矸石為原料，利用酸浸除鐵、煅燒除碳、堿熔活化的方法，激發(fā)了煤矸石的活性，從而獲得活性很高的制備分子篩原料，通過(guò)水熱合成反應(yīng)，獲得了高性能4A 分子篩，鈣離子交換量達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 農(nóng)業(yè)肥料

煤矸石中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%，并含有植物生長(zhǎng)所需要的B、Mn、Cu、Co、Zn 等微量元素，可以調(diào)節(jié)土壤環(huán)境不平衡狀態(tài)，增加有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量。煤矸石經(jīng)粉碎、研磨、干燥等工序，與添加劑和水等混合均勻，充分活化，可制成新型有機(jī)復(fù)合肥料；將煤矸石作為固氮等微生物的基質(zhì)和載體，亦可對(duì)混合料通過(guò)噴灑巨大芽孢桿菌和硅酸鹽細(xì)菌等生物制劑、造粒、干燥、掛膜等工藝制作微生物肥料。

5 煤矸石無(wú)害化處置與資源化綜合利用存在問(wèn)題與研究展望

5.1 存在問(wèn)題

“十三五”期間我國(guó)在煤矸石無(wú)害化處置與資源化利用方面取得了顯著成績(jī)，但仍存在很多問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決。

(1) 煤矸石處置與綜合利用率低，煤矸石堆存導(dǎo)致環(huán)境與安全問(wèn)題突出。由于能源需求的持續(xù)增加，煤炭開(kāi)采量的增大，煤矸石處置與綜合利用能力嚴(yán)重不足，堆積形成的大量矸石山。煤矸石長(zhǎng)期露天堆放，在自燃、淋溶、浸泡等作用下，有毒有害成分和化學(xué)物質(zhì)對(duì)礦區(qū)大氣、土壤、地表及地下水帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也成為泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源。

(2) 煤矸石利用地區(qū)發(fā)展極不平衡。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、陜西和東北三省等，煤矸石產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后。

(3) 煤矸石無(wú)害化處置與資源化綜合利用總體技術(shù)水平較低，產(chǎn)業(yè)鏈不完善，產(chǎn)業(yè)發(fā)展層次不高，高附加值利用量比例較小。煤矸石企業(yè)規(guī)模小，利潤(rùn)低，盈利能力普遍存在問(wèn)題。一些高科技含量的煤矸石利用技術(shù)還沒(méi)有真正落地，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。受區(qū)域經(jīng)濟(jì)低迷、需求疲軟的市場(chǎng)空間限制，企業(yè)投資動(dòng)力普遍不足。

5.2 研究展望

“雙碳”目標(biāo)下的煤矸石固廢無(wú)害化處置與資源化綜合利用是煤炭工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，相關(guān)研究迫在眉睫。煤矸石處置與資源化綜合利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展應(yīng)以“物盡其用、因地制宜”為基本思想。重點(diǎn)應(yīng)開(kāi)展以下研究?jī)?nèi)容：

(1) 煤炭生產(chǎn)基地煤矸石分類(lèi)和理化特性、資源屬性與空間地理分布規(guī)律研究。從聚煤規(guī)律、成巖特征、地質(zhì)作用等方面探索煤矸石固體廢棄物的成因、類(lèi)型、組成及地質(zhì)特征的規(guī)律；構(gòu)建煤矸石固體廢物理化性質(zhì)、資源環(huán)境屬性和空間地理分布數(shù)據(jù)庫(kù)；劃定煤矸石梯級(jí)利用分區(qū)，編制煤矸石綜合利用規(guī)劃，為實(shí)現(xiàn)煤矸石的多層次、多途徑、快速高效綜合利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 采煤沉陷區(qū)煤矸石土地生態(tài)修復(fù)利用技術(shù)、煤矸石井下“采選充處”一體化充填開(kāi)采技術(shù)及煤矸石地面采空區(qū)膏體與漿體充填技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)基于煤矸石的土地修復(fù)與生態(tài)恢復(fù)新型環(huán)保材料，集成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理和煤矸石固廢綜合利用與煤炭協(xié)同開(kāi)采一體化成套技術(shù)與裝備，從源頭實(shí)現(xiàn)煤矸石減量化和資源化。

(3) 煤矸石發(fā)電、高性能建筑材料及高附加值化工產(chǎn)品利用方法研究，構(gòu)建煤矸石規(guī)?；療o(wú)害處置和資源化多層級(jí)綜合開(kāi)發(fā)利用模式，形成具有集煤炭開(kāi)采、發(fā)電、化工、煤基固廢綜合利用、稀有元素提取等產(chǎn)業(yè)有機(jī)結(jié)合完整產(chǎn)業(yè)鏈。

(4) 煤矸石固廢資源環(huán)境特性、有害物質(zhì)遷移規(guī)律、生態(tài)環(huán)境影響效應(yīng)、規(guī)?；療o(wú)害處置與資源化綜合開(kāi)發(fā)利用的大數(shù)據(jù)管理應(yīng)用平臺(tái)開(kāi)發(fā)。

(5) 構(gòu)建“煤炭—固廢發(fā)電—有價(jià)元素提取—化工產(chǎn)品—建材材料—井下充填—地面回填—農(nóng)業(yè)應(yīng)用”的閉合循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈模式。

(6) 建立“梯級(jí)回收+生態(tài)修復(fù)+封存保護(hù)+井下高效自動(dòng)化充填”規(guī)?；幹门c綜合利用體系。提高煤矸石綜合利用率，促進(jìn)煤矸石多元素、多組分梯級(jí)利用與減量化，建設(shè)綠色礦山。

6 結(jié)論

a.我國(guó)煤矸石具有存量和排放量大、產(chǎn)量高度集中、綜合利用率低、區(qū)域發(fā)展極不平衡的特點(diǎn)，煤矸石無(wú)害化處置與資源化綜合利用總體技術(shù)水平較低，產(chǎn)業(yè)鏈不完善，產(chǎn)業(yè)發(fā)展層次不高，高附加值利用量比例較小，不能滿足國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及“雙碳”目標(biāo)下煤矸石綜合利用的相關(guān)要求。

b.提出了從源頭實(shí)現(xiàn)煤矸石減量化和資源化的有效途徑和具體方法，詳細(xì)闡述煤矸石在發(fā)電、建材、資源回收、化工產(chǎn)品制備及農(nóng)業(yè)等方面的綜合資源化利用途徑，構(gòu)建了閉合循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式，提出了基于“多途徑、多組分、多層次+梯級(jí)回收+生態(tài)修復(fù)+封存保護(hù)+井下高效自動(dòng)化充填”規(guī)?；幹门c綜合利用體系的煤矸石未來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向，為煤矸石規(guī)?；幹门c綜合利用提供借鑒。