推进煤矸石综合利用促进资源环境的持续发展

刘昌运

（毕节市生态环境突发事件应急中心，贵州毕节 551700）

0 引言

煤矸石综合利用可解决其占用土地、污染环境问题，并且实现资源的再次利用，获取资源与环境效益的双向提升。但由于煤矸石综合利用需要投入的资金多，且利润不够理想，并缺少成熟的技术，致使煤矸石资源化利用进程受阻，对其堆存周边环境产生不良的影响。因此，基于资源环境持续发展的需要，深入分析煤矸石综合利用途径与技术，对于煤矸石资源化及环境的可持续发展有着重要的推进作用。

1 煤矸石带来的危害

1.1 侵占土地，扬尘污染

煤矸石是煤炭生产过程中形成的大宗工业固体废弃物，据统计数据显示，我国现有规模化煤矸石山超过2600 座，累积堆存60 亿～70 亿吨，是积存量最大的固体废弃物之一，且每年还在以3 亿吨以上的数量增加。这些存积的煤矸石被堆积在林业用地或是农业用地上，占用了大量的土地资源，并且煤矸石中的微量重金属元素还会对土壤及地下水造成污染。煤矸石是含碳量较低的黑灰色岩石，在运输、处理、堆放过程中会产生大量的扬灰，对周边环境造成粉尘污染[1]。比如，煤矸石运输车辆途径农田、居民区等，沿途产生扬尘污染空气，或者是在长时间的堆放过程中，日晒雨淋使煤矸石表面风化粉碎，在风的作用下形成扬尘，污染煤矿区的空气环境甚至是大气环境。

1.2 安全风险高，污染大气环境

虽然煤矸石为固体废弃物，但是它也含有一些自燃物质，如硫、碳、残煤、碳质泥岩等，在长期堆存的过程中，煤矸石内部温度逐渐增加，一旦达到煤矸石的燃点会导致自燃现象的发生。煤矸石堆积过高，受到降雨的影响，致使煤矸石吸水崩解，如果未设置挡土墙则会有滑坡隐患。从煤矸石的成分来看，有氧化铝、二氧化硅、氧化铁、氧化钙、三氧化硫、微量稀有元素等，在煤矸石发生自燃后，排放出一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等有害气体，对煤矸石山周边的空气环境及矿区居民产生危害，甚至会污染大气环境。

1.3 土壤及水体污染

煤矸石堆积场地在建设阶段进行了防渗处理，如果煤矸石场地的使用时间超过了防渗设计的使用寿命，防渗能力下降，煤矸石在雨水的作用下吸水分解，使有害的化学物质渗入地下，导致土壤及地下水遭到污染，或者是在风的作用下，煤矸石粉尘随风四散，飘落在周边的土壤上，或者是落入周边水体，造成大面积的土壤及水体污染。煤矸石的物理结构较差，吸水易分解，保水保肥性不够，有机质含量不足，不适用于农业种植，并含有一定量的重金属，主要有铅、锡、汞、砷、铬等，不利于植物根系吸收及成长，存在极端pH 值，当pH 值接近2 时酸性过大，促进重金属溶出，加重了煤矸石对土壤及水体的污染。

2 推进煤矸石综合利用促进资源环境持续发展的思路

2.1 以再生利用为目标，采取无害化堆存措施

煤矸石是煤炭生产的伴生物，实质是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，由于产量过大一般采用的是露天堆放、规模化处置。煤矸石的年产量大，而综合利用却不足，致使煤矸石积存越来越多，形成较大的污染及安全风险。基于此，以综合利用为导向，以转存为手段，对煤矸石采取无害化堆存，在消化每年新增量的基础上，消化一定的积存量，实现规模化的处置，推动资源环境的可持续发展。在堆场设计建设阶段，做好场地出入料口、运输道路等再生利用配套设施的设计和建设，为煤矸石的综合利用做好准备。

2.2 加强制度保障，理清综合利用思路

（1）要做好全面的摸底排查，确定煤矸石生产的实际情况，并建立生产档案，作为综合利用的依据；（2）控制污染，在煤矸石运输、处理、堆放等环节，采取严格的污染控制措施，提高污染控制标准，同时建立并实施监管制度，全面监管煤矸石的各个运作环节，督促企业加强煤矸石污染源头的治理，尽可能降低煤矸石的污染程度；（3）积极引进技术项目，专门建立预处理中心，与综合利用相分离，并根据综合利用的需求，完成煤矸石的分类、加工、处理，为综合利用提供标准化的煤矸石原材料；（4）打造煤矸石综合利用产业园区，培养煤矸石利用骨干企业，促进煤矸石综合利用产业化发展，同时，引进先进的煤矸石利用技术，提升产业创新能力、技术研发能力，达到增链、强链、补链的目的，最终创建国家级的煤矸石综合利用创新示范基地，全力助推资源环境的持续发展。

2.3 以目标为导向，促进资源环境效益提升

（1）确立煤矸石堆存与处置目标，制定每年消纳煤矸石目标与计划，以综合利用为消纳手段，尽可能减少现有堆存量，在未来无需建设新的堆场；（2）设置综合利用目标，煤矸石治理与利用共同发力，以发展煤矸石综合利用产业为目标导向，积极引进适用性技术，并完善配套设施，打造出国家级的煤矸石综合利用产业示范基地，促进煤矸石资源的最大化利用及可持续发展；（3）设定资源环境目标，结合资源环境持续发展的需要，因地制宜设定资源环境目标。主要包括煤矸石年处理量、污染物排放总量目标，以国家下达的指标为基准，环境质量为目标，增加城市空气质量优良天数，降低城市PM2.5 浓度。

3 引进煤矸石综合利用技术促进资源环境可持续发展

3.1 专门创建预处理中心

煤矸石是在煤炭生产掘进、开采、洗煤过程中产生，有掘进矸石、洗矸石以及采掘过程中伴生的矸石等，煤矸石的来源不同，成分存在着较大的差异。在煤矸石综合利用之前，应对其进行集中分类处理，分离煤、煤矸石、砂质页岩、泥土等，生产出可直接综合利用的煤矸石原材料，减少煤矸石综合利用企业的生产环节及生产成本。采用煤矸石预处理模式，将煤炭企业的煤矸石堆场作为转场，避免新旧煤矸石混堆、乱运、乱排等问题。预处理中心煤矸石集中分类处理流程如图1 所示。

3.2 规模化综合利用

（1）循环流化床锅炉技术。在煤矸石锅炉运行过程中，整合运用混合流速循环流化床与多元内循环流化床，可提高煤矸石锅炉的效率，比如热值为800kcal/kg 的煤矸石锅炉，运用该技术后热值可提升1 倍，锅炉效率提高超过75%，增加煤矸石资源的利用效率。（2）生产无机纤维保温材料技术。使用专门的设备并添加复配成分，经过脱水→黏合成型→熔炉燃烧→离心处理→高压吹拉等一系列的加工处理后，生产出无机纤维。该无机纤维可作为保温产品制作的原材料，能生产出多种纤维板、纤维绳、纤维毡等，煤矸石利用率超过了80%。（3）制陶瓷渗水砖技术。该技术以煤矸石为原材料制作陶瓷渗水砖，其他主要原材料有湿排粉煤灰、陶瓷废料，造孔剂是无机矿物原料，黏结剂是废玻璃粉等，通过压制的方法制作出胚体，使用隧道窑高温烧制生产出生态陶瓷透水砖，通常一级或二级透水砖的烧制温度在1500℃～1560℃，三级透水砖为1390℃～1400℃。此外，还可将煤矸石直接进行粉碎，采用复配加工方式压制为发泡砖或者是生产出透水砖[2]。（4）复合保温砌块技术。以煤矸石和页岩为原材料，使用EPS 颗粒发泡工艺，经过粉碎、搅拌、硬塑成型加工处理后，制作出复合自保温砌块。该保温砌块的技术参数如下：抗风化性能＞0.80，抗压强度＞5.5MPa，干密度≤850kg/m3，吸水率≤18%。（5）生产水泥技术。煤矸石可以替代水泥生产原材料中的黏土，或者是掺入燃煤中，节约水泥生产中的燃煤量。在生产水泥过程中，使用煤矸石、石灰石、无烟煤，并添加适量的石膏和萤石，然后烧至部分熔断，使混合的生料转变为硅酸水泥熟料[3]。（6）煤矸石混凝土轻质装配房屋技术。在装配式房屋构件生产过程中，使用煤矸石混凝土制作房屋的墙体、梁柱等，实现装配式房屋的标准化设计及模块化生产。房屋原材料为煤矸石再利用，以新型的C15 煤矸石陶粒夹芯墙体为例，长宽为3000mm×600mm，重量仅有72kg/m2，质量轻、隔声保温性好，且安装速度快，具有低碳环保、循环利用、成本低等优势。

3.3 高值化综合利用

泡沫玻璃生产技术，使用球机粉碎煤矸石、碎玻璃等原材料，并添加适量的矿物料和化学药品，然后将混合料放入耐热钢模具中，在发泡窑炉中高温熔化、发泡、退火，生产出带有无数微小气泡的泡沫玻璃。该玻璃的基础材质是玻璃，气泡密闭，无毛细表现，具有良好的保冷、绝热、透湿、隔音、染色等性能，是装饰行业应用较为广泛的玻璃材料[4-5]。制备纳米陶瓷微珠，将煤矸石使用球磨机研磨成粉后，加入水、分散剂再次进行研磨，然后与发泡剂混合并进行充分搅拌，经过离心→雾化→干燥→烧结成形处理后，制作出直径在0.5μm ～300μm 的新型工业基础材料陶瓷空心微珠。

3.4 治理与生态修复技术

（1）煤矸石膏体充填。煤炭开采后形成地下采空区，回填采空区以保护煤炭生产的安全，并防止采空区塌陷问题，以煤矸石为主体原材料，加入普通硅酸盐水泥以及改良剂和减水剂后，通过加水强力搅拌后形成浓度70%～80%的煤矸石膏体，借助管道运输将其充填在采空区，利用水泥的胶凝特性，在采空区形成一个整体的加固结构[6]。（2）煤矸石填充。在煤矿井下直接收集煤矸石，集中破碎后与添加剂进行混合，使用输送泵将混合料回填至采空区，无需将煤矸石运输至地面，在矿井内部直接消化，资源利用效益与环境保护效益良好。（3）土壤改良。煤矸石中含有多种植物生长所需的微量元素和营养物质，使用煤矸石土壤改良技术激发其微量元素铜、锰、钼、硼、锗、硒等的活性，用于改良土壤的营养水平。使用双螺旋设备强力搅拌煤矸石物料，然后喷淋带有一定酸度的调节液，物料颗粒在碰撞时完成其物化性能的激活[7]。（4）生产肥料。煤矸石中的碳质页岩有机质含量较高，有机质中含有锌、铜、锰等，所以可使用煤矸石生产有机复合肥，将煤矸石和低品位磷矿按照一定的比例混合后，在粉碎的混合物中添加嗜麦芽窄食单胞菌菌液，通过搅拌、温度控制，可生产出微生物矿物肥料。

4 结语

煤矸石综合利用涉及的领域广且技术多样，在推进煤矸石综合利用的过程中，应立足于煤矸石综合利用产业化发展，打造循环经济产业链条，实现煤矸石生产、预处理、综合利用的一体化运作，消除中间环节，做好技术创新及研发，为煤矸石的综合利用奠定基础。同时，注意技术实践运用中的经验总结，加大煤矿产区的环境治理，运用煤矸石充填、填充加固采空区，生产出有机肥料改善矿区土壤，积极促进煤矿产区绿色发展，为资源环境持续发展增添助力，还矿区一片绿水青山。