馮 蕊

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001)

前 言

我國煤炭資源豐富，潛力巨大，是世界產(chǎn)煤大國，其儲(chǔ)量約占全國礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的90%，占化石能源的95%，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重一直都在70%左右，煤炭工業(yè)是我國重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在未來20年內(nèi)煤炭仍然是我國的主要能源。

煤矸石是在煤形成過程中與煤伴生、共生的巖石，是煤炭開采和洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，含碳量較低，比煤堅(jiān)硬。在煤炭生產(chǎn)中，煤矸石多以矸石山形式堆放。僅以山西為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，煤礦企業(yè)兼并重組整合前約有大小矸石山4000余座，兼并重組整合后，現(xiàn)存的矸石山仍有1500多座，2010年全省矸石產(chǎn)生量8500多萬噸，目前煤矸石累計(jì)堆存量已逾10億噸。如何解決矸石山遺留的歷史環(huán)境問題，并對(duì)繼續(xù)產(chǎn)生的煤矸石進(jìn)行合理有效利用，實(shí)現(xiàn)固體廢物的資源化，并開展煤矸石高端化利用途徑的試驗(yàn)研究，加大對(duì)非煤產(chǎn)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)力度，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式、提高煤炭工業(yè)發(fā)展的質(zhì)量和效益，是當(dāng)前急需解決的主要難題。

1 煤矸石綜合利用現(xiàn)狀

1.1 煤矸石綜合利用概況

煤矸石作為煤炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，主要來自礦井矸石和洗煤廠洗選矸石，產(chǎn)生量約占煤炭開采量的5%～25%。統(tǒng)計(jì)分析煤矸石的綜合利用方向主要集中在發(fā)電、制磚、充填路基、填溝造地等，其他方面的利用量極少，利用的矸石以洗矸為主，剩余矸石以矸石山形式堆放。

以山西為例，截至2010年，全省煤矸石累計(jì)堆存量超過10億噸，矸石山1504座。截止2010年底，山西省煤矸石發(fā)電機(jī)組消耗煤矸石僅占全省煤矸石產(chǎn)量的11%，煤矸石磚廠及建材廠可利用煤矸石占比約為12%，用于填溝造地的矸石量利用率約5%，用于充填路基、塌陷坑和外售等的矸石量利用率約10%，剩余62%的煤矸石全部堆放。

1.2 煤矸石利用存在的主要問題

堆積量巨大，綜合利用率較低。隨著煤炭產(chǎn)量大幅增加，伴隨的煤矸石量也有所增加。雖然近年煤矸石在多途徑實(shí)現(xiàn)綜合利用，但煤矸石的綜合利用率還很低，綜合利用存在堆存量大而利用率小的問題。

造成一定程度的生態(tài)影響和環(huán)境污染。煤矸石堆積量巨大，全國高硫礦區(qū)矸石山存在不同程度的自燃現(xiàn)象。煤矸石已成為積存量和產(chǎn)生量最大、占用堆積場地最多的工業(yè)固廢。

利用價(jià)值鏈低端，缺乏高端利用的有效途徑。目前煤矸石在發(fā)電、制磚等方面已開展廣泛的應(yīng)用，但附加值低，利用量相對(duì)較少，大多處于價(jià)值鏈低端，回收矸石中的有用組分以及制備高附加值產(chǎn)品仍然較少，而且大多數(shù)還處于研究與示范階段，遠(yuǎn)沒有形成成熟的技術(shù)。

缺乏有效經(jīng)濟(jì)激勵(lì)約束政策和相關(guān)配套政策。煤矸石綜合利用相關(guān)政策在執(zhí)行過程中一直都有很大的阻力，涉及不同行業(yè)利益、相關(guān)企業(yè)監(jiān)督等一系列問題。對(duì)于煤矸石的資源化利用，企業(yè)天然的動(dòng)力不足，在這種形勢下，如何鼓勵(lì)和監(jiān)督企業(yè)開展煤矸石綜合利用，需要一套完善的體制來協(xié)調(diào)解決。

非煤產(chǎn)業(yè)人才缺乏，相關(guān)行業(yè)成果應(yīng)用不暢。煤炭行業(yè)與建材、化工行業(yè)之間溝通不暢，結(jié)合不好，建材、化工行業(yè)的成果未能有效在煤炭行業(yè)得到應(yīng)用和實(shí)施，缺乏一種有效融合的機(jī)制。

2 煤矸石成分分析

矸石是多種沉積巖組成的集合體，不同的沉積巖又主要由成巖礦物組成。收集我國主要產(chǎn)煤地區(qū)典型礦區(qū)已有的煤矸石工業(yè)分析、化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)，對(duì)其中主要工業(yè)、化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。從表中可知，煤矸石的主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁、固定碳和少量三氧化二鐵、氧化鈣等。

表1 典型礦區(qū)煤矸石工業(yè)化學(xué)成分分析統(tǒng)計(jì)表

3 煤矸石利用重點(diǎn)發(fā)展方向

3.1 煤矸石電廠

主要采用循環(huán)流化床鍋爐燃用矸石(低位發(fā)熱量1000～3000大卡/千克)與低熱值煤發(fā)電，電廠用矸仍舊是洗選矸石的主要利用方向，可充分利用矸石中的余熱，是大量消耗煤矸石的有效途徑之一。目前我國運(yùn)行較為成功的案例，山西平朔2*300MW機(jī)組采用循環(huán)流化床鍋爐，燃用80%煤矸石和20%低熱值劣質(zhì)煤發(fā)電;四川白馬電廠正在進(jìn)行600MW發(fā)電機(jī)組的循環(huán)流化床鍋爐燃用煤矸石的實(shí)驗(yàn)。

3.2 煤矸石建材企業(yè)

利用煤矸石為原料，生產(chǎn)煤矸石磚、裝飾磚、多孔磚等已成為煤矸石制建材較為成熟、利用廣泛的技術(shù)。制磚是有效消耗煤矸石的重要途徑之一，，實(shí)踐中，在粘土磚禁止銷售好的地區(qū)，矸石磚銷路很好，反之，粘土磚禁售不太好的地區(qū)，矸石磚普遍虧損。規(guī)劃布局此類企業(yè)應(yīng)和市場需求基本一致，應(yīng)建在矸石堆場附近，運(yùn)距以50公里以內(nèi)為宜，最遠(yuǎn)運(yùn)距不超過100公里。

3.3 煤矸石生態(tài)處置

利用煤矸石進(jìn)行填溝造地是矸石大量利用的重要方式。采用煤矸石進(jìn)行填溝造地，恢復(fù)土地生產(chǎn)力，根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，按照經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)科學(xué)合理、綜合效益最佳和便于操作的要求，在有條件的地方復(fù)墾為旱地，在條件不足或暫時(shí)不足的地方復(fù)墾為林地或草地。適用于山區(qū)和丘陵地區(qū)，可減少地面堆存的不利影響，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。針對(duì)不同類型矸石山的治理，采取不同的生態(tài)恢復(fù)治理措施。

3.4 矸石井下回填

用煤矸石進(jìn)行礦井回填，實(shí)現(xiàn)綠色開采，從源頭減少排矸量，可大量消耗煤矸石，越來越受到人們的重視。實(shí)行沿空留巷巷旁充填無煤柱開采技術(shù)，目前已在西山礦區(qū)屯蘭礦試驗(yàn)成功。在煤礦開采中，兩個(gè)工作面之間留設(shè)有煤柱，以煤矸石充填巷道來代替此留設(shè)煤柱即為沿空留巷，沿空留巷是普遍使用的一種無煤柱護(hù)巷方式，應(yīng)用沿空留巷，不僅可以大大提高煤炭資源的采出率，而且還可以緩解采掘接續(xù)緊張的局面。但由于全國不同礦區(qū)的地質(zhì)條件、支護(hù)材料來源，井型大小等差異甚大，應(yīng)該因地制宜地采用不同類型和不同技術(shù)水平的巷旁支護(hù)形式。

3.5 “以矸換煤”技術(shù)

“以矸換煤”是指煤炭開采后期對(duì)建構(gòu)筑物壓煤采用煤矸石充填回收煤柱。在留設(shè)煤柱的地方，每隔5～15m寬，順一個(gè)5m寬的煤巷，將煤采出后，再將矸石回填，具體工藝是把矸石倉的矸石破碎至25mm以下，用皮帶輸送至井下，拋矸機(jī)將矸石拋至充填點(diǎn)，同步注漿夯實(shí)防滅火。此方法在山西太原東山煤礦已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果良好，充填成本300元/噸左右。

綜上所述，煤矸石回填井下技術(shù)可行，可以實(shí)現(xiàn)地面不堆矸石的綠色開采，但成本較高代價(jià)大，有時(shí)高于開采煤炭的噸煤成本，可用于資源臨近枯竭的礦井。如大面積推廣此技術(shù)有難度，和我國現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平不相適應(yīng)。

3.6 煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了發(fā)電、制建材、用于生態(tài)處置以外，針對(duì)煤矸石組成成分，我們重點(diǎn)提出了以下幾種煤矸石的高端化利用方向。

3.6.1 煤矸石制陶瓷空心微珠

微米級(jí)陶瓷空心微珠是一種微米級(jí)的無機(jī)材料制品，由多個(gè)中空球形體聚集而成的空心球，主要用在環(huán)保建材、保溫板內(nèi)芯、橡膠樹脂等填料、乳化炸藥、高檔防火涂料、石油固井等領(lǐng)域。全球空心微珠的應(yīng)用市場巨大，2010年空心微珠的全球消費(fèi)量1.31億噸，國內(nèi)市場基本處于低端產(chǎn)品自給、高端產(chǎn)品進(jìn)口的局面。因此盡快提高國內(nèi)高端微米級(jí)陶瓷空心微珠產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，形成規(guī)模，從資源和環(huán)境發(fā)展角度意義深遠(yuǎn)。

微珠生產(chǎn)技術(shù)方案為煤矸石篩選、破碎、研磨、制漿、干燥成型和燒結(jié)的工藝，主要原輔材料有煤矸石、分散劑、添加劑、發(fā)泡劑和氧化鈣等。

3.6.2 煤矸石制無機(jī)纖維

目前國家為滿足防火要求，已明確禁止在建筑物保溫材料中使用有機(jī)聚氨酯保溫材料，并推廣無機(jī)防火保溫材料。這對(duì)煤矸石制礦物纖維、硅鋁纖維保溫材料等是很好的推廣應(yīng)用機(jī)遇。

(1)制超細(xì)礦物纖維。煤矸石制超細(xì)礦物纖維，目前在國內(nèi)作為一種新型的產(chǎn)業(yè)，具有節(jié)能、環(huán)保、純凈、良好的適應(yīng)性、成本低、效益大、市場需求廣泛等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于密封、摩擦材料、VIP板(真空絕熱板)、瀝青改性材料、造紙領(lǐng)域、建筑物保溫、吸音板、保溫砂漿等領(lǐng)域。其工藝為將煤矸石原料(煤矸石占比40～50%，其余為石灰石和少量的白云石)與填料(粘結(jié)劑、附加劑)通過自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)入熔爐，使成纖爐熔融溫度、熔體粘度、析晶度與生產(chǎn)設(shè)備的工藝參數(shù)配套，生產(chǎn)出初纖維，再進(jìn)行物理深加工和化學(xué)改性處理后，制備出成品礦物纖維。

(2)制硅鋁纖維。以矸石為原料生產(chǎn)硅鋁纖維，這項(xiàng)國外技術(shù)在國內(nèi)已研究成功，并有應(yīng)用實(shí)例。硅酸鋁纖維產(chǎn)品可應(yīng)用于石油、化工、治金、電力、建材、機(jī)械、纖維紡織等行業(yè)的窯爐、管道、鍋爐、貯罐等耐火、保溫、消音、耐熱方面。硅酸鋁纖維原料的熔融一般采用電爐作為熔化設(shè)備，主要有電阻爐和電弧爐兩種。纖維的成形方法分為噴吹法、甩絲法和甩絲-噴吹法等。

電弧法噴吹成纖、濕法制氈工藝合格配合原料加入電弧爐中熔融，形成流股，流股經(jīng)壓縮空氣或蒸汽噴吹后成為纖維，經(jīng)過除渣器除渣后，集棉形成成品纖維。成品纖維被送入攪拌槽旋渦除渣后，被送至貯料槽，施加粘接劑后形成漿料。漿料經(jīng)壓機(jī)模壓或真空吸濾，干燥形成硅酸鋁棉成品。

當(dāng)前影響推廣煤矸石制礦物纖維、硅鋁纖維應(yīng)用的主要問題是，該類產(chǎn)品和建筑領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；笥幸欢ú罹?，生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格和建筑物的粘結(jié)、抹面、固定等方面有差距，沒有形成系列和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.6.3 煤矸石制氮氧化物耐火磚

利用煤矸石中的二氧化硅、三氧化二鋁、殘?zhí)亢偷獨(dú)膺M(jìn)行碳熱還原氮化工藝合成復(fù)合氮化鋁硅耐火材料(由三氧化二鋁、碳化硅、氮化物組成)。傳統(tǒng)的氧化物耐火材料抗氧化、抗侵蝕性差，熱震穩(wěn)定性低，而氮氧化物耐火材料抗侵蝕性好、熱震穩(wěn)定性高，在國際上屬高檔耐火材料，可成為新一代冶金耐火材料，連鑄功能耐火材料以及有色金屬用耐火材料。該項(xiàng)目已開始中試，是大量消耗煤矸石，進(jìn)行高端利用的途徑之一。

3.7 其他利用方向

煤矸石除了發(fā)電、制建材、高端化利用、用于生態(tài)處置以外，目前正在研究、開發(fā)的新技術(shù)尚多，簡要介紹以下幾個(gè)方面。

3.7.1 制取工業(yè)原料

煤矸石所含的許多元素中，SiO2和Al2O3是含量最高的。因此，通過不同方法，提取其中一種元素或生產(chǎn)硅鋁材料是煤矸石化工利用的主要途徑，但僅限于矸石中Al2O3含量在35%以上的煤矸石。其中有燒結(jié)、自行糟化法生產(chǎn)氧化鋁;硫酸法生產(chǎn)氧化鋁或硫酸鋁;鹽酸和硫酸法浸取煤矸石，制取氧化鋁、聚合鋁、水玻璃和白炭黑等;生產(chǎn)銨明礬。其中氧化鋁和聚合鋁是用途最為廣泛的產(chǎn)品，它們都可用作凈水劑。結(jié)晶氯化鋁可以作為熔模精密鑄造工業(yè)中的硬化劑和造紙工業(yè)中的硬化劑和施腔沉淀劑。聚合鋁還可用作水泥速凝劑.耐火材料的凝結(jié)劑等。生產(chǎn)實(shí)踐表明，作為鋁鹽原料的沸騰爐渣必須符告下列三個(gè)條件:a、礦物組分雜質(zhì)含量要低.含鐵量應(yīng)控制在1.5%以下，鈣鎂也應(yīng)控制在0.5%以下;b、氧化鋁含量要高，一般要求在35%以上:c、酸溶出率要高(一般要求大于80%)。

3.7.2 生產(chǎn)沸石分子篩

煤矸石可作為沸石合成原料使用。煤矸石的礦物成分主要是高嶺石，是一種較為純凈的高嶺石泥巖，含有合成沸石所必備的成分Al2O3、SiO2和少量Na2O，經(jīng)過適當(dāng)處理，采用合適的工藝條件，可以合成合格的沸石晶體。在形成時(shí)代上以石炭紀(jì)、二疊紀(jì)煤層中的煤矸石合成效果達(dá)到最佳。

3.7.3 煤矸石制陶粒

陶粒也稱輕骨料，是一種新型墻體材料，具有容量小、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。矸石陶粒生產(chǎn)工藝類似粘土陶粒，可單獨(dú)或其他原料配合，經(jīng)磨細(xì)、配料、攪拌、成球、干燥和焙燒(1100～1300℃)形成表皮堅(jiān)硬、內(nèi)部呈微細(xì)膨脹氣孔的人造輕骨料。要求煤矸石中SiO2含量在55% ～65%之間，Al2O3含量一般低于28%，CaO和MgO含量不得超過6% ～8%，F(xiàn)e2O3以5% ～10%最佳，有機(jī)碳含量2% ～5%為宜。

綜上所述，煤矸石用來發(fā)電、制磚、填溝造地是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的綜合利用途徑，可消耗大量煤矸石，是常規(guī)利用方法，有條件時(shí)應(yīng)大量推廣。利用煤矸石制空心微珠、礦物纖維、硅鋁纖維、氮氧化物耐火材料等高端利用產(chǎn)品，其產(chǎn)品附加值高，市場前景廣闊，潛力巨大，應(yīng)加快工廠生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，這是未來煤矸石綜合利用的發(fā)展方向。

4 結(jié)語

以規(guī)劃引導(dǎo)推動(dòng)煤矸石資源化利用迫在眉睫，建議國家在煤矸石綜合利用項(xiàng)目方面給予政策優(yōu)惠，鼓勵(lì)企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，采用減、免、緩等優(yōu)惠政策支持資源化發(fā)展。大力加強(qiáng)煤炭行業(yè)和建材、化工等行業(yè)的銜接和深度融合，加快煤矸石高端化利用的推廣，使煤矸石綜合利用成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

［1］山西省煤矸石資源綜合利用“十二五”規(guī)劃［R］.

［2］王麗.淺談?dòng)芰质懈瓤h煤炭資源整合環(huán)境影響評(píng)價(jià)中杜松自然保護(hù)區(qū)問題［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，37(5):92-94.