煤矸石及其资源化利用研究进展

杨依民，孔德顺

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004）

据不完全统计，我国的煤矸石堆积量超过70亿吨，煤矸石山超过2000座；这些煤矸石山的堆积不仅浪费土地资源，而且堆放的过程中易发生自燃，在产生大量黑烟和CO2的同时会分解出少量的有机硫化物，并在空气中反应形成硫酸雾，而在雨水的长期冲刷下煤矸石中的重金属等元素分解出来，进入地表以及地下水，改变土壤成分、污染地下水[1-2]，使土壤不适合绿色植物存活，对水环境造成破坏，最后经过生物循环对人类的身体健康造成危害。

1 煤矸石的性质

1.1 煤矸石的物理性质

煤矸石是一种与煤层共生的灰黑色岩石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭的硬度，一般情况下多砂岩高于多页岩的硬度，在4～5，而多页岩的硬度在2～3。煤矸石被归为沉积岩类，是因为它是由多种矿物构成的混合物[4]。另外煤矸石的含水率在20%～25%，塑性指标在2.5～3.5，耐火度在1250～1350℃，黏度约为1.1[5]。

1.2 煤矸石的化学性质

煤矸石的主要化学组成为无机质，有机质仅占极少的部分。无机质主要为矿物质和水，一般由无机化合物转化为氧化物组成，并含有极其微量的的稀有金属（Ti、V、Co等）[6]，而煤矸石中含有的有机质主要以煤为主，并随着含煤量的增加而升高，主要包括C、H、O、N、S等元素，通常情况下，含C量越高，煤矸石的发热量越大。由于煤矸石含有较多的活性物质，其在一定条件下，会发生水解，形成板体。煤矸石的化学性质一般呈中性或偏碱性，但是某些含水量较高的煤矸石，会呈强酸性，这是因为煤矸石中含有的一部分活性物质水解造成的[7]。

2 煤矸石的资源化利用

我国是产煤大国，我们的煤炭产量占全球煤炭总产量的1/2左右，煤炭在开采、洗选和加工过程中会产生大量的固废煤矸石，煤矸石成为产量第二的工业固体废弃物[8]，而煤矸石的排放量与煤炭的产量具有一定的关系，大概和煤炭产量的10%～15%相当。煤矸石同时具有“废渣”和“矿物”两种属性，是因为煤矸石是由多种矿物组成的混合物，如此一来，解决煤矸石污染问题和煤矸石综合应用就成了煤矸石资源化利用的研究方向。

2.1 煤矸石的分类

煤矸石成分复杂并且由于产地的不同组成成分差距也比较大，这就造成产地不同的煤矸石的各项性质也不相同，而对煤矸石综合利用的各种方法对煤矸石的各项性质的要求也不同；因此，对于煤矸石的资源化利用来说，对煤矸石进行科学合理的分类具有至关重要的理论和实践意义，其意义主要体现于最大程度的对煤矸石的综合利用，并基于其分类依据对煤矸石进行分类堆放，避免了煤矸石乱堆乱放对坏境的污染，为煤矸石的综合利用提供了便利。

2.2 提取有价元素

煤矸石的主要矿物组成有：碳酸盐类矿物、黄铁矿、黏土类矿物、铝土矿物、云母、石英、长石、碳质和植物化石等。矿物以Al和Si为主要组成元素，除此以外还含有数量不等的Fe、Ca、Mg、S和P，以及微量的稀有金属（如Ti、V、Co等），在煤矸石中的随C含量的增加有机物的含量也随之升高，其主要元素组成包括C、H、N和S等[9-10]。因此，分离出煤矸石中的有价元素并对其进行高附加值的利用成为大量处理煤矸石的重要方式。

连明磊等[11]以颗粒活性炭为活化传热介质来解决活化煤矸石的问题，他们通过实验得出在微波功率为680W，活化时间为20min时，70目的活性炭和200目的煤矸粉的质量比在高于2以后的Al、Fe的浸出率基本不变，且其Al、Fe的浸出率为750℃下焙烧2h的1.5倍左右。他们还运用化学反应工程学的方法创建了颗粒活性炭——煤矸石粉系统在不同微波场中的升温模型，并通过实验探索分别建立了活性炭颗粒和煤矸石粉的“枣糕”动力学模型，其中活性炭的“枣糕”动力学模型方程为θA=0.8708-0.8708e-0.384t，而煤矸石的“枣糕”模型动力学方程为θB=1-1.808(-e-0.384t-0.384t)ln1.808，并在实验中模型的计算值与实验所测值拟合良好，这与传统高温焙烧的方法相比较，连明磊等采用的以活性炭颗粒作为活化传热介质来辅助活化煤矸石的方法不仅大大缩短了活化时间（从2h缩短到24min），而且节约能源，还提高了有价元素的浸出率，从提取方面提高了煤矸石的利用率，提高了煤矸石的利用效果，促进了煤矸石的资源化利用。

聚硅酸硫酸铝铁相对于常规的絮凝剂来说，具有制备工艺简单、制造成本低、制造效率高、污泥体积小、电中和作用强、矾花大易沉降、有良好的吸附架桥和沉淀网捕功能等优点，从一面世就在污水处理方面得到广泛应用。刘成龙等[12]以煤矸石为主要原料，通过酸浸得到含有铁、铝硫酸盐的混合物，在混合物中加入一定量的双氧水值得PAFS，再通过浸取废渣得到活性硅酸钠，最后将PAFS与活性硅酸钠复合共聚得到PAFSS； 并且通过正交实验优化出最佳的实验方案：共聚温度30℃，共聚时间15min，VPAFS∶VNa2Sio3=4∶1，wNa2Sio3=20%。该研究进一步拓展了煤矸石的应用途径，并为PAFSS的制备提供了大量的廉价原料，降低了污水处理的成本，这对于煤矸石的综合利用有着极大的促进作用。

2.3 煤矸石发电

煤矸石发电也是对煤矸石利用的一种重要途径，由于煤矸石含有煤及其他可燃物，故可当作燃料来进行发电。我国多采用煤矸石与煤泥、焦炉煤气等低热值燃料单独或混合使用的方式，多采用大型循环流化床锅炉[13]。煤矸石发电属于低热值发电技术，一般将发电厂建在燃料地，如此一来，不仅解决了煤矿上用电紧张的局面，还避免了燃料的长途运输，防止煤矸石侵占土地，污染环境。煤矸石燃烧后产生的炉渣和废灰具有比较好的化学活性，可作为其他煤矸石综合利用方面的原料加以利用，避免了对环境的二次污染[14]。迄今为止，我国的煤矸石发电产业发展形势良好，煤矸石发电技术趋于成熟，这对煤矸石的综合利用是一个很大的进步，在社会进步、经济发展和保护环境方面产生了十分显著的效益。

2.4 煤矸石制建筑材料

目前为止，对煤矸石利用最彻底的方法就是制作建筑材料，这也是我国对煤矸石应用最广泛的途径。煤矸石制砖是使用煤矸石中含有的少量有机物的自燃，已达到节约原料煤的目的[15]，由此可知煤矸石制砖需要未自燃过的煤矸石。煤矸石砖的各项性能与传统的黏土砖相比更加具有优势[16]，并且煤矸石含有的少量的有机质的燃烧还可以为制造过程提供一定的热量，达到了低热值燃料资源化利用的目的，节约了能源消耗。部分煤矸石和黏土的成分相近，故可以代替黏土制造水泥，由于煤矸石中的三氧化二铝含量较高，所以在制造过程中加入适量的石膏[17]。煤矸石制作建筑材料不仅可以降低建筑材料的制作成本，还可以消耗大量的煤矸石，减少煤矸石的堆积，避免土地的浪费，防止环境污染，促进经济发展。

2.5 煤矸石填充采空矿区

利用煤矸石就近填充被采空的矿区，可以是大量的煤矸石在矿井下直接使用[18]，减少煤矸石的运输，并且有效的解决了地表塌陷和沉降的问题，减少了煤矸石对方对土地的浪费，杜绝了其对大气、土壤及地下水的污染[19]。

3 结语

开发更多煤矸石利用的新技术，可以更大的促进煤矸石的资源化利用，使煤矿企业的产业更加多元化，提高了煤矿企业承受风险的能力；同时煤矸石的高附加值得利用还可以缓解煤矸石对环境及社会造成的压力，在促进社会进步、经济发展和环境保护等方面具有十分重要的意义。