國內(nèi)外煤矸石資源化利用的現(xiàn)狀及趨勢

　　煤矸石是煤礦建井和生產(chǎn)過程中排出的一種混雜巖體，包括煤礦在井巷掘進(jìn)時排出的矸石、露天煤礦開采時剝離的矸石和洗選加工過程中排出的矸石，煤矸石產(chǎn)生量約占煤炭開采量的10％～15％。2007年，世界硬煤產(chǎn)量為56億噸，其中電煤為48.5億噸，焦煤為7.5億噸。2007年，我國煤炭產(chǎn)量為25.23億噸，以排矸量占原煤生產(chǎn)量的10％估算，新增煤矸石約為2.5億噸，除綜合利用約為8000萬噸外，其余部分就近自然混雜堆積。我國已形成1500座煤矸石山，貯存煤矸石超過30億噸、占地近30萬畝，煤矸石已成為我國積存量和年產(chǎn)量最大、占用堆積場地最多的一種工業(yè)廢棄物。煤矸石一般露天堆放，經(jīng)過日曬、雨淋、風(fēng)化、分解，產(chǎn)生大量酸性水或攜帶重金屬的離子水，下滲損害地下水質(zhì)，外流導(dǎo)致地表水污染，近1/3的煤矸石由于硫鐵礦和含碳物的存在發(fā)生自燃，產(chǎn)生有害有毒氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境，煤矸石堆放不僅對煤礦自然景觀造成一定的影響，有時還會產(chǎn)生滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。

　　一、煤矸石資源化利用的現(xiàn)狀

　　國外煤矸石利用最早始于第二次世界大戰(zhàn)前，直到20世紀(jì)60年代后期才真正引起各國的重視，截至目前為止在眾多研究中最成功的方法是生物復(fù)田，生物復(fù)田首先在美國和匈牙利研究成功，目前這項(xiàng)技術(shù)已向全世界推廣。美國還研究成功了直接從燃燒的煤矸石山中回收熱能，法國對灰分較大的煤矸石進(jìn)行洗選，回收了其中的可燃物用于發(fā)電，從而節(jié)約了煤炭。復(fù)田造地是徹底消除煤矸石污染的根本方法，在國外已實(shí)施多年，效果相當(dāng)顯著，其中英國青野露天礦對復(fù)田造地實(shí)施較為長久，也卓有成效。

　　在國外,煤矸石利用最普遍的方法是做建材，法國在這方面做得較為出色，從70年代起的30年中，法國人共利用煤矸石1億多噸，主要用于制磚、生產(chǎn)水泥和鋪路；在法國，紅色煤矸石的顆粒具有抗水沖蝕能力，可用于充填潮濕甚至沼澤和積水塌陷坑，被認(rèn)為是很好的填充材料，可使路基具有良好的不透水性，法國北部所有載重道路都是使用這種材料作為路基；近年來，法國還研究煤矸石在水泥中利用的新方法，即將含煤比例較高的煤矸石既作為原料又作為燃料投入窯爐生產(chǎn)水泥。在英國，已燃煤矸石被認(rèn)為是一種優(yōu)良和經(jīng)濟(jì)的材料，并得到了廣泛的利用，其中大部分被用于公路、填壩和其他土建工程的填充物。美國利用“紅矸石”（燃燒過的煤矸石渣）作為筑路材料，是目前煤矸石用量最大的一種途徑，在賓夕法尼亞州“紅矸石”被用于整修道路面。前蘇聯(lián)頓巴斯礦區(qū)每年排出約為6000萬噸煤矸石，積存的煤矸石約為8億噸，煤和硫在空氣中因氧化而自燃，使煤矸石經(jīng)受煅燒變成燒巖，結(jié)果是黏土顆粒中的高嶺土脫水，具有水硬性摻合料的性質(zhì)，這種燒巖經(jīng)常作為碎石用。國外還報(bào)道了英、波、比、俄、日等國用煤矸石代替部分黏土生產(chǎn)水泥，取得了節(jié)煤、降低成本等效果。

　　我國從70年代起開展了煤矸石綜合利用的工作，但是由于我國煤矸石產(chǎn)量大和資源區(qū)域差異顯著，以及經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)設(shè)備的制約，我國煤矸石利用率還較低。我國煤矸石利用的主要途徑有：

　　1.生產(chǎn)化工產(chǎn)品：國內(nèi)外普遍采用酸鹽聯(lián)合法從煤矸石中提取氧化鋁或其他鋁鹽，流程主要包括酸法脫硅、鹽析去渣和燒結(jié)轉(zhuǎn)型等，在具體設(shè)計(jì)過程中根據(jù)原料品味和產(chǎn)品類型檔次進(jìn)行部分改進(jìn)，如用氯化氫氣體鹽析提純、氨水活化、去離子水洗滌和交聯(lián)劑高聚復(fù)合等，這些工藝解決了煤矸石綜合利用中的許多技術(shù)問題，但是在工業(yè)生產(chǎn)中也存在一些弊端，主要包括二氧化硅的利用率不高、生產(chǎn)過程排放多種廢氣、廢液和廢渣，形成二次污染，所以工業(yè)化生產(chǎn)受到限制。

　　2.改良土壤：煤矸石中一般含有大量的碳質(zhì)頁巖,其中有機(jī)質(zhì)含量在15％～20％,并含有豐富的植物生長所必須的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素,一般比土壤中的含量高出2～10倍。煤矸石有機(jī)復(fù)合肥料增加土壤疏松、透氣性,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,達(dá)到增產(chǎn)目的。生產(chǎn)煤矸石有機(jī)復(fù)合肥料一般用化學(xué)活化法，即選用含有機(jī)質(zhì)較高的破碎煤矸石粉與過磷酸鈣按一定比例混合,加入適量的活化添加劑充分?jǐn)噭?加入適量水,堆漚活化即成，還可在活化后摻入氮、鉀和微量元素等制成全養(yǎng)分矸石肥料。

　　3.發(fā)電：煤矸石發(fā)電一般利用熱值在1000大卡左右的煤矸石做燃料,輔以適量的煤或煤泥，通過沸騰爐或循環(huán)流化床帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電，我國已有一批煤矸石發(fā)電廠在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如山西平朔煤矸石發(fā)電廠在原來兩臺5萬千瓦機(jī)組的基礎(chǔ)上擴(kuò)建，今年新上兩臺30萬千瓦的機(jī)組，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,而且山西平朔煤矸石發(fā)電廠與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）混凝土與環(huán)境材料研究所合作將煤矸石燃燒產(chǎn)生的粉煤灰和爐渣粉磨活化用于建筑材料。

　　4.在建材中的利用：一是做水泥原料，因煤矸石的化學(xué)成分與黏土相似，可代替黏土與石灰石、鐵粉和硅質(zhì)膠等原料一起配料，生產(chǎn)所需標(biāo)號的水泥；由于煤矸石具有熱值，可節(jié)約部分燃料，也可以煤矸石為主要原料，摻入適量的石灰、石膏磨細(xì)制成水硬性膠凝材料，有時也摻用少量熟料作為激發(fā)劑制成無熟料或少熟料水泥。二是做磚瓦、輕集料和新型墻體材料，煤矸石代替黏土生產(chǎn)磚瓦可做到燒磚不用土或少用土，燒磚不用煤或少用煤，大量節(jié)省耕地和能源，減少污染；利用煤矸石在高溫煅燒時發(fā)氣膨脹的特性，可生產(chǎn)具有較高附加值的輕集料，符合混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)的發(fā)展方向；以煤矸石為主要原料生產(chǎn)的新型墻體材料，如空心砌塊和加氣混凝土制品具有容重輕、保溫吸音好的特性，可用于承重墻、非承重墻、保溫塊和保溫管等多種制品。三是做筑路和填充材料，煤矸石作為筑路材料的研究應(yīng)用較為普遍，國內(nèi)外已廣泛利用自燃煤矸石作為筑路材料，破碎煤矸石也可作為瀝青混凝土的集料直接用于鋪路；我國有煤矸石作為鐵路路基回填中的下層材料的研究應(yīng)用，回填的種類、區(qū)域和填充工藝等不同對材料的要求不同，回填可用可控低強(qiáng)度材料，這種材料是由大量煤矸石、粉煤灰和其他尾礦制造而成，可用于開放式涵洞、露天礦山、涵箱的內(nèi)部和周圍、排水渠或排水管的內(nèi)部和周圍，以及其他具體的回填利用。四是做水泥及混凝土摻合料或輔助膠凝材料，煤矸石經(jīng)過自燃或人工煅燒后具有一定活性，可摻入水泥及混凝土中作為摻合料，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）混凝土與環(huán)境材料研究所與北京路橋建材集團(tuán)共同承擔(dān)的北京市科委項(xiàng)目“礦山廢棄物資源化利用”，這個項(xiàng)目將煤矸石破碎作為瀝青混凝土集料，利用剩下小于5毫米的顆粒經(jīng)過煅燒粉磨活化制造出高性能混凝土礦物摻合料，這個項(xiàng)目中破碎煤矸石的過程相當(dāng)于對煤矸石進(jìn)行了分選，將煤矸石破碎作為瀝青混凝土集料和制造摻合料結(jié)合起來，充分利用了資源能源，避免了二次污染。

　　二、煤矸石資源化利用的趨勢

　　國家“十一五”規(guī)劃建議中明確提出要構(gòu)建一個“立足國內(nèi)、煤為基礎(chǔ)”的能源供應(yīng)體系，《中國可持續(xù)發(fā)展研究報(bào)告》預(yù)計(jì)到2010年煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中將占60％左右，到2050年煤炭所占比例不會低于50％，可見我國煤炭產(chǎn)量還將不斷增長。雖然煤矸石是產(chǎn)煤過程中排放量大、污染重的廢棄物，但是煤矸石具有利用價值，國家將大力發(fā)展煤矸石資源化利用。

　　煤矸石資源化利用要從本地區(qū)煤矸石特性出發(fā)，提高經(jīng)濟(jì)附加值和有效成分利用率，注重工業(yè)化的可實(shí)施性，同時要從本地區(qū)建設(shè)的實(shí)際出發(fā)，充分就近利用煤矸石資源。由于煤矸石產(chǎn)生于煤礦，所以煤矸石回填成為一個發(fā)展方向。