煤矸石資源化利用途徑分析

李 遠

（貴州省煤炭產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，貴州 六盤水 553001）

煤炭是我國實現(xiàn)能源安全的主力軍，2022 年全國煤炭總產(chǎn)量達到36.45 億t，約占我國能源消費總量的60%，煤炭在我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位短期內(nèi)無法改變。但是，由于早期傳統(tǒng)粗放型開采、企業(yè)開采設(shè)備升級滯后、煤層結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化、煤炭生產(chǎn)基數(shù)大等因素，煤矸石作為煤炭開采、洗選產(chǎn)生的工業(yè)固廢，堆存量大，持續(xù)逐年遞增[1-3]。隨著國家煤炭資源精細化高值化利用要求的提出，環(huán)境束縛力度增大，煤炭行業(yè)陸續(xù)開始執(zhí)行以廢定產(chǎn)，煤矸石已經(jīng)成為煤炭行業(yè)的最大痛點、煤炭經(jīng)濟的最大污點。

1 煤矸石帶來的問題

目前，煤矸石的主要處理方式是填埋和堆存，引發(fā)一系列問題[4-7]。一是占用大量土地。煤矸石產(chǎn)生的基數(shù)大，大量堆存占用土地資源，破壞植被。二是造成環(huán)境污染。煤矸石含有硫、碳、氮等元素，在雨水侵蝕的暴露環(huán)境中，易形成一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等氣體。此外，煤矸石還賦存重金屬等有毒有害成分，經(jīng)擴散、風(fēng)化和浸透對空氣、土壤、地下水造成嚴重污染，危害生態(tài)環(huán)境。三是存在安全隱患。堆場面積大，受粒度特性影響，煤矸石易氧化而自燃，在暴雨天氣下容易造成塌方、泥石流等災(zāi)害。四是資源浪費。夾矸富集鋁、鐵、銅等伴生礦物，洗矸中伴生資源占比更突出，單一的填埋和堆放造成資源綜合利用不足而浪費。

2 煤矸石的化學(xué)性質(zhì)

明確煤矸石的化學(xué)性質(zhì)可以為選擇資源化利用途徑提供技術(shù)依據(jù)[8-9]。凸山田煤礦位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)，采集煤矸石試樣，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、自動碳氫儀、自動測硫儀、自動量熱儀和全自動工業(yè)分析儀等設(shè)備，開展檢測分析，結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 煤矸石的化學(xué)成分

表2 煤矸石質(zhì)量檢測結(jié)果

夾矸經(jīng)過重介跳汰洗選后，灰分降低，發(fā)熱量增加，鋁、鐵含量增大，此外，鈦、鎂、鈣等含量較高。對該礦煤矸石進行X 射線衍射分析，明確其賦存狀態(tài)，經(jīng)檢測，石英含量最高，其次為高嶺土、滑石，另外還有硫鐵礦、鋁土礦、炭質(zhì)等。煤矸石具有資源、能源、污染、經(jīng)濟等多重屬性，因此應(yīng)結(jié)合化學(xué)性質(zhì)、工藝成本和利用價值，選擇合理的資源化利用途徑，實現(xiàn)效益最大化。

3 資源化利用途徑

煤矸石資源化利用主要有兩種途徑，即大宗利用和梯級利用（高值），如圖1 所示。煤矸石產(chǎn)生量大，目前，其資源化利用以大宗利用為主。

圖1 煤矸石資源化利用途徑

3.1 大宗利用

煤矸石大宗利用的主要途徑有3 種。一是摻燒發(fā)電。煤矸石具有煤質(zhì)屬性，含有一定的有機質(zhì)，可洗選提質(zhì)后直接燃燒或與煤炭摻燒，熱量用于發(fā)電、供暖，也可與生物質(zhì)耦合制成新型燃料，達到以廢治廢的目的。二是建材原料。經(jīng)過洗選脫硫，去除汞、砷、氰化物等有毒有害物質(zhì)后，可作為建材原料，用于鋪路、制磚、制水泥等。三是回填復(fù)墾。煤炭行業(yè)可推廣“煤矸石井下充填+地面回填”模式，改善生態(tài)環(huán)境，打造綠色礦山。

3.2 梯級利用

煤矸石大宗利用具有成本低、處理量大的特點，但針對特殊需求和煤質(zhì)，應(yīng)分質(zhì)分級處理，每個階段都有其不同的利用途徑。根據(jù)《煤矸石利用技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 29163—2012），對煤矸石進行梯級利用。

3.2.1 根據(jù)發(fā)熱量

當發(fā)熱量為6 279 ～8 372 kJ/kg 時，煤矸石可洗選加工成型煤用于發(fā)電，燃燒后殘留的粉煤灰、爐渣粉、氣化爐渣和脫硫石膏可進一步加工成建筑材料；當發(fā)熱量為2 093 kJ/kg 左右時，可增添助劑，制成煤矸石燒結(jié)磚；當發(fā)熱量小于837 kJ/kg 時，可研磨成超細粉體，作為水泥、陶瓷等建材的骨料。

3.2.2 根據(jù)硫分含量

根據(jù)《煤矸石分類》（GB/T 29162—2012），若全硫含量大于3%，則它屬于中高硫、高硫煤矸石。煤矸石中的硫主要以黃鐵礦形式存在，結(jié)合鐵礦工業(yè)利用評價參考指標，若鐵品位大于25%，則具有回收利用價值。經(jīng)洗選跳汰選出硫鐵礦，作為工業(yè)硫磺、硫酸等的化工原料。

3.2.3 根據(jù)灰渣成分

煤矸石含有硅鋁化合物，是一種具有火山灰活性的物質(zhì)。通過煅燒、研磨，添加助劑，可制備燒結(jié)磚、陶粒、吸附材料、阻燃材料等新型材料。其中，高嶺石巖類煤矸石經(jīng)脫除降低鐵含量后，可制備高嶺土粉，用于涂料生產(chǎn)、造紙、填料生產(chǎn)等。黏土巖類煤矸石可代替黏土制燒結(jié)磚、耐火材料、硅酸鹽水泥等，低鋁高硅砂巖類煤矸石可制備高硅玻璃、白炭黑等。不同煅燒溫度、顆粒粒徑也直接影響火山灰活性，因此在加工過程中應(yīng)嚴格控制工藝流程。另外，煤矸石含有稀有元素（鍺、鎵、釩、鈾等），視含量決定其提取價值，并優(yōu)化提取工藝，降低生產(chǎn)成本。

3.2.4 根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量指標

煤矸石作為煤炭的伴生礦物，含有豐富的腐殖酸和多種植物生長所需的微量元素?？商砑游⑸锘罨鷦瑢γ喉肥M行分解、活化、鈍化等處理，使煤矸石中有毒有害元素固化，土壤營養(yǎng)元素有效釋放，被植物吸收。同時，控制煤矸石的粒徑組成比例，滿足人工土壤的保水性和透氣性要求，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），制備適宜植物生長的高品質(zhì)人工土壤。

4 結(jié)論

煤矸石資源化利用行業(yè)缺乏專項規(guī)劃和長遠設(shè)計，企業(yè)對持續(xù)管理的重視度不夠，第三方存在不合規(guī)處置，產(chǎn)業(yè)發(fā)展還不盡如人意。因此，要因地制宜，綜合施策，有效推進煤矸石資源化利用。一是加強技術(shù)支撐。建立新興交叉領(lǐng)域人才培養(yǎng)機制，拓展人才引進方式，培養(yǎng)煤炭行業(yè)所需的復(fù)合型專業(yè)人才。二是加強政策扶持。加大對煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的政策扶持力度，通過重點項目、示范工程等的專項資金，促進開采、洗選、研發(fā)技術(shù)升級改造，從源頭上、加工過程中、利用上減少煤矸石產(chǎn)生和存量。三是加強協(xié)同聯(lián)動。建立產(chǎn)學(xué)研銷聯(lián)動機制，完善綜合利用產(chǎn)品標準，強化煤矸石技術(shù)標準引領(lǐng)，加大煤矸石產(chǎn)品宣傳、性能比武，從根本上消除消費市場對煤矸石綜合利用產(chǎn)品安全性的疑慮，提高其市場認可度。