煤矸石的综合利用技术探讨

引言

煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物。据不完全统计，目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.5～2.0亿t的速度增加。煤矸石的堆放不仅占用大量土地，而且在一定条件下会发生自燃甚至爆炸事故，造成人员伤亡和煤矿排矸系统的破坏，影响安全生产。同时，煤矸石自燃排放出的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体，污染周围大气环境，严重影响矿区居民的身体健康。

一、我国煤矸石的综合利用现状

我国综合利用煤矸石已有几十年的历史，但到目前为止，我国煤矸石的综合利用水平不高。主要表现在技术装备落后，企业规模小，发展后劲不足，竞争能力弱等方面。目前我国煤矸石综合利用技术及装备水平达到国际20世纪90年代先进水平的比例还不高，一些技术含量较高的煤矸石综合利用技术还未得到广泛应用。据资料报道，美国、英国和德国等西方国家煤矸石的总体利用率已高达90%以上，而我国这样一个以煤炭为主要能源的国家对煤矸石的总体利用率却不到50%，这导致目前我国煤矸石的堆积量每年还以1.5～2.0亿t的速度在增加，矸石山的危害日益严重。

因此，应加大对煤矸石综合利用工作的力度，加强煤矸石综合利用技术的开发和推广应用，最终实现煤矸石的变废为宝，促进煤炭工业的健康发展和国民经济的可持续发展。

二、煤矸石综合利用的主要途径

（一）煤矸石发电

煤矸石发电是综合利用煤矸石的重要途径。煤矸石电厂主要利用热值在6.53～8.37MJ/kg之间的洗矸和掘进矸石。目前，煤炭系统矸石发电多采用流化床燃烧技术，采用最多、技术成熟的是35t/h和75t/h的循环流化床锅炉。

我国利用煤矸石发电已经形成一定的规模，全国矸石电厂装机容量已发展到500万kW，每年利用矸石发电消耗的煤矸石总量约为4500万t，占到煤矸石综合利用量的60%左右。可见，煤矸石发电不仅消耗大量的煤矸石，使之变废为宝，而且可以节约大量的煤炭资源，缓解煤电日益紧张的局面，其经济效益、社会效益和环境效益都十分显著。

（二）利用煤矸石生产建筑材料

利用煤矸石可生产的建筑材料及其制品主要有：煤矸石砖、煤矸石砌块、煤矸石通用水泥、煤矸石特殊水泥、轻集料、马赛克及釉面砖等等。这是煤矸石综合利用的又一重要方向，可以消耗大量的煤矸石。

1、煤矸石制砖技术。利用与粘土成分相近的煤矸石制砖，可以做得烧砖不用土，不用煤或少用煤，既节地又节能。用煤矸石制砖的主要工艺流程为：破碎→粉磨→搅拌→压制→成型→干燥(排湿)→焙烧→成品。矸石砖与传统的粘土砖相比较，其强度和耐腐蚀性都优于粘土砖，且干燥快，收缩率小。

2、煤矸石制作水泥。把煤矸石应用于水泥工业的研究，国内外已经作了大量的工作。研究和实践表明，利用煤矸石生产水泥熟料、普通硅酸盐水泥、无熟料或少熟料水泥以及特种水泥(如快硬水泥、双快水泥、喷射水泥等)都有着广泛的应用前景。

3、煤矸石制作轻骨料。煤矸石是生产轻骨料的理想原料。用煤矸石烧制的轻骨料性能良好，可以配制200～300号的混凝土，它具有容重轻、吸水率低、强度高的特点，适用于制作各种建筑预制件。

（三）煤矸石生产肥料

利用煤矸石为原料生产农用肥料，在国内外已经得到应用。煤矸石中约含有15%～20%的有机质，并含有丰富的植物生长所必须的B、Zn、Cu、Co、Mn、Mo等微量元素。某些煤矸石中的N、P、K及微量元素的含量是普通土壤的数倍，经过加工可以生产有机肥和微生物肥料。

微生物肥料是近年来发展生态农业及绿色食品的新产物。煤矸石中含有的大量有机物，是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的基质和载体。煤矸石微生物肥料生产工艺简单，耗能低，投资少，生产过程不排渣，如南票矿务局与中国农科院合作开发的“金丰牌”1微生物肥料、山东龙口矿务局与北京田力宝科技研究所开发生产的“田力宝”微生物肥料，均取得了很好的社会效益和经济效益。

（四）煤矸石制备化工原料

煤矸石的主要化工用途就是通过各种不同的方法提取煤矸石中的某一种元素或生产硅铝材料。对于含铝量较高的煤矸石，其开发的化工产品主要有结晶氯化铝、聚合氯化铝、硫酸铝、4Å沸石等等。

1、结晶氯化铝。主要用于精密铸造的硬化剂(较氯化铁强度高)、造纸施胶沉淀剂、净化水混凝剂、木材防腐剂、制造Al(OH)₃胶等。

2、聚合氯化铝。又称碱式氯化铝，是一种无机高分子化合物，一种新型的混凝沉淀剂，广泛应用于净水和污水处理，以及造纸、制革、铸造、医药、轻工、机械等许多领域。用煤矸石生产聚合氯化铝，投资小、成本低、工艺简单。

3、4Å沸石。4Å沸石是目前最好的无磷洗涤助剂，其去污效果可与三聚磷酸钠(STPP)媲美，且对人体无害，对织物无损，易于生物降解，有利于环境保护，应用前景广阔。传统的生产4A沸石的方法主要是以NaSiO₃和NaAIO₃为原料进行水热合成，原料成本较高。而利用煤矸石生产4Å沸石原料充足，成本低，效益高。

此外，因为用煤矸石生产铝盐后留下的残渣的主要成分为SiO2，所以除以上高铝产品外，其残渣还可以用来生产水玻璃、白炭黑等。

（五）煤矸石制取新型材料

1、煤矸石合成碳化硅(SiC)。碳化硅材料以优异的高温强度、高导热率、高耐磨性和耐腐蚀性在磨料、耐火材料、高温结构陶瓷、冶金和大功率电子学等工业领域广泛应用。工业上生产碳化硅主要是以石英砂、石油焦碳或优质无烟煤作原料，在炉中经高温电热还原生成碳化硅，是一项高耗能、高污染的工业。而采用高硅煤矸石与烟煤作原料，用工艺合成SiC，与传统原料相比其反应速度快且反应温度低，可以代替石英砂和大部分价格较贵的石油焦碳，并可以降低能耗和生产成本，具有较高的应用价值和应用前景。这是煤矸石综合开发利用的一条新途径。

2、煤矸石制备4Å分子筛。传统的分子筛生产，国内外大部分采用氢氧化钠、水玻璃和烧碱等化工原料合成的方法。由于这些原料短缺，价格昂贵，生产工艺流程较复杂，且生产成本高，阻碍了分子筛应用范围的扩大。而利用富含高岭石的煤矸石生产分子筛，原料丰富廉价，工艺流程简单，成本低廉，具有较强的市场竞争力。

（六）煤矸石的井下处理技术探讨

传统的煤矸石处理方法是将煤矸石提升出井集中堆放或进行再处理利用，这不仅要大大增加矿井提升运输量和提升运输费用，而且排出的煤矸石在地表堆积还要占用大量宝贵的土地资源，同时堆积成山的煤矸石会发生自燃发火，严重影响煤矿的安全生产和职工的生命安全，并造成矿区大气、水源的污染。因此，如果能够采取适当的方法使得煤矸石不出井或少出井，那么就能从根本上解决地表煤矸石堆积成山带来的诸多问题。

目前，国内外的煤矿工作者在长期实践和研究中发现，在井下煤炭开采过程中，尽量不出矸或少出矸是完全可行的，主要技术工艺包括以下几种：

1、少开岩巷、多掘煤巷或全煤巷布置。近些年来，随着采掘速度的加快、回采工作面单产的提高使得巷道的维护时间缩短；支护技术水平的提高使得维护煤层巷道的困难大为降低；运输设备的改进和新型运输设备的应用对巷道曲率半径和坡度的限制越来越小以及防治煤层自燃发火技术水平的提高等等都为少开岩巷、多掘煤巷或全煤巷布置打下了良好的基础。德国和英国的煤炭企业近年来逐渐应用全煤巷开拓技术，一些煤矿已经取消了排矸系统；我国的潞安漳村矿、神华集团大柳塔矿等也实现了全煤巷布置，基本不出掘巷矸石。

2、井下应用机械煤仓。传统的井下煤仓一般布置在岩层中，用就要掘，用后即废，造成了很大的浪费并产生了大量的矸石。为了井下少出矸或尽量不出矸，就要应用机械煤仓。采区(或工作面)的机械煤仓是可以移动的煤仓，一处用后还可以移到其它地点重复使用。

3、井下峒室移至地面。井下爆破材料库开掘在稳定岩层中。“井下爆破材料库必须有独立的通风系统”，为此经常需要开掘较长的通风巷道。但是，随着采掘机械化程度的提高，井下爆破器材的使用已经越来越少。如果将井下爆破材料库移至地面，这样不仅减少了峒室本身开掘的工程量和由此产生的矸石，而且也减少了专用于该峒室的通风巷道的开掘工程量和由此产生的矸石。

4、利用井下矸石充填采空区，这是减少矸石出井的重要方法。对于采空区(或工作面)倾角大于42o的条件，采用自重充填方法是最为简单易行的。可以将矸石用(胶带)输送机运到工作面后的回风巷，直接把矸石卸人采空区；或用铲装车、自动卸载车直接把矸石运输卸载到采空区；或者用单轨吊车、卡轨车、齿轨车等辅助运输工具直接卸载矸石到采空区。

5、井下选煤。采掘工作面产出的原煤中约有15%的矸石，如果在井下进行选矸工作，这样不仅可以使矸石不出井，而且可以减少矿井提升运输量和提升运输费用。井下选矸易于实现，例如在工作面拣矸；在井下原煤运输巷道设置低速(胶带)输送机或为了不影响输送能力而并联低速输送机，进行机械或人工拣矸等等。

三、对煤矸石综合利用的建议

1、研究开发一批煤矸石综合利用技术，着重进行大型燃煤矸石循环流化床锅炉及成套发电技术、简易高效烟气脱硫、生态微生物复垦技术、高岭土深加工等技术的研究开发以及地面无矸石山综合处置利用技术和工艺的开发。通过产学研联合攻关和开发，逐步建立技术引进、消化吸收、自主开发的技术创新机制，跟踪国际综合利用技术和装备的发展趋势，缩短我国煤矸石综合利用技术装备水平与世界的差距。

2、加快现有企业煤矸石综合利用技术改造，用先进实用技术改造落后的、污染环境的技术、工艺和装备，如用循环流化床锅炉改造老电厂的沸腾炉，从根本上解决煤矸石电厂的污染问题；用硬塑、半硬塑成型技术改造落后的软塑成型技术装备，使煤矸石制砖上规模、上水平。

3、推广一批先进适用的煤矸石综合利用技术，重点推广75t/h以上的循环流化床锅炉，推广炉内石灰石脱硫和静电除尘技术等。

4、强化技术导向作用，加快先进、成熟技术的推广应用，建立健全煤矸石综合利用技术和产品的推广及技术转让网络，有效地发布技术和供需信息，促进科研成果的有效转化。