煤矸石物化成分對(duì)其資源化利用的影響

李 貞，王俊章，申麗明，趙俊吉，石鵬飛，王 杰，竹 濤

(1.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046299；2.中國(guó)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 100083)

0 引 言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2019年全國(guó)煤炭產(chǎn)量38.5億t。煤矸石是煤炭生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn)生的固體廢物，是煤的共生資源，其產(chǎn)生量占煤炭開采量的10%～25%[1]。煤矸石包括煤礦在井巷掘進(jìn)時(shí)排出的矸石、露天煤礦開采時(shí)剝離的矸石和分選加工過程中排出的矸石，是多種礦巖組成的混合物。我國(guó)煤矸石產(chǎn)量已累積超過50億t，2019年我國(guó)煤矸石利用率為70%[2]，以英國(guó)和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家利用率達(dá)到了90%[3-4]。說明當(dāng)前煤矸石綜合利用程度不足，堆放量日益增多，帶來的環(huán)境問題增多。煤矸石堆放有時(shí)會(huì)產(chǎn)生滑坡和泥石流現(xiàn)象，近1/3堆放煤矸石由于黃鐵礦和含碳物質(zhì)的存在發(fā)生自燃，產(chǎn)生有害有毒氣體[5]；煤矸石堆經(jīng)日曬、雨淋、風(fēng)化、分解，產(chǎn)生大量的酸性水或攜帶重金屬離子的水，下滲損害地下水質(zhì)，外流導(dǎo)致地表水污染，嚴(yán)重污染環(huán)境。因此探索煤矸石充分利用和高值利用的方法，提高煤矸石綜合利用率和利用價(jià)值，探討節(jié)約煤矸石資源和保護(hù)環(huán)境的最佳途徑勢(shì)在必行。

我國(guó)煤炭分布面廣，總體呈現(xiàn)北多南少，西多東少的特征，其地理分布極不平衡。以華北地區(qū)最多，約占中國(guó)總煤炭?jī)?chǔ)量的50%，其他依次為為西北地區(qū)、西南地區(qū)、華東地區(qū)、中南地區(qū)[6]。地理分布差異導(dǎo)致煤矸石物理化學(xué)特性如礦物結(jié)構(gòu)、外貌特征及化學(xué)組成有不同程度差別。由于我國(guó)愈加嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)和煤矸石潛在的利用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)煤矸石綜合利用途徑的研究越來越多，主要集中在建材、能源、農(nóng)業(yè)和其他新興工業(yè)[7]。國(guó)內(nèi)煤矸石資源化利用方面，西山煤電集團(tuán)西曲礦提出煤矸石熔化制備無機(jī)礦物纖維的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[8]。準(zhǔn)格爾礦區(qū)采用煤矸石發(fā)電，以“一步酸溶法”提取氧化鋁為基礎(chǔ)，協(xié)同提取鎵等有價(jià)金屬，開發(fā)高附加值產(chǎn)品[9]。目前對(duì)煤矸石的研究主要集中在煤矸石的利用途徑，忽視了煤矸石物理化學(xué)性質(zhì)不同對(duì)煤矸石利用途徑及后續(xù)對(duì)二次環(huán)境污染的影響。

因此本文首先通過分析山西省煤矸石的物理化學(xué)成分和收集中國(guó)其他地區(qū)煤矸石的物理化學(xué)成分資料，以說明煤矸石物理化學(xué)成分隨地區(qū)不同的差異。然后以煤矸石的物理化學(xué)性質(zhì)為基點(diǎn)，綜合分析煤矸石物化成分對(duì)其利用途徑和二次環(huán)境污染的重要影響，以反映該研究的發(fā)展趨勢(shì)。再建立煤矸石資源化利用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)煤矸石利用途徑與煤矸石物化成分特性的關(guān)系和煤矸石利用現(xiàn)狀、問題和展望，最后提出煤矸石綜合利用產(chǎn)業(yè)方面的結(jié)論和建議，為我國(guó)煤矸石的產(chǎn)業(yè)化實(shí)際應(yīng)用提供研究依據(jù)。

1 煤矸石的物化成分

煤矸石與煤系地層共生，是多種礦巖組成的混合物，屬于沉積巖類，其中含碳量在20%～30%。煤矸石的巖石種類主要有黏土巖類(黏土礦物，如高嶺石、蒙脫石、伊利石等，其次為石英、長(zhǎng)石、云母、黃鐵礦、碳酸鹽等)、碳酸鹽類(方解石、白云石、菱鐵礦等)、鋁質(zhì)巖類(三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石等)[10]。山西煤矸石樣品見表1。

表1 山西煤矸石樣品

煤矸石的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，此外還含有少量的CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3等[11]，其隨煤矸石的巖石類型不同而存在較大差異。黏土巖型煤矸石的主要化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3以及C；砂巖型煤矸石的主要化學(xué)成分除了SiO2、Al2O3及C外，還含有較多的CaO和Fe2O3；碳酸鹽型煤矸石的主要化學(xué)成分除了SiO2、Al2O3及C外，則含有較多的CaO和MgO?？紤]到不同產(chǎn)區(qū)的煤矸石化學(xué)成分占比有所差異，本文對(duì)山西23個(gè)不同地區(qū)煤矸石樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，估算煤矸石的主要化學(xué)成分占比，具體見表2[12]，其中部分省略的數(shù)據(jù)由于樣品含量過低及機(jī)器精度問題而無法檢測(cè)。煤矸石中還含有許多微量元素，如硒、鎳、砷、鎘、鋅、銻、鉻、銅和汞，為煤矸石利用帶來了潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

表2 山西不同地區(qū)煤矸石主要化學(xué)成分占比[12]

山西不同地區(qū)煤矸石樣品的微量元素成分占比見表3[13]，根據(jù)山西不同地區(qū)煤矸石樣品的基礎(chǔ)檢測(cè)估算的山西煤矸石物化成分大致占比及根據(jù)文獻(xiàn)收集的國(guó)內(nèi)不同地區(qū)煤矸石化學(xué)成分大致占比見表4[14-17]。

表3 山西不同地區(qū)煤矸石微量元素成分占比[13]

表4 國(guó)內(nèi)煤矸石主要化學(xué)成分占比[14-17]

煤矸石的巖性也影響其礦物組成。貴州畢節(jié)地區(qū)煤矸石礦物組成以石英和高嶺石為主，同時(shí)含有較多的蒙脫石、伊利石、菱鐵礦、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦、白云石及銳鈦礦[18]。河北省煤礦混合煤矸石射線衍射分析表明，主要是α-石英和高嶺石，還有少量鈣長(zhǎng)石(CSA2或斜長(zhǎng)石)[19]；淮南礦區(qū)煤矸石礦物組成為高嶺石、石英、伊利石、方解石、黃鐵礦和云母等[20]；遼寧錦州南票礦務(wù)局的射線衍射分析結(jié)果顯示煤矸石礦物組成主要是多鋁紅柱石、α-石英以及少量鈣長(zhǎng)石、鱗石英、硬石膏[21]。由此可見煤矸石的礦物成分非常復(fù)雜，因產(chǎn)地而異。

2 煤矸石物化成分與利用途徑的關(guān)系

通過上述煤矸石物化分析可知，國(guó)內(nèi)不同地區(qū)如山西、新疆、淮南、貴州等4地主要化學(xué)成分占比上下限差距很大，新疆地區(qū)SiO2最低樣品SiO2占比僅為9.7%，而淮南地區(qū)含量最低的樣品占比56.2%。即使同一省份，如山西不同礦場(chǎng)煤矸石樣品的物化成分也有較大差異。

說明不同地域分布的煤矸石由于地質(zhì)、遭受成巖地質(zhì)作用不同以及次生的風(fēng)化作用，導(dǎo)致煤矸石物化性質(zhì)如礦物結(jié)構(gòu)、外貌特征及化學(xué)組成產(chǎn)生差異。因此對(duì)不同地區(qū)煤矸石分析其綜合利用的前提是確定物化成分。本文將從煤矸石的能源、建筑、土壤和高值應(yīng)用4個(gè)方面介紹煤矸石物化成分對(duì)其綜合利用的影響。

2.1 在能源行業(yè)的應(yīng)用

煤矸石中含有一定量的碳和其他可燃物。因此，煤矸石燃燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電和加熱。研究人員研究了11種煤矸石的燃燒行為，煤矸石燃燒活化能在117～300 kJ/mol。根據(jù)TG/DTG曲線，煤矸石總質(zhì)量損失為15.5%～30.3%[22]。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)具有出色的傳熱性能和廣泛的燃料類型，被大量應(yīng)用于燃煤廢物燃燒[23]。將煤矸石與煤共燒而開發(fā)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的電廠數(shù)量目前在中國(guó)處于穩(wěn)步增長(zhǎng)階段，通?；旌先剂习喉肥兔海旌媳葹?～3[24]。由于煤矸石燃燒特性差，研究多關(guān)注煤矸石與其他物質(zhì)混合燃燒，提高煤矸石的燃燒性能。煤矸石和污泥的混合燃燒有利于提高其燃燒性能及約50 ℃時(shí)對(duì)脫硫和反硝化的協(xié)同作用；800 ℃以下共燃燒過程中，微量元素特別是鉛和鋅在灰分中的保留能力增強(qiáng)[25]。龔振等[26]利用熱重分析法對(duì)玉米秸稈與煤矸石分別以不同比例混合熱解，證明煤矸石與生物質(zhì)在特性上互補(bǔ)，具有可行性和經(jīng)濟(jì)效益。因此煤矸石應(yīng)用于能源行業(yè)時(shí)，揮發(fā)性和固定碳含量越高而灰分越低時(shí)，煤矸石的燃燒性能越好。

2.2 在建筑行業(yè)的應(yīng)用

煤矸石制磚是煤矸石回收利用重要途徑之一。煤矸石主要礦物成分是黏土礦物，滿足磚生產(chǎn)要求的成分，煤矸石制磚的種類分為燒結(jié)磚和免燒磚。以活化煤矸石為主要原料，輔以水泥、礦渣、砂子及外加劑制備活化煤矸石免燒磚，其性能完全滿足JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》MU15標(biāo)準(zhǔn)要求[27]。煤矸石中所夾雜的石灰石、黃鐵礦、白云石及其他碳酸鹽(如MgCO3、FeCO3)等在某些條件下不利于制磚。如煤矸石中CaO以結(jié)核狀態(tài)的粗顆粒碳酸鹽形式存在且含量較高時(shí)，易產(chǎn)生石灰爆裂現(xiàn)象，引起體積膨脹而破壞產(chǎn)品，而黃鐵礦中硫在燒制過程中被氧化成SO2，腐蝕設(shè)備的同時(shí)，易生成硫酸鹽，使磚體出現(xiàn)泛霜現(xiàn)象[28]。以煤矸石、黏土為主要原料，質(zhì)量比為7∶3時(shí)，可制備煤矸石燒結(jié)透水磚[29]。利用高鐵砂巖質(zhì)煤矸石可以燒制出吸水率、斷裂模數(shù)達(dá)到國(guó)家有關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的瓷質(zhì)磚，且瓷坯中煤矸石最高配比可達(dá)80%[30]。添加其他工業(yè)廢料可以改善燒結(jié)磚的性能以及獲得更高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，如以錫林郭勒地區(qū)的褐煤粉煤灰、煤矸石為主要原料，爐渣為骨料可以制備高抗壓性和透水性的燒結(jié)透水磚等[31]。

煤矸石在建筑行業(yè)的另一個(gè)熱點(diǎn)是制備水泥和混合水泥，煤矸石中SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量通常為80%以上，是良好的水泥材料。由于煤矸石的低反應(yīng)性，對(duì)煤矸石進(jìn)行適當(dāng)活化以破壞晶格結(jié)構(gòu)和增加非晶相，可以提高煤矸石反應(yīng)性，通常4種主要激活方法是熱激活、機(jī)械激活、微波激活和化學(xué)激活[32]。熱活化被認(rèn)為是使晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以增加煤石反應(yīng)性的最好手段。有研究報(bào)道煅燒后的煤矸石在700 ℃表現(xiàn)出最高的反應(yīng)性[33]。由于煤矸石成分復(fù)雜，熱激活最佳活化溫度取決于許多因素，包括添加劑的礦物學(xué)和化學(xué)組成以及雜質(zhì)(如碳和碳酸鹽)的去除率、無定形含量和脫羥基程度。微波活化是指微波輻射加熱，其與熱活化原理相似，憑借熱效應(yīng)來改變煤矸石的晶體和化學(xué)結(jié)構(gòu)[34]。微波活化的優(yōu)勢(shì)是可以直接穿透材料并將能量沉積到內(nèi)部，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)均勻加熱整個(gè)材料，消除了傳統(tǒng)方法面臨的導(dǎo)熱和對(duì)流的問題，加熱效率大大提高[35]。

機(jī)械活化是通過磨碎或球磨工藝使煤矸石發(fā)生物理化學(xué)變化。機(jī)械激活會(huì)減小顆粒大小并脫水，還會(huì)觸發(fā)晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變并在煤矸石中產(chǎn)生晶格缺陷和變形，增加煤矸石活性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒度達(dá)到一定細(xì)度時(shí)，煤矸石的活性反而降低[36]，可以通過控制研磨時(shí)間避免能量浪費(fèi)。僅依靠機(jī)械活化往往無法滿足活化需求，因此，機(jī)械活化往往作為一種輔助手段?；瘜W(xué)激活是增強(qiáng)煤矸石活性的最有效方法，是通過引入少量激發(fā)劑，使其參與并加速煤矸石與水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生二次反應(yīng)的方法。在堿的作用下，斷裂結(jié)構(gòu)中Si—O—Si和Al—O—Al的共價(jià)鍵，增強(qiáng)煤矸石活性。研究顯示，作為水泥替代品的活化煤矸石應(yīng)控制在10%～20%[37]。

煤矸石混凝土也是一種很有前途的建筑材料，煤矸石的添加可以提高混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力，但不是絕對(duì)的正相關(guān)關(guān)系。煤矸石與粉煤灰制備混凝土?xí)r，粉煤灰與煤石質(zhì)量比為40∶60的綠色混凝土的最佳替代含量為20%，其機(jī)械性能和耐氯化物滲透性分別提高了4.5%和5%[38]。

2.3 在土壤方面的應(yīng)用

煤矸石目前已被證明可以用作制造肥料，也可以用來復(fù)墾土壤恢復(fù)植被，或是地下煤礦開采導(dǎo)致嚴(yán)重的地面沉降時(shí)作為地下回填的填充材料。煤矸石中有機(jī)物、氮、磷、鉀含量高，因此合理添加煤矸石具有減少土壤附著力和改善土壤孔隙度的潛力，克服了傳統(tǒng)肥料的缺點(diǎn)。煤矸石的孔隙結(jié)構(gòu)使水分充分與礦石中的肥料和氧氣接觸，使肥料與氧氣易溶解在水中，有利于植物生長(zhǎng)[39]。另一方面，高硫煤矸石可以有效降低土壤pH值，降低土壤堿性，改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境[40]。

由于煤矸石較低的經(jīng)濟(jì)成本可替代水泥作為良好的地下回填填充材料。地下回填土不僅可以減少廢物堆積，還可以控制地面沉降并提高采場(chǎng)穩(wěn)定性，以便更安全、有效地開采周圍地區(qū)。

2.4 在高值化行業(yè)的應(yīng)用

煤矸石在高值化應(yīng)用方面主要有提取有價(jià)成分以及制備不同類型的高附加值產(chǎn)品包括凈水劑、沸石分子篩、吸附劑、催化劑等。

煤矸石成分研究表明Al2O3在煤矸石中占比較大，加上國(guó)內(nèi)對(duì)鋁土礦供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，目前對(duì)于煤矸石中Al2O3提取是研究熱點(diǎn)。在煤矸石提取氧化鋁行業(yè)中，最常用的提取方法是酸法和堿法[41]。酸法提取機(jī)理是由于煤矸石中氧化鋁易溶于鹽酸或硫酸，而硅雜質(zhì)等不溶于酸；堿法主要分為苛性鈉堿法和燒結(jié)法。李瑜等[42]對(duì)酸浸法提取煤矸石中Al2O3進(jìn)行研究，比較了硫酸和鹽酸在各因素條件下的試驗(yàn)結(jié)果得出最佳的酸浸介質(zhì)為硫酸，獲得了最佳酸浸條件。其次，煤矸石中SiO2占比也較大，由于其操作成本高及實(shí)用價(jià)值問題通常與Al2O3一同提取，是水泥、混凝土、陶瓷等產(chǎn)品的重要原料。高嶺土十分穩(wěn)定，需要活化作用進(jìn)一步提高Al2O3等有價(jià)成分的提取率，研究中提及的活化方式有機(jī)械活化、熱活化、微波活化、超臨界水活化、添加劑活化、赤泥耦合活化等方法[43]。Han等[44]研究表明，與傳統(tǒng)機(jī)械活化、熱活化、微波活化相比，超臨界水活化可加快工業(yè)固體廢物煤矸石中釋放無機(jī)離子并促進(jìn)多孔結(jié)構(gòu)形成，有助于煤矸石進(jìn)一步提取和純化。Guo等[45]研究表明加入Na2CO3添加劑極大地改善了氧化鋁的提取，煅燒溫度達(dá)800～900 ℃，Na2CO3質(zhì)量比在0.8～1.0的煤矸石氧化鋁提取率大于90%。而加入赤泥被證實(shí)可以降低Na2CO3消耗量，含有23.4% Al2O3、19.1% SiO2和9.4% Na2O的赤泥用于氧化鋁的提取可使Na2CO3消耗從100%降至12.1%～20.5%[46]。除Al2O3外，對(duì)高嶺土中硫鐵元素以及鈦、鈧、鋰等稀有元素的提取也有研究，但仍在實(shí)驗(yàn)室階段[47-49]。

煤矸石也可以制備凈水劑、沸石分子篩、吸附劑、催化劑、絮凝劑等高附加值產(chǎn)品。連雪靈[50]利用煤矸石為原料自制的聚合硫酸鋁鐵凈水劑對(duì)有關(guān)工業(yè)廢水進(jìn)行處理，結(jié)果顯示凈水劑投加量為40 mL/L時(shí)用于處理廢水COD(化學(xué)需氧量)的去除率達(dá)85%左右，SS(懸浮物)去除率達(dá)94%左右，且去除率均優(yōu)于PAC、PFS。煤矸石制備沸石分子篩可用作吸附劑或催化劑的載體，梁止水等[51]通過堿熔法制備NaX型分子篩，對(duì)廢水中重金屬Cd2+最大吸附容量達(dá)到100.11 mg/g，證明煤矸石制備分子篩的可行性。在吸附劑方面，最常見的是用改性煤矸石或復(fù)合煤矸石吸附重金屬離子、染料以及CO2。Lu等[52]研究表明通過噴霧干燥和燒結(jié)法可以將煤矸石制備低成本的陶瓷微球吸附劑，1 min內(nèi)對(duì)陽離子染料的去除率達(dá)到了90%以上。Gao等[53]利用煤矸石制備一種新型多孔硅酸鹽材料，其在溫度293 K、環(huán)境大氣壓下、90 min內(nèi)的CO2吸附量為36.69 mg/g。在催化劑方面，Zhao等[54-55]最新研究發(fā)現(xiàn)天然煤矸石豐富的羥基基團(tuán)及含有的Fe元素對(duì)于光催化和催化雙酚A降解過程起到了主導(dǎo)和促進(jìn)作用，這也證實(shí)了煤矸石在高效催化劑研究方面的前景。

3 煤矸石物化成分對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響

3.1 能源行業(yè)

煤矸石燃燒過程中伴隨著大量的顆粒物、SO2、NOx、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)和各種有毒重金屬物質(zhì)，如汞(Hg)，帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題[56]。煤矸石中氮以不同形式存在，其中吡咯(N-5)和吡啶N-氧化物(N-6-O)相對(duì)豐富。加熱后，500～700 ℃會(huì)顯著釋放NO，并伴有一定量的NO2。隨溫度升高，NO含量不斷升高，在等溫條件下700 ℃以上幾乎沒有檢測(cè)到NO2[57]。煤矸石中硫主要以黃鐵礦形式存在，有機(jī)硫相對(duì)于總硫相對(duì)較低，與純黃鐵礦相比，煤矸石中碳燃燒加速了SO2在煤矸石中的釋放，導(dǎo)致較低的起始溫度和500 ℃時(shí)明顯更高的釋放速率。由于煤矸石通常不完全燃燒，且在煅燒過程中產(chǎn)生的CO和其他揮發(fā)性物質(zhì)可能會(huì)由于黏土的脫羥基作用而在H2O存在下與SO2反應(yīng)生成低揮發(fā)性酸性礦物質(zhì)，這些物質(zhì)可能導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和各種其他操作問題[58]。

煤矸石中有毒元素根據(jù)其揮發(fā)性和締合性分為兩類[59]：第1類，高揮發(fā)性有毒元素有As、Cd、Cu、Pb、Se和Sn等，其揮發(fā)比大于20%，主要富含飛灰；第2類以Co、Cr、Mn和V為代表，揮發(fā)比低(≤5%)，且均勻分布在底灰和飛灰之間。另外，Bi、Ni和Zn可以位于第1類和第2類之間。因此煤矸石中N、S及揮發(fā)性元素As、Cd、Cu、Pb、Se含量越高，對(duì)大氣污染的風(fēng)險(xiǎn)越大[60]。

3.2 建筑行業(yè)

煤矸石作為建筑材料的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)有以下兩點(diǎn)：

1)對(duì)于建筑材料制備中需要燒制的部分，如煤矸石燒制磚，對(duì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)類似于3.1節(jié)煤矸石作為燃料的污染。煅燒過程中產(chǎn)生的污染物以空氣中污染物(包括SO2、NOx和高揮發(fā)性有毒重金屬)的形式釋放到環(huán)境中，引起各種環(huán)境問題。據(jù)資料顯示，淮南地區(qū)有超過600萬t的煤矸石被用來制磚。煤矸石制磚過程中每年平均向大氣釋放約23.85 t砷、6.00 t鎘、50.11 t銅、33.86 t鎳、8.74 t硒、7.83 t錫和71.41 t鋅[61]，如若不加節(jié)制，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。

2)經(jīng)燒制的煤矸石燃燒產(chǎn)物中放射性核素Ra活性遠(yuǎn)高于未燒制煤矸石中相應(yīng)濃度(約2倍)，表明煤中放射性核素可能與硅酸鹽礦物有關(guān)[62]。因此針對(duì)不同地區(qū)和物化性質(zhì)的煤矸石，若未控制好煤矸石的比例，可能會(huì)對(duì)危害人類健康。

3.3 土壤應(yīng)用方面

煤矸石在土壤應(yīng)用方面的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)主要集中在有毒元素和硫化物的浸出方面。隨時(shí)間推移，煤矸石在土壤中會(huì)緩慢浸出有毒元素并改變土壤酸度[63]。王禺昊[64]研究表明淮南煤矸石充填復(fù)墾區(qū)土壤中垂直方向上各層鎘元素含量均高于淮南市土壤背景值和中國(guó)土壤背景值，達(dá)到污染水平。劉玥等[65]對(duì)神府礦區(qū)煤矸石周邊土壤的研究顯示，煤矸石周邊土壤內(nèi)重金屬Pb、Zn、Cu、Cd含量均嚴(yán)重超過中國(guó)土壤元素背景值，淋溶試驗(yàn)中Pb、Zn在土壤中的溶出率高達(dá)50%，表明重金屬Pb、Zn在土壤中易發(fā)生轉(zhuǎn)移。

煤矸石中浸出物也會(huì)影響開墾區(qū)淺層地下水中的主要微量元素(F、As、Hg和Pb)的含量，這可能會(huì)影響其用于農(nóng)業(yè)灌溉或飲用水。Li等[66]研究了煤矸石對(duì)填海區(qū)淺層地下水的影響，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井中的氟、砷、汞和鉛分別從7.42%、7.13%、4.85%、4.69%增加至8.26%、7.90%、6.48%和6.42%。Tao等[67]研究顯示可以使用煤矸石作為一種新型的種植基質(zhì)成分，以替代土壤來解決土地資源日益短缺的問題。煤矸石也可作為填海材料再利用，以節(jié)約土壤資源。

3.4 高值化應(yīng)用行業(yè)

煤矸石用作高值化應(yīng)用行業(yè)的化學(xué)制品時(shí)，對(duì)環(huán)境的潛在危害是可能產(chǎn)生篩分和粉碎的粉塵、熱活化加熱帶來的大氣污染、一些化學(xué)反應(yīng)帶來的副產(chǎn)品以及熱污染，通常比較難處理的副產(chǎn)品可能會(huì)造成廢棄物堆積、直接的環(huán)境污染和高昂的處理費(fèi)用。

4 煤矸石物化成分對(duì)利用途徑的影響

煤矸石利用途徑較多，根據(jù)煤矸石利用技術(shù)和方法可分為直接利用型、提質(zhì)加工型和綜合利用型三大類，也可按資源回收利用和工程利用方法分類。煤矸石的主要利用技術(shù)包括：用作沸騰爐燃料進(jìn)行發(fā)電；生產(chǎn)建筑材料，如制造矸石磚、矸石水泥、耐火材料和陶瓷等；對(duì)伴生礦物提質(zhì)利用，如制取氧化鋁、聚合鋁、礬土及硫酸產(chǎn)品等；工程利用則是將煤矸石作為填充材料進(jìn)行復(fù)填和土工利用。煤矸石的性質(zhì)決定煤矸石資源化的途徑。

煤矸石綜合利用途徑的選擇不僅要考慮可行性，還要考慮其利用過程中對(duì)于環(huán)境的影響。煤矸石利用途徑及其對(duì)基本物理化學(xué)性質(zhì)要求見表5。

表5 煤矸石利用途徑及其對(duì)基本物理化學(xué)成分要求

5 煤矸石利用建議

1)傳統(tǒng)的煤矸石充填技術(shù)和制備建筑材料是目前應(yīng)用最廣泛的煤矸石處理方法，可以最大限度地利用煤石，降低利用過程中的能源消耗和成本。但煤矸石填充技術(shù)和制備建筑材料過程中或多或少會(huì)出現(xiàn)二次污染問題。建議建立對(duì)于后續(xù)環(huán)境二次污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與追蹤調(diào)查，監(jiān)測(cè)煤矸石充填區(qū)域重金屬浸出程度和動(dòng)植物生長(zhǎng)情況，研究煤矸石燃燒過程中污染物排放特性，及時(shí)避免煤矸石利用過程中二次污染的危害。

2)煤矸石地域分布的不同導(dǎo)致其物理化學(xué)性質(zhì)包括化學(xué)組成、巖石類型、礦物組成等存在較大差異，建議在煤矸石大規(guī)模綜合利用前對(duì)煤矸石的物化性質(zhì)包括化學(xué)組成、礦物組成進(jìn)行檢測(cè)，如熱量高、硫化物低的煤矸石可以用做燃料，有害元素含量低的煤矸石可以用來充填復(fù)墾或用作肥料等。

3)煤矸石的物化成分在煤矸石綜合利用方面占決定性作用，各類煤矸石利用途徑要求煤矸石具有不同的理化特性和礦物組成，并表現(xiàn)出不同的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響。因此在合理選擇煤矸石利用途徑時(shí)，首先應(yīng)對(duì)該地區(qū)煤矸石進(jìn)行物化性質(zhì)和礦物組成的檢測(cè)，在滿足該利用途徑對(duì)其基本物理化學(xué)成分要求的基礎(chǔ)上，考慮利用途徑后續(xù)對(duì)環(huán)境帶來的二次污染，兩者相互權(quán)衡的基礎(chǔ)上選擇最佳利用方案。提高煤矸石的利用率和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，是選擇煤矸石綜合利用方案的最佳衡量標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語與展望

1)我國(guó)煤矸石利用率僅在50%～60%，但煤矸石大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用仍存在很多問題。目前我國(guó)煤矸石利用方式單一，主要應(yīng)用于燃料發(fā)電、建筑材料生產(chǎn)和采礦區(qū)填充，在高附加值大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用方面因?yàn)槌杀靖?、工藝?fù)雜等原因僅處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未大規(guī)模應(yīng)用，很難有突破性進(jìn)展。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致行業(yè)產(chǎn)生利用率低、技術(shù)不成熟、技術(shù)成本及運(yùn)輸成本高、產(chǎn)品質(zhì)量低、競(jìng)爭(zhēng)力較弱、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。另外，國(guó)家對(duì)于煤矸石利用政策及煤矸石利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和執(zhí)行仍有不足之處。

2)煤矸石在能源行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)是發(fā)熱量較低、燃燒效率低、灰分較大且易排放含硫污染物，后續(xù)研究趨勢(shì)偏向以下：① 煤矸石發(fā)電廠的設(shè)備和技術(shù)開發(fā)，解決煤矸石發(fā)電初期點(diǎn)火困難、灰分造成的排渣系統(tǒng)堵塞、鍋爐燃燒不穩(wěn)定等技術(shù)問題。② 積極開發(fā)高容量、高參數(shù)的循環(huán)流化床聯(lián)合燃燒機(jī)組，尋找可與煤矸石互補(bǔ)燃燒的低成本、高熱量混合燃燒物質(zhì)，進(jìn)行熱解及燃燒性能研究。③ 研究煤矸石燃燒的污染物排放特性，進(jìn)一步分析煤矸石作為燃料對(duì)于環(huán)境二次污染特別是SO2在大氣中排放的影響，研究煤矸石脫硫技術(shù)。

3)煤矸石作為建筑材料的安全性、抗壓性、抗腐蝕性是研究趨勢(shì)，另一方面，在不影響材料應(yīng)用的情況下增大煤矸石在建筑材料中的用量也很重要。

4)在土壤應(yīng)用方面，煤矸石復(fù)墾土壤及地下回填時(shí)植被的恢復(fù)情況及有毒重金屬元素的遷移規(guī)律值得研究。煤矸石采礦與回填技術(shù)相結(jié)合能最大限度利用煤矸石，降低運(yùn)輸成本和能耗，但如何控制煤矸石中重金屬浸出是難題，未來應(yīng)加強(qiáng)研究。煤矸石除了傳統(tǒng)利用技術(shù)，目前也有很多高附加值研究，如沸石分子篩、納米材料、改性吸附劑、催化劑、復(fù)合凈水劑等，但這些研究大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未大規(guī)模應(yīng)用，高附加值應(yīng)用可能成為提高煤矸石利用率的重要手段，因此如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；瘜⑹敲喉肥咧祷瘧?yīng)用的熱點(diǎn)。