孫志軍 ，李 貞 ，趙俊吉，王俊章，竹 濤，謝 蔚

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司，山西省長治市，046299；2.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省廣州市，510640；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)大氣環(huán)境管理與污染控制研究所，北京市海淀區(qū)，100083)

0 前言

煤矸石是伴生煤炭開采和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢物[1]，目前我國煤矸石山已超過 1 500座，全國貯存的矸石達(dá)到40億t以上，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國每年新增加的煤矸石約在3億t以上，除了綜合利用約 6 000萬t外，其余大部分煤矸石基本在就近地域堆積和貯存[2]。粉煤灰是火力發(fā)電企業(yè)(含利用蒸汽作業(yè)的燃煤企業(yè))在生產(chǎn)時(shí)，煤粉燃燒過程中排放出灰渣的總稱，2018年我國粉煤灰行業(yè)產(chǎn)量高居世界第一，達(dá)到6.86億t。不經(jīng)任何處理露天堆放的煤基固廢是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要污染源之一，不僅占用了大量土地資源，而且還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，例如土壤污染、空氣污染和地質(zhì)災(zāi)害[3]。因此，如何處理這些大宗煤基固廢成了如今固廢領(lǐng)域亟待解決的難題[4]。

隨著我國環(huán)保法規(guī)的不斷完善，對更加高值有效的煤基固廢處理方法的需求也在不斷增長。煤基固廢在建材工業(yè)、能源工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他新興工業(yè)中均具有廣泛的應(yīng)用，煤基固廢自身的性質(zhì)在很大程度上影響到了煤基固廢的利用途徑，在一般情況下，根據(jù)煤基固廢的巖石特征、鋁硅比、含碳量和全硫含量這4個(gè)因素來決定較為合適的利用途徑[5]。煤矸石的主要利用途徑有生產(chǎn)建筑材料及制品、做燃料、復(fù)墾及回填礦井采空區(qū)、回收有益資源及制取化工產(chǎn)品、改良土壤等等[6]；而粉煤灰由于和煤矸石主要成分較為相似，除去發(fā)熱量低無法用作燃料外，其利用途徑也與煤矸石大致相似。

另一方面，煤基固廢在綜合利用過程中可能會存在相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)煤基固廢作為燃料時(shí)，其燃燒伴隨著顆粒物(PM)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和各種重金屬，在高溫下以復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)以氣相形式釋放到大氣中，從而對空氣質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[7]；當(dāng)煤基固廢用作建筑材料的生產(chǎn)時(shí)，通常需要在600～1 000 ℃下煅燒，以排除粘土礦物中的碳和結(jié)合水，煅燒過程中產(chǎn)生的污染物以空氣中污染物(包括二氧化硫、氮氧化物和重金屬)的形式釋放到環(huán)境中，引起各種環(huán)境問題，并嚴(yán)重威脅人類健康[8]；對于生產(chǎn)農(nóng)肥或改良土壤，煤基固廢隨著時(shí)間的增加會浸出重金屬元素，重金屬污染土壤中生長的農(nóng)作物會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)植物中有毒污染物的積累，從而通過食物鏈損害人類健康[9]?？梢钥闯觯夯虖U的物理化學(xué)性質(zhì)影響著煤基固廢用途的同時(shí)，也決定著其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的大小。

孟凡鳳[10]等研究人員對內(nèi)蒙古西部地區(qū)煤基固廢煤矸石性質(zhì)的顆粒組成、吸水率、膨脹率、燒失率、pH值、壓碎值和堅(jiān)固性等指標(biāo)進(jìn)行研究，確定其可作為路用材料和路堤填料；王瑛彤[11]等研究人員對吉林省工業(yè)固廢資源進(jìn)行分析，利用工業(yè)固廢進(jìn)行地質(zhì)聚合物制備試驗(yàn)，為吉林市工業(yè)固廢資源探求資源化方法；楊旭[12]等研究人員針對煤矸石所具備的礦物成分、微量元素含量、物理化學(xué)性質(zhì)等特征，對遵義地區(qū)煤研石綜合利用提出直接利用于建筑材料及其他材料、化工產(chǎn)品提取以及用于能量轉(zhuǎn)換。

筆者選擇煤基固廢中的典型大宗固廢煤矸石和粉煤灰，以山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司不同地區(qū)的煤矸石和粉煤灰為研究對象，通過對其化學(xué)組成、礦物組成、發(fā)熱量、重金屬含量、灰分含量、水分含量、含碳量和全硫量等物理化學(xué)性質(zhì)的研究，來探索適合山西地區(qū)煤基固廢的綜合利用方案，在尋求最佳方案的同時(shí)考慮其所帶來的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，為提高山西省典型煤電基地固廢利用率和產(chǎn)業(yè)化實(shí)際應(yīng)用提供研究依據(jù)，為我國大宗固廢綜合利用的發(fā)展提供衡量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際案例。

1 煤矸石相關(guān)特性試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用煤矸石來源于山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司，為了便于研究和分析，在山西潞安23個(gè)礦區(qū)煤矸石樣品中選擇了樣品差異較大的6組樣品，并對潞安煤矸石樣品進(jìn)行了編號，煤矸石1～6號樣品分別來源于潞安化工集團(tuán)有限公司五陽煤業(yè)、五里垢煤業(yè)、石圪節(jié)煤業(yè)、山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司、夏店煤業(yè)和上莊煤業(yè)；粉煤灰1～3號樣品按照序號順序，分別來源于潞安化工集團(tuán)有限公司五陽熱電廠、容海電廠和余吾熱電廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1化學(xué)成分分析

煤矸石化學(xué)成分檢測采用《煤灰成分分析方法》(GB/T 1574-2007)，用于分析煤矸石樣品中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO等的百分含量。其中，采用硅鉬藍(lán)分光光度法測定SiO2的含量，采用氟鹽取代EDTA絡(luò)合滴定法測定Al2O3的含量，采用EGTA絡(luò)合滴定法測定CaO的含量，采用鈦鐵試劑分光光度法測定Fe2O3的含量，采用EDTA絡(luò)合滴定法測定MgO的含量。

煤矸石樣品礦物成分分析采用X射線衍射半定量分析法(XRD)，具體分析方法參照《沉積巖粘土礦物相對含量X射線衍射分析方法》(SYT5163-1995)執(zhí)行。

1.2.2發(fā)熱量測定

使用微機(jī)量熱儀對煤矸石樣品發(fā)熱量進(jìn)行測定。將煤矸石樣品粉碎、研磨至粉末過篩，并以105 ℃的條件下烘干。稱取0.5 g樣品放置于微波消解罐，之后再加入10 mL的王水加蓋密封。將微波消解罐放置于系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤上，設(shè)置調(diào)整消解程序，進(jìn)行樣品消解過程。在5 min內(nèi)升溫至120 ℃，恒溫3 min后繼續(xù)升溫10 min，使溫度達(dá)到180 ℃，最后再恒溫15 min后將溫度降至室溫。達(dá)到室溫后取出消解罐，將樣品轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯坩堝中，加熱電熱板趕酸，待樣品剩余液體接近1～2 mL時(shí)取下，在室溫下冷卻，利用含量為0.2%的硝酸定容至50 mL的容量瓶中待測。

1.2.3重金屬含量測定

利用美國熱電公司生產(chǎn)的型號為iCAP 6000 SERIES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，對待測溶液進(jìn)行汞、鎘、鉻、鉛、砷等重金屬含量測定。

1.2.4灰分含量測定

將煤矸石樣品制成空氣狀態(tài)下樣品粒度小于0.2 mm的分析試樣，利用美國LECO-TGA701工業(yè)分析儀進(jìn)行工業(yè)分析，測定計(jì)算其灰分含量。

1.2.5含碳量和全硫含量測定

將煤矸石和粉煤灰樣品制成空氣狀態(tài)下樣品粒度小于0.2 mm的分析試樣，利用美國LECO-TGA701工業(yè)分析儀進(jìn)行工業(yè)分析，測定計(jì)算其水分含量。對煤矸石樣品進(jìn)行元素分析，測定其含碳量和全硫含量；對粉煤灰樣品進(jìn)行元素分析，測定其含碳量。

1.2.6燒失量測定

按四分法對煤矸石和粉煤灰粉末樣品進(jìn)行取樣，準(zhǔn)確稱取1 g試樣，置于已灼燒恒重的瓷坩堝中，將蓋斜置于坩堝上，防止在高溫爐內(nèi)從低溫開始逐漸升高溫度，在950～1 000 ℃下灼燒15～20 min后取出坩堝，置于干燥器中冷至室溫。稱量，如此反復(fù)灼燒，直至恒重，計(jì)算得出其燒失量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤基固廢物理化學(xué)成分性質(zhì)與資源化利用的關(guān)系

煤基固廢利用途徑較多，根據(jù)煤基固廢利用的技術(shù)和方法可分為直接利用型、提質(zhì)加工型和綜合利用型，也可按資源回收利用和工程利用方法進(jìn)行分類，其資源化利用選擇不僅要考慮可行性，還要考慮其利用過程中對于環(huán)境的影響，因此綜合考慮，煤基固廢利用途徑及某種利用途徑對其基本物理化學(xué)成分要求見表1。

2.2 煤矸石的測定結(jié)果與討論

2.2.1煤矸石的化學(xué)組成

煤矸石的化學(xué)成分一般是指煤炭加工煅燒過程中所產(chǎn)生的灰渣的化學(xué)成分，大部分是無機(jī)化合物轉(zhuǎn)變成的氧化物，主要包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO等[11]。煤矸石1～6號樣品XRD圖譜如圖1所示。

由圖1可以看出，1～6號樣品均屬于高嶺石巖。

不同地域的礦巖成分不同，會影響當(dāng)?shù)孛喉肥瘜W(xué)成分和含量，因此可以通過煤矸石中氧化物的含量來判斷礦巖成分和煤矸石類型。煤矸石樣品中主要化學(xué)成分含量見表2。

表1 煤基固廢利用途徑及某種利用途徑對其基本物理化學(xué)成分要求

圖1 煤矸石1～6號樣品XRD圖譜

表2 煤矸石樣品中主要化學(xué)成分含量

由表2可以看出，煤矸石樣品中所含二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～65%，所含三氧化二鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大部分在30%以上，三氧化二鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)處在30%以下的樣品只有3號，其值為21.790 2%。通過對樣品數(shù)據(jù)的整體分析可得，煤矸石樣品的鋁硅比為0.25～1.10， 只有3號樣品的鋁硅比低于0.5，其余樣品的鋁硅比值均大于0.5。從樣品氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)中可以看出，煤矸石樣品中所含氧化鈣的量普遍相對較低，其值都在10%以下。煤矸石樣品中含三氧化二鐵量幾乎都在15%以下，除了3號樣品三氧化二鐵含量較高，達(dá)到17.70%，1號、2號、4號和6號樣品的三氧化二鐵含量均在1%～2%。從樣品的氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比中可以看出，煤矸石樣品中氧化鎂含量相對較高，氧化鎂含量均高于3%。

煤矸石的化學(xué)組成是用來測定不同地區(qū)煤矸石物化特性，進(jìn)一步選擇不同利用方式的衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)煤矸石的化學(xué)成分分析，3號煤矸石樣品的三氧化二鋁含量約為22%，粘土礦含量較高，比較合適用來生產(chǎn)煤矸石劈離磚。

當(dāng)煤矸石樣品中的鋁硅比(三氧化二鋁/二氧化硅)大于0.5時(shí)，可以用來制備陶瓷、沸石分子篩及煅燒高嶺土。根據(jù)表2可知，除了3號樣品的鋁硅比小于0.5，其他樣品均大于0.5，滿足制備陶瓷、沸石分子篩及煅燒高嶺土的要求。

2.2.2煤矸石的發(fā)熱量

目前煤矸石的利用途徑主要包括煤矸石沸騰爐發(fā)電、煤泥循環(huán)流化床發(fā)電、煤矸石制磚、煤矸石生產(chǎn)水泥等，都是利用其中的熱量。發(fā)熱量可以通過彈筒發(fā)熱量、高位發(fā)熱量和恒容低位發(fā)熱量等多種計(jì)算方式表示。煤矸石樣品彈筒發(fā)熱量如圖2所示。

在充入過量氧氣的條件下，樣品在氧彈量熱儀中燃燒定量的試樣所產(chǎn)生的熱量稱為彈筒發(fā)熱量，燃燒后產(chǎn)物為CO2、H2SO4、HNO3、N2、液態(tài)水、固態(tài)的灰等。

煤矸石的高位發(fā)熱量更接近于在工業(yè)中的實(shí)際燃燒發(fā)熱量。在實(shí)際煤矸石燃燒過程中燃燒產(chǎn)物與氧彈中燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物有所區(qū)別，硫只生成二氧化硫，氮成為游離氮，不會產(chǎn)生H2SO4和HNO3。因此用彈筒發(fā)熱量減掉稀硫酸生成熱和二氧化硫生成熱之差以及稀硝酸的生成熱，可得出高位發(fā)熱量。

工業(yè)燃燒中水分全部呈水蒸氣與廢氣一同排出，而氧彈中燃燒條件下，水蒸氣會在密閉狀態(tài)凝結(jié)成液體，影響煤矸石的發(fā)熱量測量。因此用恒容高位發(fā)熱量減掉水的蒸發(fā)熱，可以得出恒容低位發(fā)熱量。

圖2 煤矸石樣品彈筒發(fā)熱量

由圖2可以看出，5號樣品的發(fā)熱量值最高，為23.3 kJ/g；1號、2號和4號樣品的發(fā)熱量值較低，分別為2.1 kJ/g、0.4 kJ/g、1.3 kJ/g，而3號和6號樣品發(fā)熱量分別為5.4 kJ/g、9.3 kJ/g，處于5 ～10 kJ/g之間。

對煤矸石發(fā)熱量利用途徑進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，1號、2號和4號樣品的發(fā)熱量值很低，可作為建材原料，比如混凝土骨料、水泥的混合材料，也可用于復(fù)墾采煤塌陷區(qū)和回填礦井采空區(qū)；3號樣品的發(fā)熱量值為2.09～6.27 kJ/g，熱值較低，可以考慮生產(chǎn)水泥、磚等建材制品；5號和6號樣品的熱值較大，可以考慮用作混合燃料發(fā)電等用途。

2.2.3煤矸石的灰分含量

煤矸石灰分是煤炭在一定溫度充足氧氣條件下完全燃燒后的固體殘?jiān)瑴y定灰分含量即測定氧化物殘?jiān)嫉馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)(即重量百分比)，煤矸石其灰分與煤的發(fā)熱量有很大關(guān)聯(lián)。煤矸石樣品灰分含量如圖3所示。

由圖3可以看出，煤矸石樣品中的灰分含量值從30%～90%不等，其中5號樣品的灰分含量較低，為33.16%，其余5個(gè)樣品的灰分含量均在64%以上。

圖3 煤矸石樣品灰分含量

2.2.4煤矸石的重金屬含量

煤矸石的重金屬含量也是煤矸石利用途徑的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，主要測定了樣品中所含的砷、鎘、鉻、鉛、汞這5種重金屬的含量，測定結(jié)果見表3。

表3 煤矸石樣品重金屬含量 mg/kg

由表3可以看出，煤矸石樣品中鉛含量多數(shù)低于20 mg/kg，只有4號樣品中的鉛含量相對較高，其值分別為30.5 mg/kg；煤矸石樣品間砷含量值差別較大，其中6號樣品中無法檢出砷，而3號和4號樣品的砷含量則較高，其值分別為43.1 mg/kg和40.8 mg/kg，其余樣品中的砷含量處于0～30 mg/kg之間；煤矸石樣品的鉻含量均低于100 mg/kg，其中，3號樣品的鉻含量相對較高，其值為95.8 mg/kg；對于煤矸石樣品的鎘含量，其值均低于0.8 mg/kg，其中1號、3號和4號樣品中的鎘含量太低，而無法檢出。樣品中的汞含量只有2號樣品檢測為44.6 mg/kg，其余5個(gè)樣品均無法檢出。

煤矸石用于復(fù)墾種植、制備肥料、改良土壤時(shí)對重金屬含量有嚴(yán)格的要求，煤矸石里的重金屬元素隨著時(shí)間的增加緩慢浸出，其重金屬含量越高，用于這3種用途時(shí)潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)越大。

2.2.5煤矸石的水分含量

煤矸石用以制備建筑材料如水泥、燒制磚等對水分有較高要求[12]，煤矸石樣品水分含量如圖4所示。

圖4 煤矸石樣品水分含量

由圖4可以看出，煤矸石樣品水分含量較低，所有樣品的水分含量均低于2%。2號樣品水分含量最高，達(dá)到1.92%，其他樣品水分含量均在1%左右。

當(dāng)煤矸石樣品滿足灰分≤85%、水分<2%、全汞≤3 mg/kg、全砷≤30 mg/kg、全鉛≤100 mg/kg、全鎘≤3 mg/kg、全鉻≤150 mg/kg時(shí)，可以用以制取微生物肥料。除1號、2號和5號外，其他樣品的灰分含量低于85%，所有樣品水分含量均低于2%。結(jié)合煤矸石重金屬含量分析，除2號外的其他樣品符合全汞含量要求；6號樣品中無法檢出砷，1號、2號和5號樣品中的砷含量處于0～30 mg/kg之間；煤矸石樣品的鉻含量均滿足≤150 mg/kg的要求；此批煤矸石樣品的鎘含量均低于3 mg/kg；樣品全部滿足全鉛含量≤100 mg/kg；綜上所述，3號和6號樣品滿足以上條件要求，可以用來制備微生物肥料。

2.2.6煤矸石含碳量

含碳量是煤矸石基礎(chǔ)性質(zhì)的一種，也是煤矸石綜合利用過程中的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，且與煤矸石發(fā)熱量呈正相關(guān)。通常情況下按含碳量可以將煤矸石分為4類煤矸石，即含碳量小于<4%為一類煤矸石，含碳量處于4%～6%之間為二類煤矸石，含碳量在6%～20%之間為三類煤矸石，四類煤矸石其含碳量大于20%[13]。煤矸石樣品含碳量如圖5所示。

圖5 煤矸石樣品含碳量

由圖5可以看出，煤矸石樣品間含碳量差別較大，2號和4號的含碳量最低，分別為2.7%和5.04%，而5號和6號樣品則含碳量相對較高，為59.9%和27.3%。

煤矸石代粘土燒制硅酸鹽水泥熟料時(shí)，一般采用三類煤矸石，盡量不用砂巖和砂質(zhì)泥巖。水泥熟料的成分可以用不同原料、不同比例進(jìn)行混合，比如煤矸石、石灰石等原料添加不同比例進(jìn)行配置，所以對煤矸石的成分不作具體精確的要求，因此，1號和3號煤矸石樣品可以用來代粘土燒制硅酸鹽水泥熟料。

煤矸石利用途徑中用作生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥原料的要求是三類煤矸石，且三氧化二鋁的含量大于28%。根據(jù)圖5分析符合三類煤矸石的是1號和3號，根據(jù)表2可知除了3號樣品外，其他的煤矸石樣品均符合三氧化二鋁的含量大于28%的要求。綜合以上要求，只有1號樣品能夠滿足生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥的煤矸石的性質(zhì)要求。

當(dāng)煤矸石樣品滿足以下條件時(shí)，可以用于制取氟鋁酸鹽水泥：一般要求是三類煤矸石，或采用中、高鋁煤矸石，當(dāng)鋁含量過低時(shí)，也可以加入適量的礬土進(jìn)行調(diào)整。由前面的檢測分析可知，3號和6號樣品屬于三類煤矸石；除6號外其余樣品均屬于中、高鋁樣品。綜合以上研究，同時(shí)滿足以上2個(gè)條件的樣品為1號，因此1號樣品可以用來生產(chǎn)氟鋁酸鹽水泥。

煤矸石生產(chǎn)煤矸石瓷質(zhì)磚首先要求是粘土質(zhì)煤矸石，且鐵、硫和含碳量均較低[14]，煤矸石盡量用三類煤矸石，因此1號樣品也滿足生產(chǎn)煤矸石瓷質(zhì)磚的要求。

當(dāng)煤矸石的含碳量達(dá)到20%以上時(shí)，屬于四類煤矸石，其發(fā)熱量較高，一般可用作燃料。由煤矸石樣品的含碳量分析可知，所研究的煤矸石樣品中，5號和6號樣品的含碳量超過了20%，因此可以作為燃料進(jìn)行使用。

2.2.7煤矸石的全硫量

煤矸石中全硫量較高時(shí)，可以將煤矸石用作硫精礦回收，且不適宜用作混合燃料和煅燒建筑材料，煤矸石中硫元素會在煅燒過程中生成SO2，隨著廢氣排放至外界。用于燃料和煅燒建筑材料過程中，全硫率越低，排放到大氣中的SO2污染物越少，其帶來的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)越小。煤矸石樣品全硫量如圖6所示。

由圖6可以看出，煤矸石樣品全硫含量較低，只有3號樣品的全硫含量高于6%，達(dá)到了7.84%，其余大部分低于1%。

當(dāng)煤矸石中全硫的含量在6%以上時(shí)，按照煤矸石用于回收硫精礦的技術(shù)要求，可以用來回收硫精礦。煤矸石樣品中3號樣品的全硫含量高于6%，可以符合此項(xiàng)用途的要求。

圖6 煤矸石樣品全硫量

2.2.8煤矸石的燒失率

燒失率又稱為灼減量，是指坯料在充分燃燒后物量的損失，主要包括煤矸石中的有機(jī)雜質(zhì)，燒成過程中除去的結(jié)晶水、碳酸鹽分解出的CO2，以及硫酸鹽分解出的SO2。燒失率大的煤矸石，燒成制品的收縮率就愈大，還易引起變形、缺陷等，不適合制備建筑材料及制品。煤矸石樣品燒失率如圖7所示。

圖7 煤矸石樣品燒失率

由圖7可以看出，所有樣品的燒失率均高于10%，其中5號樣品的燒失率值高達(dá)70.6%。由分析可知，燒失率越高，越不適于制備需要燒制的建筑材料及制品。因此綜合分析5號樣品含碳量高、全硫率低、燒失率高，最佳利用途徑為燃料。

2.3 粉煤灰實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1粉煤灰的化學(xué)組成

我國粉煤灰種類繁多，由于燃料種類和燃燒方式的不同，不同種類粉煤灰化學(xué)組成會有所不同，粉煤灰樣品主要化學(xué)成分含量如圖8所示。

圖8 粉煤灰樣品主要化學(xué)成分含量

由圖8(a)可以看出，粉煤灰樣品中二氧化硅含量分別為45.81%、29.32%和38.70%；由圖8(b)可以看出，此次研究的粉煤灰樣品中的三氧化二鐵含量均超過了2%，其中2號樣品中的三氧化二鐵含量較高，其值為8.37%；綜合分析圖8(a)和圖8(c)可知，粉煤灰樣品中二氧化硅和三氧化二鋁含量之和均超過了70%；由圖8(d)可以看出，粉煤灰樣品中三氧化硫含量均低于2%，其值分別為1.67%、1.43%和1.34%；由圖8(e)可以看出，粉煤灰樣品中的氧化鈣含量均相對較低，因此此次研究的山西地區(qū)粉煤灰樣品均屬于低鈣粉煤灰。

2.3.2粉煤灰重金屬含量檢測結(jié)果

粉煤灰用作生產(chǎn)農(nóng)肥及改良土壤時(shí)，為防止粉煤灰對土壤、農(nóng)作物、地下水、地面的污染，保障農(nóng)牧漁業(yè)生產(chǎn)和人體健康，要符合國家環(huán)境保護(hù)局于1987年頒布《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB8173-1987)。粉煤灰樣品的重金屬含量檢測結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰樣品的重金屬含量檢測結(jié)果

由表4可以看出，由于粉煤灰中重金屬含量均低于農(nóng)用粉煤灰重金屬污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，因此粉煤灰溶出的重金屬量肯定不會超過農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3粉煤灰水分含量檢測結(jié)果

粉煤灰的水分含量在制備需要燒制的建筑材料，比如水泥混合材料、粉煤灰燒制磚時(shí)有一定影響，水分越少，在制備過程中越有利；粉煤灰用作化肥時(shí)含水量越低越好，防止結(jié)塊和失效。粉煤灰樣品水分含量如圖9所示。

由圖9可以看出，粉煤灰樣品水分含量較低，其值分別為1.25%、2.7%和0.6%。

圖9 粉煤灰樣品水分含量

2.3.4粉煤灰含碳量檢測結(jié)果

粉煤灰的含碳量在用作制備建筑材料、工程回填、肥料時(shí)有明確要求，例如對于粉煤灰燒結(jié)型陶粒，含碳量應(yīng)處于5%～8%，如低于5%應(yīng)加精炭助燃；作為回填材料的粉煤灰應(yīng)選用含碳量最低的為宜，含碳量達(dá)15%以上的粉煤灰，其適應(yīng)性應(yīng)通過試驗(yàn)來確定；作為磁化復(fù)合肥時(shí)，含碳量≤15%。粉煤灰樣品含碳量檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 粉煤灰樣品含碳量檢測結(jié)果

由圖10可以看出，粉煤灰樣品含碳量相對較高，其值均超過了10%。

2.3.5粉煤灰燒失率檢測結(jié)果

粉煤灰的燒失率對于粉煤灰制備建筑材料方面有巨大的影響，特別是需要經(jīng)過燒制過程的建筑材料，影響成品的外觀形態(tài)、密度等物化性質(zhì)。潞安粉煤灰樣品燒失率檢測結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，潞安粉煤灰樣品的燒失率較高，均高于10%，只有3號樣品燒失率低于15%，1號和 2號樣品燒失率較高，達(dá)到了30%以上，分別為32.97%和40.05%。

圖11 粉煤灰樣品燒失率檢測結(jié)果

1號、2號和3號煤灰燒失率均較高，含碳量高于10%，因此山西地區(qū)粉煤灰不適于做混凝土摻料、水泥混合材、硅酸鹽制品、砂漿原料、回填材料、泡沫絕熱材料、粉煤灰三渣，一般來說如此高的燒失率也不適合做陶質(zhì)材料，重金屬等污染物含量低于農(nóng)用粉煤灰中污染物的控制標(biāo)準(zhǔn)值，可考慮農(nóng)用；也可以進(jìn)行提鋁、作填料、水處理劑或者其他對燒失量要求不嚴(yán)格的精細(xì)用途，還需要進(jìn)一步論證。粉煤灰燒失率較高，可能是因?yàn)楦G爐燃燒效果不好導(dǎo)致的，為了使粉煤灰能夠獲得更廣泛的用途，建議對窯爐進(jìn)行技術(shù)改造。

3 建議

煤基固廢本身的性質(zhì)對利用途徑的影響較大，在選擇合適的利用方案時(shí)需要考慮其物理化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，盡量提高煤基固廢的利用率，減小環(huán)境污染。通過對山西省潞安礦區(qū)煤矸石化學(xué)組成、礦物組成、發(fā)熱量、重金屬含量、灰分含量、水分含量、含碳量和全硫量等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)合煤矸石綜合利用的總體原則和對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的考慮，對其結(jié)果進(jìn)行深入分析，在以上分析基礎(chǔ)上，可得出以下結(jié)論：

1號樣品適用于燒制硅酸鹽水泥熟料、制硫鋁酸鹽水泥、制氟鋁酸鹽水泥，制瓷質(zhì)磚；2號樣品可成為制作高級陶瓷、煅燒高嶺土及分子篩的原料，合成堇青石、賽隆(Sialon)、莫來石；3號樣品可用于燒制硅酸鹽水泥熟料，制瓷質(zhì)磚、制劈離磚，回收硫鐵礦；4號樣品可作混合材磨制各種水泥，制作高級陶瓷，煅燒高嶺土及分子篩的原料；5號樣品可作為鍋爐燃料；6號樣品適用于煤矸石發(fā)電。6種煤矸石樣品基本均可以作為高分子塑料和橡膠的添加劑，但是在這類煤矸石高附加值利用途徑下消耗煤矸石量較少，成本較高且暫時(shí)無法大量投入工業(yè)生產(chǎn)?？傮w來說，山西地區(qū)大部分煤矸石適合制備水泥、建筑材料，部分煤矸石適合回收硫鐵礦、制作高級陶瓷、制備分子篩、用作燃料和發(fā)電材料。

山西潞安礦區(qū)粉煤灰不適于做混凝土摻料、水泥混合材料、硅酸鹽制品、砂漿原料、回填材料、泡沫絕熱材料、粉煤灰三渣和陶制材料，適合做填料、農(nóng)用、提鋁，也可用于制備水處理劑和其他高附加值材料。

4 結(jié)論

通過對山西省典型煤電基地潞安礦區(qū)煤矸石和粉煤灰綜合利用途徑進(jìn)行深入的研究，對煤矸石和粉煤灰樣品化學(xué)組成、礦物組成等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了檢測和分析，結(jié)合煤基固廢綜合利用的總體原則和應(yīng)用過程中對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的考慮，選擇適合不同物理化學(xué)性質(zhì)的煤矸石的利用途徑和優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈。結(jié)合煤矸石固廢物化成分性質(zhì)與資源化利用的關(guān)系，在分析山西省潞安礦區(qū)煤矸石和粉煤灰物化成分的基礎(chǔ)上，提出了適合山西省煤基固廢發(fā)展的綜合利用途徑，建議以綠色技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)山西省煤基固廢綠色發(fā)展。

在潞安礦區(qū)煤矸石利用部分，積極發(fā)展煤矸石制超細(xì)高嶺土、水泥、建筑材料等產(chǎn)品，鼓勵(lì)低熱值煤機(jī)組摻燒煤矸石綜合利用發(fā)電，積極開展煤矸石多元素、多組分梯級利用，推進(jìn)煤矸石高值化利用，提取有用礦物元素，重點(diǎn)研發(fā)煤矸石制作高級陶瓷、制備分子篩等高附加值產(chǎn)品。在潞安礦區(qū)粉煤灰利用部分，開發(fā)應(yīng)用粉煤灰填料技術(shù)，推動粉煤灰有用組分提取及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用；推廣粉煤灰分選和粉磨技術(shù)，加強(qiáng)精細(xì)化、高科技化產(chǎn)品的研發(fā)，推廣粉煤灰分離提取高附加值產(chǎn)品，推動高鋁粉煤灰提取氧化鋁及其配套項(xiàng)目建設(shè)。