煤矸石資源化利用的研究進(jìn)展

王曉棟，張 玥，陳 松，丁會(huì)敏，張 宇

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱150090）

煤矸石是指煤炭開采、洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前煤矸石累計(jì)存量達(dá)70億t以上，占地面積70km2，且仍以3.0～3.5億t·a-1的速度增加[1,2]。煤矸石的大量堆放，不僅占用土地，還會(huì)造成土壤、水體、空氣污染，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[3,4]。本文鑒于煤矸石大量堆積所產(chǎn)生的危害，根據(jù)其礦物組成及化學(xué)成分差異，對煤矸石進(jìn)行資源化利用，以期為煤矸石更深入的開發(fā)提供參考。

1 來源與性質(zhì)

煤炭在開采、洗選加工過程中產(chǎn)生大量的煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物。其中，煤矸石是由粘土巖類、鋁質(zhì)巖類、砂巖類、碳酸鹽類等多種礦巖組成的混合物。不同的巖石含有不同的礦物組成，其巖石種類和礦物組成直接影響煤矸石的化學(xué)成分。煤矸石主要由無機(jī)質(zhì)構(gòu)成，其中含有少量有機(jī)質(zhì)。無機(jī)質(zhì)主要是礦物質(zhì)和水。構(gòu)成礦物質(zhì)的主要成分為SiO2、Al2O3，另外含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O等氧化物，以及微量的Ti、V、Co等過渡金屬，此外，還含有As、Pb、Cd、Hg、Cr等有毒有害物質(zhì)[5,6]。煤矸石中有機(jī)質(zhì)的主要元素為C，其它為H、O、N和S等元素?？梢姡喉肥幕瘜W(xué)成分較為復(fù)雜，不同地區(qū)的煤矸石礦物組成及化學(xué)成分不同。化學(xué)成分決定煤矸石的理化性質(zhì)，所以在煤矸石利用之前，首先進(jìn)行礦物組成及化學(xué)成分分析，以更好的進(jìn)行資源化利用。

2 危害性

煤矸石的大量堆放，給環(huán)境帶來巨大危害，影響人們身心健康。具體危害如下：（1）矸石山的不穩(wěn)定性，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[7]；（2）大量堆積，占用土地；（3）經(jīng)雨水沖刷后有毒有害物質(zhì)污染水體、土壤，影響周邊植物生長[8,9]；（4）風(fēng)吹日曬導(dǎo)致煤矸石風(fēng)化，產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，污染空氣[10]；（5）煤矸石中含有C、S等可燃物，長期堆放蓄熱燃燒，釋放SO2、CO、H2S等有毒、有害氣體[11]。鑒于煤矸石給人類帶來的危害，如何將其資源化利用是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

3 資源化利用

3.1 燃料發(fā)電

20世紀(jì)80年代初，我國開始利用煤矸石發(fā)電，在幾十年的發(fā)展歷程中煤矸石發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模越來越大。煤矸石熱值低，不能單獨(dú)用其發(fā)電，通常加入適量的煤或泥煤進(jìn)行發(fā)電。如永隴礦區(qū)低熱值煤綜合利用就是采用不同比例的末原煤、矸石、煤泥混合發(fā)電[12]。

3.2 回填采空區(qū)

煤炭開采過程中伴隨著采空區(qū)的形成，不及時(shí)回填容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。但并不是所有的采空區(qū)都能用煤矸石進(jìn)行回填，這就需要根據(jù)采空區(qū)的位置及上覆巖層的物理性質(zhì)進(jìn)行具體分析研究。選擇透水性好、可燃成分低、易粉碎及有毒重金屬含量低的煤矸石，可選用機(jī)械、風(fēng)力或水力等填充方式進(jìn)行回填工作[13]。

3.3 生產(chǎn)建材

煤矸石中含有的礦物成分與粘土類似，因此，煤矸石可以代替粘土作為制磚、生產(chǎn)水泥的原料。西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院采用我省雙鴨山市利用煤矸石代替粘土生產(chǎn)了空心磚的技術(shù)[14]。生產(chǎn)水泥的主要原料為石灰石和粘土，其中粘土可用煤矸石替代。生產(chǎn)過程主要分為3個(gè)階段（生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨），其中熟料煅燒直接影響著水泥的質(zhì)量，劉朋采用不同的活化方法（機(jī)械激發(fā)、熱激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、復(fù)合激發(fā)）激發(fā)煤矸石的活性，同時(shí)研究了活化后的煤矸石在水泥基材料中的應(yīng)用[15]。

煤矸石還可以制備輕骨料。孫鵬[16]等以煤矸石為主要原料，白云石粉為發(fā)泡劑制備煤矸石輕骨料。研究不同百分比的白云石粉摻量和不同燒結(jié)溫度對骨料結(jié)構(gòu)及性能的影響。結(jié)果表明，白云石粉摻量為10%時(shí)，溫度為1250℃，時(shí)間30min的條件下，制備出孔隙率達(dá)40.71%，表觀密度為1528kg·m-3，孔徑為0.5～1.5mm左右，顆?？箟簭?qiáng)度為5.76MPa的煤矸石輕骨料[16]。

此外，可將煤矸石、粉煤灰和石灰混合制得路面基層材料，其強(qiáng)度與抗變形能力均能滿足相關(guān)要求，路用性能相對較好，可在低等級公路中進(jìn)行推廣使用[17]。

3.4 制備化工產(chǎn)品

在化工業(yè)方面，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于煤矸石資源化利用的價(jià)值開發(fā)。從前，利用煤矸石制備Al2（SO4）3、AlCl3、沸石分子篩等化工產(chǎn)品。目前，主要用于催化劑和吸附劑的研究，應(yīng)用于光催化降解及污水處理等行業(yè)。謝娟[18]等以煤矸石為原料，利用沸騰回流法制備了一系列α-Fe2O3-ZnO/煤矸石復(fù)合光催化劑，目標(biāo)降解物為五氯酚，模擬太陽光照條件觀察樣品的降解效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此催化劑具有光催化降解效果及可重復(fù)使用的特點(diǎn)。舒航[19]等以煤矸石為原料，制備高效無機(jī)高分子混凝劑聚合氯化鋁鐵鈦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此混凝劑對城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池出水的濁度和總磷有極好的去除效果，同時(shí)對COD和氨氮有一定去除能力。

3.5 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

煤矸石含有豐富的有機(jī)質(zhì)和微量元素，經(jīng)過加工活化可以用來生產(chǎn)農(nóng)肥及作為育苗基質(zhì)材料。但是煤矸石中也含有毒有害的重金屬元素，農(nóng)用時(shí)一定檢測重金屬含量，做相應(yīng)的處理，防止土壤污染。

我國早在70年代就有報(bào)道關(guān)于煤矸石用于制備化學(xué)肥料，但在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面卻少有研究。房曉宇[20]等將煤矸石陶粒與木質(zhì)素保水劑聯(lián)用，因?yàn)槊喉肥樟?nèi)部疏松多孔可吸附化學(xué)肥料。邵玉飛[21]利用煤矸石生產(chǎn)水稻育苗基質(zhì)，目前具備實(shí)驗(yàn)室工藝，但是并沒有進(jìn)行大田實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

盡管煤矸石占用土地、污染環(huán)境，給人類帶來一定的危害性，但它也是一種資源。近年來，我國煤矸石在能源、建筑、化工、農(nóng)業(yè)等行業(yè)都有應(yīng)用，而且取得了一定的進(jìn)展。目前，我們應(yīng)該在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，加大煤矸石高效利用技術(shù)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)煤矸石的高附加值利用。