煤矸石組分特征及資源化利用現(xiàn)狀分析

高凌峰

（山西焦煤集團(tuán)公司屯蘭礦，山西 太原 030000）

煤矸石是一種伴隨著煤炭形成過(guò)程中含碳量較低的黑色巖體，是煤炭經(jīng)過(guò)洗選后產(chǎn)生的一般固體廢棄物［1］。我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度逐年加大，煤矸石產(chǎn)量也在不斷增加，但煤矸石利用率極低。以山西省為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山西省全年煤炭產(chǎn)量約12億噸，以10%～15%產(chǎn)矸量計(jì)算，每年產(chǎn)矸約1.2～1.5億噸，大多數(shù)煤矸石被作為一般固體廢棄物進(jìn)行了填埋處置，而只有極少部分被有效資源化利用［2］。大多數(shù)被作為廢棄物處置的煤矸石除了占用了大量土地資源外，還極易造成了土壤、水體以及大氣污染等，特別是不合理的填埋矸石，在降雨、淋溶、水力侵蝕、浸泡作用下，使得矸石內(nèi)部氮氧化物、硫氧化物，特別是有害重金屬元素被溶解釋放進(jìn)入了水體，經(jīng)過(guò)水體遷移，轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤環(huán)境，經(jīng)農(nóng)作物等吸收，最后轉(zhuǎn)入人體，嚴(yán)重危害身體健康［3］。因此，研究煤矸石成分組成，并將其作為可利用礦物資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，是踐行“綠水青山就是金山銀山”發(fā)展理念的重要途徑。以山西屯蘭礦煤矸石為例，分析煤矸石組成特征，探討煤矸石在國(guó)內(nèi)外資源化利用現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)，針對(duì)山西屯蘭礦煤矸石自身獨(dú)有特點(diǎn)，探索屯蘭礦煤矸石可利用價(jià)值及資源化利用轉(zhuǎn)化途徑，旨在為煤矸石資源化利用提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 煤矸石的成分及類型

煤矸石主要由礦物質(zhì)成分石英石、高嶺石、伊利石、蒙脫石、Fe2S3、Al2O3以及一些Si、Fe、Ca、Mg、P、Hg、As、Cd等非金屬和金屬元素組成［4］。其主要成分以Si、Al為主。煤矸石具有較強(qiáng)的吸水特性，煤矸石的吸水性主要是由于煤矸石具有多孔特性和塑性指數(shù)決定的，其吸水率為1.2%～4.5%之間，這一性質(zhì)對(duì)于煤矸石資源化有效利用影響很大。煤矸石作為一般固體廢棄物，一般分為3種類型，一種是采煤過(guò)程中混入煤中的頂?shù)装宓膸r石；一種是巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的矸石；此外還有煤炭洗選過(guò)程中產(chǎn)生的洗選矸［5］。但無(wú)論哪個(gè)階段產(chǎn)生的矸石，各元素占比有明顯變化，主要組成成分基本不變。以山西屯蘭礦煤矸石為例，對(duì)該礦煤矸石進(jìn)行分析化驗(yàn)所得結(jié)果如表1所示。

對(duì)比分析表1可知，山西屯蘭礦煤矸石的關(guān)鍵污染元素浸出液指標(biāo)，均滿足GB/T 14848-93Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也滿足根據(jù)GB 18599-2001規(guī)定的一般工業(yè)固體廢物污染控制排放標(biāo)準(zhǔn)，屯蘭礦煤矸石在未進(jìn)行資源化利用前提下，可鑒定為一般固體廢物。屯蘭礦煤矸石工業(yè)分析和化學(xué)成分分析如表2所示。

表1 山西屯蘭礦煤矸石浸出液測(cè)試分析（mg/L）

表2 山西屯蘭礦煤矸石工業(yè)及化學(xué)成分分析（%）

對(duì)山西屯蘭礦煤矸石的成分分析結(jié)果可知，其工業(yè)分析主要成分是灰分占主要比例，其次是揮發(fā)分、水分、固定碳，全硫含量相對(duì)比較高，為0.62%。化學(xué)分析結(jié)果顯示蘭礦煤矸石的燒失量為30.19%，SiO2含量占比56.36%，其次是Al2O3，占 比27.05%，CaO、MgO分 別 占 比2.91%和0.97%。SO3為1.12%，所得結(jié)果顯示，屯蘭礦煤矸石化學(xué)成分中硫含量略微偏高，但也滿足一般固體廢棄物處置標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 國(guó)內(nèi)外煤矸石利用現(xiàn)狀分析

關(guān)于煤矸石的資源化利用既是我國(guó)面臨的難題，也是一個(gè)國(guó)際面臨的難題。早些年我國(guó)發(fā)布了《煤矸石綜合利用管理辦法》，并經(jīng)過(guò)逐步修訂，規(guī)范引導(dǎo)煤矸石資源合理利用產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展［6］；之后又發(fā)布了《煤矸石綜合利用技術(shù)政策要點(diǎn)》，闡明了煤矸石用于路基、發(fā)電、水泥配料、建筑材料、資源化回填以及無(wú)害化的應(yīng)用導(dǎo)向；2021年發(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)》中更是明確對(duì)煤矸石的資源化利用指明發(fā)展方向。

我國(guó)對(duì)于煤矸石的研究應(yīng)用起步較晚，在煤矸石的資源化利用也較少［7］。我國(guó)的煤矸石大多數(shù)用于填埋、矸石回填、路基鋪設(shè)、發(fā)電和建材等，部分企業(yè)在煤炭?jī)r(jià)格上漲后，利用煤矸石進(jìn)行發(fā)電、而大部分煤矸石則作為一般固體廢棄物進(jìn)行填埋。四川、安徽一帶企業(yè)利用煤矸石制作煤矸石支架、砌塊并成功應(yīng)用于井下，如圖1所示。有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)利用煤矸石開(kāi)展凈化水體中一些元素離子、有機(jī)質(zhì)等的探索。關(guān)于煤矸石處置問(wèn)題由于受國(guó)家環(huán)保政策管控，導(dǎo)致煤矸石作為一般固體廢棄物不能隨意填埋、丟棄，加上土地管理規(guī)劃部不再輕易批地建矸石場(chǎng)，導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)企業(yè)處理煤矸石問(wèn)題迫在眉睫。

圖1 煤矸石制備支架、砌塊工藝流程

國(guó)外對(duì)煤矸石的研究應(yīng)用比國(guó)內(nèi)更先進(jìn)、技術(shù)更超前，煤矸石的利用率較高，但也存在費(fèi)用高、處理成本高的問(wèn)題。法國(guó)在利用煤矸石領(lǐng)域走在了世界的前列，法國(guó)將容易自燃的煤矸石破碎并進(jìn)行等級(jí)劃分，添加抗沖蝕、腐蝕、耐高溫、防曬黏結(jié)劑，并將其制成用于路面邊坡、公園場(chǎng)所美化用的材料［8］。法國(guó)公路技術(shù)研究部發(fā)現(xiàn)，煤矸石經(jīng)過(guò)進(jìn)一步篩選處理后，能做成很好的建筑充填輕骨材料，且這種材料容易分層，易于壓實(shí)，添加輔助材料后形成的路基延展性較好，路面不易開(kāi)裂，經(jīng)久耐用［9］。以美國(guó)、英國(guó)為代表的西方國(guó)家煤矸石綜合利用率目前已經(jīng)突破90%。波蘭琴希托霍瓦工業(yè)大學(xué)采用氮吸附法，對(duì)天然和洗選煤矸石進(jìn)行改性處理，進(jìn)而研發(fā)出了應(yīng)用于城市廢水處理的新型材料，對(duì)水體中的有機(jī)質(zhì)以及部分有害離子起到較強(qiáng)的吸附效果［10］。馬來(lái)亞大學(xué)則研究利用燃油、棕櫚、粉煤灰、高爐礦渣（BFS）制成黏合材料和環(huán)保細(xì)骨材料，并在化工領(lǐng)取內(nèi)取得良好應(yīng)用效果［11］。日本由于是島國(guó)，礦物資源十分有重大意義［16］。煤矸石屬于一般固體廢棄物，是可利用資源，在特定環(huán)境下才是廢棄物［17］。煤矸石的資源化利用從生態(tài)環(huán)境發(fā)展前景及國(guó)家戰(zhàn)略資源來(lái)看，有必要對(duì)其資源化利用提供一定資金及政策性支持鼓勵(lì)。一是扶持我國(guó)工礦企業(yè)煤矸石處理運(yùn)行成本問(wèn)題，提升企業(yè)盈利空間。二是采用少量資金補(bǔ)貼促使煤矸石變廢為寶，解決我國(guó)煤矸石作為一般固體廢棄物進(jìn)行處置的問(wèn)題，有效解決環(huán)境污染、土地侵占問(wèn)題。此外，在煤矸石資源化限，日本充分利用高嶺石含量較高的煤矸石生產(chǎn)耐火材料，制作耐高溫、耐腐蝕的矸石磚，如多孔磚及空心磚，其性能如表3所示。

表3 多孔磚及空心磚性能測(cè)試

以美國(guó)和英國(guó)為代表，充分利用煤矸石進(jìn)行生物復(fù)田取得突破性進(jìn)展，并向全世界進(jìn)行推廣應(yīng)用。它是將煤矸石與有機(jī)肥料按照一定比例混合，在一定溫度條件下發(fā)酵制備成有機(jī)復(fù)合肥料用于復(fù)田［12］。美國(guó)還成功研究了從自燃的煤矸石山中回收矸石熱能技術(shù)，將矸石山釋放的熱能加以利用回收［13］。法國(guó)對(duì)灰分較大的煤矸石進(jìn)行洗選，回收了其中的可燃物用于發(fā)電，從而節(jié)約了煤炭。煤矸石具有較強(qiáng)的抗侵蝕、沖刷能力，并且具備良好的透水性，法國(guó)經(jīng)常將煤矸石作為一種用于充填潮濕溝洼、沼澤、塌陷、積水坑的填充材料，法國(guó)北部的大多數(shù)道路使用煤矸石作為路基材料［14］。此外，國(guó)外還充分應(yīng)用煤矸石提取、陶土材料、保溫材料、耐火材料，提取鋁鹽、二氧化硅、鈦白粉材料，同時(shí)也有相關(guān)技術(shù)在煤矸石中回收硫及硫鐵礦，但由于成本相對(duì)較高目前在實(shí)際應(yīng)用方面受限。

3 屯蘭礦煤矸石資源化利用分析

屯蘭礦煤矸石資源化利用途徑比較廣泛。屯蘭礦煤矸石中有毒有害物質(zhì)含量極少、發(fā)熱量高，主要成分為硅酸鹽礦物，與黏土化學(xué)成分極為相似，具有顏色發(fā)白且耐高溫、耐火的特性。屯蘭礦煤矸石中二氧化硅和三氧化二鋁作為煤矸石的主要成分，含量占據(jù)了煤矸石成分80%以上。經(jīng)提純搭配高嶺土、膨潤(rùn)土、活性白土，可用于制造陶瓷制品。將提純的二氧化硅用于制造玻璃制品，水玻璃以及玻璃工藝品，也用于制造建材裝飾品、美工物件等。屯蘭礦煤矸石具有較好的隔溫、保溫性能，黏合度比較高，并具有較好的抗壓能力，抗壓范圍在400～4 500 MPa，可以用來(lái)制砂，也可用于生產(chǎn)硅砂等耐火材料。屯蘭礦煤矸石硬度一般在3～4左右，容易加工破碎，破碎后的砂石經(jīng)過(guò)篩選，可用于混凝土輕質(zhì)骨料、煤矸石磚等建筑材料，也可用于模型制造，攪拌混合黏土成分制成雕刻材料。提純屯蘭礦煤矸石中的三氧化二鋁，可用于氧化膜抗氧化、耐高溫材料使用。將破碎后的煤矸石與石灰石按照一定比例混合，加入輔助填料，煅燒成半成品熟料，再經(jīng)過(guò)與石膏、鐵礦尾砂、高爐礦渣研磨混合可制成高強(qiáng)度硅酸鹽水泥。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)屯蘭礦煤矸石經(jīng)過(guò)一定程度熱處理后，清除掉矸石中有機(jī)質(zhì)以及易揮發(fā)性物質(zhì)，添加氧化鎂、氧化鋁佐料，制成孔隙率等于或大于25%的多孔磚，具有質(zhì)地輕盈、抗壓抗剪強(qiáng)度高的特點(diǎn)。此外，屯蘭礦煤矸石也可進(jìn)行活化利用，可制備泡沫混凝土、二氧化硅氣凝膠材料、纖維制品以及分子篩、煅燒高嶺土，用于回填采空區(qū)或作為路基材料鋪設(shè)道路或用于發(fā)電等。

資源化利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值潛力巨大。屯蘭礦煤矸石年產(chǎn)量約200萬(wàn)噸，資源化利用約50萬(wàn)噸，利用率只有25%，但產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值不菲。50萬(wàn)噸的矸石中，約10萬(wàn)噸用于混凝土輕骨材料制備，年產(chǎn)輕骨料約20萬(wàn)立方米，每噸成品輕骨材料價(jià)值約150元/立方米,除成本外，盈利價(jià)值約500萬(wàn)元；約10萬(wàn)噸矸石用于發(fā)電，相較于原煤支出，創(chuàng)造的費(fèi)用結(jié)余200萬(wàn)元；用于制造硅酸鹽水泥的矸石約5萬(wàn)噸，制造矸石磚所耗用矸石約5萬(wàn)噸，市場(chǎng)營(yíng)銷價(jià)值約300萬(wàn)元。目前屯蘭礦煤矸石開(kāi)展了發(fā)電、電解鋁產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益至少也有500萬(wàn)元。此外，屯蘭礦煤矸石約20萬(wàn)噸，大部分用于礦區(qū)路基鋪設(shè)，少部分用于制成礦物砂，用于廠區(qū)輔助設(shè)施以及掩體耗材所用，所節(jié)約的費(fèi)用成本約500多萬(wàn)元。屯蘭礦未利用的矸石經(jīng)處理運(yùn)輸、填埋所造成的費(fèi)用成本以及土地修復(fù)、整治等耗費(fèi)的附加費(fèi)用成本，每年投入費(fèi)用約1 500萬(wàn)元。綜合以上經(jīng)濟(jì)效益分析，從正面經(jīng)濟(jì)效益和反面處理費(fèi)用成本及節(jié)約費(fèi)用幾個(gè)角度分析，煤矸石潛在的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值巨大，值得更加深度研究開(kāi)發(fā)和利用，為我國(guó)煤矸石開(kāi)展資源轉(zhuǎn)化和創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值提供有力保障。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，煤矸石的應(yīng)用范圍實(shí)際上非常廣泛，在建筑、道路、化工、農(nóng)業(yè)、生物、陶瓷加工、材料合成等領(lǐng)域均有涉獵，但由于目前受諸多技術(shù)、方法，主要是資源化成本以及經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值限制，導(dǎo)致煤矸石的資源化利用方面嚴(yán)重受限［15］。煤矸石的資源化利用對(duì)于經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)講，具有利用過(guò)程中，由于煤矸石因形成過(guò)程及地理、地質(zhì)條件差異導(dǎo)致其成分組成等差別很大，因此，在利用煤矸石前，對(duì)煤矸石的理化性質(zhì)作精細(xì)化分析，根據(jù)成分進(jìn)行劃分利用，合理開(kāi)發(fā)一條資源一體化工藝路徑，竭盡所能將其做到物盡其用。