煤矸石特性與資源化利用研究

2018-01-08來源：環球破碎機網

煤矸石是我國積存量和年產生量最大、分布最廣的工業廢渣之一，據《中國資源綜合利用年度報告（2014）》中數據顯示，2013年我國煤矸石總產生量接近7.5億t，綜合利用量為4.8億t，占年總產量的64%，其中發電利用煤矸石1.5億t，占總綜合利用量的32%；用于建材產品生產利用量為5600萬t，占總綜合利用量的12%；用于土地復墾、充填礦井采空區和回填塌陷區等的煤矸石量約2.6億t，占總綜合利用量的56%。

為有效并高效地實現煤矸石綜合利用，目前已開發的技術先進適應性良好、環境—經濟效益較好的途徑有：煤矸石的能源利用、發電利用和建材利用等。然而由于煤矸石的成分特征、堆存方式和堆積地形等因素，長期大量露天堆放的煤矸石山不僅侵占農業耕地和破壞地表原有植被，矸石淋溶水還將污染礦區周圍土壤和地下水，而且煤矸石中FeS等物質由于被空氣氧化，熱量不斷積累并達到燃點時導致煤矸石中易燃、可燃物自燃，期間釋放出大量的SO2、NOx、CO、CO2等有毒有害氣體極大提高了礦區周邊的生態風險和人體健康風險，故實現煤矸石的高效綜合利用成為相關研究工作者的研究方向。

1 煤矸石的特性

1.1煤矸石的組成

煤矸石是在煤炭采掘和洗選加工過程中產生的礦山固體廢棄物，是夾在煤層中、在成煤過程中與煤共同沉積的有機、無機化合物共同組成的含碳巖石，其主要來源為露天剝離及巷道掘進過程產生的矸石（45%）、采煤和煤巷掘進過程中排出的普矸（35%）以及煤炭洗選過程產生的矸石（20%）。同時煤矸石是有機質和無機化合物組成的混合物，其化學組成主要為SiO2、C和Al2O3，除此之外還包括Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等，煤矸石的化學成分見表1。煤矸石礦物組成較為復雜，主要由高嶺土、石英、伊利石、蒙脫石、石灰石、氧化鋁等組成。

表1煤矸石化學組成%

1.2煤矸石的結構特點

煤矸石的原礦粒度較大，其中黃鐵礦主要以結核體、塊狀、粒狀等宏觀形態為主，礦物之間呈細粒浸染狀，洗矸中的黃鐵礦以塊狀、脈狀、結核狀及星散狀四種形態存在，而硅質煤矸石的宏觀形態呈黑色隱晶質結構，礦物構造為紋層狀和塊狀。

1.3煤矸石物理性質

煤矸石的發熱量是指單位質量的煤矸石在一定條件下完全燃燒所能釋放出的能量，通常其發熱量隨碳質量分數和揮發分的增加而增加，隨灰分的增加而減小。

我國煤矸石的發熱量多在6300kJ/kg以下，熱值高于6300kJ/kg的煤矸石僅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在一定條件下加熱，隨著溫度升高產生軟化、熔化的現象。我國煤矸石灰分中SiO2、Al2O3含量普遍較高，因此煤矸石的灰熔點（在規定條件下測得的引起煤矸石變形、軟化和流動的溫度）相當高，最低為1050℃，最高可達1800℃左右，鑒于此特性，煤矸石可用作耐火材料。另外，煤矸石還有一定的膨脹性、可塑性、收縮性，具有一定的硬度和強度。

1.4煤矸石的有害雜質

煤矸石中復雜的化學組分經不同的處理工藝和釋放機制導致煤矸石中的有害雜質對周邊土壤、水環境或生態環境產生不利影響。張明亮等通過分析煤矸石樣品中重金屬的釋放、遷移活性，并利用潛在風險評估法分析矸石山周邊潛在的生態風險，研究發現煤矸石樣品中重金屬的主要形態為殘渣態，且不易發生遷移轉化，但是少量的酸溶態、結合態重金屬在受到降雨噴淋或長期處于潮濕狀態后由于遷移轉化加快從而容易造成重金屬污染。徐州市環境監測中心站以煤礦區及煤矸石的污染特征為依據，選取16種EPA優先控制多環芳烴（PAHs）污染物，采用高效液相色譜法對不同堆積年限的礦區煤矸石山周圍塌陷區的水體樣品進行測試，分別分析此類水體中單個PAHs和總PAHs的分布情況及水體中PAHs不同環數的組成情況，試驗結果顯示由于PAHs的疏水性導致周邊水體中覲AHs含量不高，而在部分水樣中測出苯并(?)芘可知監測礦區附近水體受到PAHs一定程度的污染。

2 國內外煤矸石資源化利用對比

2.1國外利用情況

以美國、英國為代表的西方國家煤矸石總綜合利用率突破90%。琴希托霍瓦工業大學環境工程學院通過氮吸附法研究了天然和改性煤矸石的結構和表面性質，從而開發了煤矸石作為工業廢水預處理中的廉價吸附劑的新應用；馬來亞大學則利用棕櫚—燃油—粉煤灰（POFA）、粉煤灰（FA）、高爐礦渣（BFS）作為粘合劑和細骨料，分別可以替代傳統材料。當前國外煤矸石綜合利用的發展趨勢為：在工藝選擇上堅持節能降耗；在產品性能上大力生產輕質、高強產品；在建材產品上由傳統的混凝土向新型保溫墻材料轉換。

2.2國內利用情況

我國對煤矸石的應用范圍及比例見圖1。

圖1我國煤矸石主要利用途徑

2.2.1煤矸石發電

對含碳量高的煤矸石，即含碳量≥20%（熱值在6270～12550kJ/kg），可以直接用作流化床鍋爐的燃料用于煤矸石發電。煤矸石發電不僅解決了煤矸石堆放所帶來的環境問題，而且可以緩解我國能源緊張的局面，并且在其生產工藝過程中，產生的有害氣體、煙塵、廢棄物基本上都能夠得到有效回收，大氣污染物的排放也可控制并達到國家排放標準。國華寧東發電公司現已建成并投產使用的一期工程2×330MW機組以煤礦廢棄的劣質煤和煤矸石作為發電主要染料，該發電公司設計每年使用燃煤287萬t，其中煤矸石占51.2%，其生產用水采用周邊礦井水且采用空冷技術，符合國家資源綜合利用產業政策，實現了工業固體廢物零排放、循環利用和資源化綜合利用。

2.2.2煤矸石建材

（1）節能墻體材料的開發利用。我國早在20世紀80年代通過引進國外破碎、擠出、焙燒技術很快完善并提高了我國在利用煤矸石生產燒結墻體材料方面的技術。在燒結新型墻體材料中，作為節能型綠色產品的煤矸石燒結自保溫砌塊性能能夠滿足國家建筑節能65%的要求。節能墻體材料的利用減少了建筑單位的各種設計、砌筑、配套等相關費用并能免去使用過程中的維護費用，更由于墻體輕質的特點節省了大量的基礎建材費用，是一種節能、環保、可持續發展的綠色建材產品。

（2）煤矸石生產陶粒輕骨料。陶粒輕骨料由于其輕質、保溫、高強、附加值高的特點，能夠替代普通混凝土中的粗骨料，且符合高層建筑輕質、高強的發展方向。含碳量低于13%的煤矸石適宜作為生產輕骨料原料。內蒙古科技大學利用包頭地區堆積密度較大的粉煤灰陶粒、礦粉、粉煤灰等原材料，通過正交試驗的方法研制出導熱和抗凍性能良好的LC40結構粉煤灰陶粒輕骨料混凝土。

（3）煤矸石生產水泥。我國在煤矸石生產水泥及水泥混合材方面的應用較早，但由于難以突破實際生產過程中的技術瓶頸，從而抑制了煤矸石制水泥的發展。

近年來，我國在煤矸石生產水泥的技術開發上取得了重大突破。裘國華通過對煤矸石、尾礦以及石灰石的研磨試驗、物化性質及熱解分析，并建立相關動力學模型，得出煤矸石—尾礦—低品石灰石代替黏土煅燒水泥技術節能效果顯著的結論。

2.2.3生產化工產品

采煤和巷道掘進過程中的掘進煤矸石含大量礦物元素且回收利用價值高。煤矸石中主要的礦物成分為SiO2、Al2O3，另外還含有數量不等的Fe2O3、FeS2、Mn、P、K及微量稀有元素（Ga、V、Ti、Co）等，可分別制備鋁系、硅系、炭系化工產品、制取鈦白粉及提取鎵。高鋁煤矸石（Al2O3的質量分數≥35%）可通過加以一定的外界能量以破壞其原有的結晶相，從而制備成本、能耗低和副產品價值高的鋁系產品。以煤矸石為原料，利用溶劑萃取法、萃淋樹脂法、液膜法等提取出來的金屬鎵主要用于半導體工業，以鎵化合物為基礎的產品用于電子技術較硅、鍺具有更大的優點。有效回收煤矸石中的SiO2成分可生產白炭黑（SiO2˙nH2O）、SiC等硅系化工產品。含FeS2的煤矸石由于自身氧化產生的SO2雖是大氣環境的主要污染物，但硫鐵礦是化學工業制備硫酸的重要原料，從煤矸石中回收硫鐵礦具有較高的經濟效益和生態效益。

2.2.4改良土壤

礦區可利用暫時不能加工利用的巖石及自燃矸石充填塌陷區或復墾，這對礦區固體廢物的有效治理、生態環境的恢復可起到一定的作用。目前利用微生物改善煤矸石理化性狀的生物復墾技術成為礦區土地復墾的熱點技術，其中中國礦業大學（北京）的畢銀麗教授開發的利用煤矸石中的有效基質培養叢枝菌根真菌從而用于煤礦區復墾區土壤修復的技術，開創了煤矸石用于改良土壤的新技術體系。畢銀麗教授等在寧夏大武口洗煤廠矸石山（作為生長基質）混合種植接種和不接種叢枝菌根真菌劑的白蠟幼苗，實驗結果表明接種菌根真菌13個月后能夠有效提高植被成活率（15%），促進植株生長（接種植物蓋度高于對照9%）和侵染率（高達90%以上），且菌絲長度較對照伸長1.4倍，擴大了根系的范圍，該研究極大促進了煤矸石的資源化利用和矸石山周邊的生態恢復，為煤矸石綜合利用指明了新的研究和發展方向。

2.2.5煤矸石的高附加值利用

近年來，為了突破傳統的煤矸石資源化利用技術體系，國內研究學者將研究方向轉向煤矸石的高附加值利用且技術開發效果顯著。如昆明理工大學結合室內試驗提出采用高濃度酸-微波加熱法提取煤矸石中的高純度硅，再加入Na2SO4制備水玻璃，有效實現了煤矸石的高附加值利用。遼寧工程技術大學的李彩霞等利用煤矸石中的硅酸鹽成分，將經化學改性后的煤矸石制成橡膠補強材料，在產品性能、節能環保方面均領先炭黑。神華烏海能源有限公司開發出了煤矸石—脫硫石膏—石灰—水泥（發氣劑為鋁粉）生產泡沫混凝土，充分利用了煤矸石的高附加值。綜上，我國煤矸石綜合利用途徑多樣，具體工業化選擇途徑見表2。

表2煤矸石工業利用途徑