煤矸石综合利用发展方向研究

2013-10-15冯蕊

环境与可持续发展 2013年5期

冯蕊

(煤炭工业太原设计研究院，山西太原 030001)

前言

我国煤炭资源丰富，潜力巨大，是世界产煤大国，其储量约占全国矿产资源储量的90%，占化石能源的95%，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重一直都在70%左右，煤炭工业是我国重要的支柱产业，在未来20年内煤炭仍然是我国的主要能源。

煤矸石是在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石，是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废物，含碳量较低，比煤坚硬。在煤炭生产中，煤矸石多以矸石山形式堆放。仅以山西为例，据统计结果，煤矿企业兼并重组整合前约有大小矸石山4000余座，兼并重组整合后，现存的矸石山仍有1500多座，2010年全省矸石产生量8500多万吨，目前煤矸石累计堆存量已逾10亿吨。如何解决矸石山遗留的历史环境问题，并对继续产生的煤矸石进行合理有效利用，实现固体废物的资源化，并开展煤矸石高端化利用途径的试验研究，加大对非煤产业和循环经济的推进力度，促进产业结构调整、转变经济增长方式、提高煤炭工业发展的质量和效益，是当前急需解决的主要难题。

1 煤矸石综合利用现状

1.1 煤矸石综合利用概况

煤矸石作为煤炭生产过程中的副产物，主要来自矿井矸石和洗煤厂洗选矸石，产生量约占煤炭开采量的5%～25%。统计分析煤矸石的综合利用方向主要集中在发电、制砖、充填路基、填沟造地等，其他方面的利用量极少，利用的矸石以洗矸为主，剩余矸石以矸石山形式堆放。

以山西为例，截至2010年，全省煤矸石累计堆存量超过10亿吨，矸石山1504座。截止2010年底，山西省煤矸石发电机组消耗煤矸石仅占全省煤矸石产量的11%，煤矸石砖厂及建材厂可利用煤矸石占比约为12%，用于填沟造地的矸石量利用率约5%，用于充填路基、塌陷坑和外售等的矸石量利用率约10%，剩余62%的煤矸石全部堆放。

1.2 煤矸石利用存在的主要问题

堆积量巨大，综合利用率较低。随着煤炭产量大幅增加，伴随的煤矸石量也有所增加。虽然近年煤矸石在多途径实现综合利用，但煤矸石的综合利用率还很低，综合利用存在堆存量大而利用率小的问题。

造成一定程度的生态影响和环境污染。煤矸石堆积量巨大，全国高硫矿区矸石山存在不同程度的自燃现象。煤矸石已成为积存量和产生量最大、占用堆积场地最多的工业固废。

利用价值链低端，缺乏高端利用的有效途径。目前煤矸石在发电、制砖等方面已开展广泛的应用，但附加值低，利用量相对较少，大多处于价值链低端，回收矸石中的有用组分以及制备高附加值产品仍然较少，而且大多数还处于研究与示范阶段，远没有形成成熟的技术。

缺乏有效经济激励约束政策和相关配套政策。煤矸石综合利用相关政策在执行过程中一直都有很大的阻力，涉及不同行业利益、相关企业监督等一系列问题。对于煤矸石的资源化利用，企业天然的动力不足，在这种形势下，如何鼓励和监督企业开展煤矸石综合利用，需要一套完善的体制来协调解决。

非煤产业人才缺乏，相关行业成果应用不畅。煤炭行业与建材、化工行业之间沟通不畅，结合不好，建材、化工行业的成果未能有效在煤炭行业得到应用和实施，缺乏一种有效融合的机制。

2 煤矸石成分分析

矸石是多种沉积岩组成的集合体，不同的沉积岩又主要由成岩矿物组成。收集我国主要产煤地区典型矿区已有的煤矸石工业分析、化学成分分析数据，对其中主要工业、化学成分进行统计，见表1。从表中可知，煤矸石的主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、固定碳和少量三氧化二铁、氧化钙等。

表1 典型矿区煤矸石工业化学成分分析统计表

3 煤矸石利用重点发展方向

3.1 煤矸石电厂

主要采用循环流化床锅炉燃用矸石(低位发热量1000～3000大卡/千克)与低热值煤发电，电厂用矸仍旧是洗选矸石的主要利用方向，可充分利用矸石中的余热，是大量消耗煤矸石的有效途径之一。目前我国运行较为成功的案例，山西平朔2*300MW机组采用循环流化床锅炉，燃用80%煤矸石和20%低热值劣质煤发电;四川白马电厂正在进行600MW发电机组的循环流化床锅炉燃用煤矸石的实验。

3.2 煤矸石建材企业

利用煤矸石为原料，生产煤矸石砖、装饰砖、多孔砖等已成为煤矸石制建材较为成熟、利用广泛的技术。制砖是有效消耗煤矸石的重要途径之一，，实践中，在粘土砖禁止销售好的地区，矸石砖销路很好，反之，粘土砖禁售不太好的地区，矸石砖普遍亏损。规划布局此类企业应和市场需求基本一致，应建在矸石堆场附近，运距以50公里以内为宜，最远运距不超过100公里。

3.3 煤矸石生态处置

利用煤矸石进行填沟造地是矸石大量利用的重要方式。采用煤矸石进行填沟造地，恢复土地生产力，根据当地自然环境与社会经济发展情况，按照经济可行、技术科学合理、综合效益最佳和便于操作的要求，在有条件的地方复垦为旱地，在条件不足或暂时不足的地方复垦为林地或草地。适用于山区和丘陵地区，可减少地面堆存的不利影响，改善当地生态环境。针对不同类型矸石山的治理，采取不同的生态恢复治理措施。

3.4 矸石井下回填

用煤矸石进行矿井回填，实现绿色开采，从源头减少排矸量，可大量消耗煤矸石，越来越受到人们的重视。实行沿空留巷巷旁充填无煤柱开采技术，目前已在西山矿区屯兰矿试验成功。在煤矿开采中，两个工作面之间留设有煤柱，以煤矸石充填巷道来代替此留设煤柱即为沿空留巷，沿空留巷是普遍使用的一种无煤柱护巷方式，应用沿空留巷，不仅可以大大提高煤炭资源的采出率，而且还可以缓解采掘接续紧张的局面。但由于全国不同矿区的地质条件、支护材料来源，井型大小等差异甚大，应该因地制宜地采用不同类型和不同技术水平的巷旁支护形式。

3.5 “以矸换煤”技术

“以矸换煤”是指煤炭开采后期对建构筑物压煤采用煤矸石充填回收煤柱。在留设煤柱的地方，每隔5～15m宽，顺一个5m宽的煤巷，将煤采出后，再将矸石回填，具体工艺是把矸石仓的矸石破碎至25mm以下，用皮带输送至井下，抛矸机将矸石抛至充填点，同步注浆夯实防灭火。此方法在山西太原东山煤矿已进行实验，效果良好，充填成本300元/吨左右。

综上所述，煤矸石回填井下技术可行，可以实现地面不堆矸石的绿色开采，但成本较高代价大，有时高于开采煤炭的吨煤成本，可用于资源临近枯竭的矿井。如大面积推广此技术有难度，和我国现阶段经济发展的水平不相适应。

3.6 煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了发电、制建材、用于生态处置以外，针对煤矸石组成成分，我们重点提出了以下几种煤矸石的高端化利用方向。

3.6.1 煤矸石制陶瓷空心微珠

微米级陶瓷空心微珠是一种微米级的无机材料制品，由多个中空球形体聚集而成的空心球，主要用在环保建材、保温板内芯、橡胶树脂等填料、乳化炸药、高档防火涂料、石油固井等领域。全球空心微珠的应用市场巨大，2010年空心微珠的全球消费量1.31亿吨，国内市场基本处于低端产品自给、高端产品进口的局面。因此尽快提高国内高端微米级陶瓷空心微珠产品的生产能力，形成规模，从资源和环境发展角度意义深远。

微珠生产技术方案为煤矸石筛选、破碎、研磨、制浆、干燥成型和烧结的工艺，主要原辅材料有煤矸石、分散剂、添加剂、发泡剂和氧化钙等。

3.6.2 煤矸石制无机纤维

目前国家为满足防火要求，已明确禁止在建筑物保温材料中使用有机聚氨酯保温材料，并推广无机防火保温材料。这对煤矸石制矿物纤维、硅铝纤维保温材料等是很好的推广应用机遇。

(1)制超细矿物纤维。煤矸石制超细矿物纤维，目前在国内作为一种新型的产业，具有节能、环保、纯净、良好的适应性、成本低、效益大、市场需求广泛等特点。可广泛应用于密封、摩擦材料、VIP板(真空绝热板)、沥青改性材料、造纸领域、建筑物保温、吸音板、保温砂浆等领域。其工艺为将煤矸石原料(煤矸石占比40～50%，其余为石灰石和少量的白云石)与填料(粘结剂、附加剂)通过自动上料系统进入熔炉，使成纤炉熔融温度、熔体粘度、析晶度与生产设备的工艺参数配套，生产出初纤维，再进行物理深加工和化学改性处理后，制备出成品矿物纤维。

(2)制硅铝纤维。以矸石为原料生产硅铝纤维，这项国外技术在国内已研究成功，并有应用实例。硅酸铝纤维产品可应用于石油、化工、治金、电力、建材、机械、纤维纺织等行业的窑炉、管道、锅炉、贮罐等耐火、保温、消音、耐热方面。硅酸铝纤维原料的熔融一般采用电炉作为熔化设备，主要有电阻炉和电弧炉两种。纤维的成形方法分为喷吹法、甩丝法和甩丝-喷吹法等。

电弧法喷吹成纤、湿法制毡工艺合格配合原料加入电弧炉中熔融，形成流股，流股经压缩空气或蒸汽喷吹后成为纤维，经过除渣器除渣后，集棉形成成品纤维。成品纤维被送入搅拌槽旋涡除渣后，被送至贮料槽，施加粘接剂后形成浆料。浆料经压机模压或真空吸滤，干燥形成硅酸铝棉成品。

当前影响推广煤矸石制矿物纤维、硅铝纤维应用的主要问题是，该类产品和建筑领域的标准化、规模化要求有一定差距，生产的产品规格和建筑物的粘结、抹面、固定等方面有差距，没有形成系列和标准化。

3.6.3 煤矸石制氮氧化物耐火砖

利用煤矸石中的二氧化硅、三氧化二铝、残炭和氮气进行碳热还原氮化工艺合成复合氮化铝硅耐火材料(由三氧化二铝、碳化硅、氮化物组成)。传统的氧化物耐火材料抗氧化、抗侵蚀性差，热震稳定性低，而氮氧化物耐火材料抗侵蚀性好、热震稳定性高，在国际上属高档耐火材料，可成为新一代冶金耐火材料，连铸功能耐火材料以及有色金属用耐火材料。该项目已开始中试，是大量消耗煤矸石，进行高端利用的途径之一。

3.7 其他利用方向

煤矸石除了发电、制建材、高端化利用、用于生态处置以外，目前正在研究、开发的新技术尚多，简要介绍以下几个方面。

3.7.1 制取工业原料

煤矸石所含的许多元素中，SiO2和Al2O3是含量最高的。因此，通过不同方法，提取其中一种元素或生产硅铝材料是煤矸石化工利用的主要途径，但仅限于矸石中Al2O3含量在35%以上的煤矸石。其中有烧结、自行糟化法生产氧化铝;硫酸法生产氧化铝或硫酸铝;盐酸和硫酸法浸取煤矸石，制取氧化铝、聚合铝、水玻璃和白炭黑等;生产铵明矾。其中氧化铝和聚合铝是用途最为广泛的产品，它们都可用作净水剂。结晶氯化铝可以作为熔模精密铸造工业中的硬化剂和造纸工业中的硬化剂和施腔沉淀剂。聚合铝还可用作水泥速凝剂.耐火材料的凝结剂等。生产实践表明，作为铝盐原料的沸腾炉渣必须符告下列三个条件:a、矿物组分杂质含量要低.含铁量应控制在1.5%以下，钙镁也应控制在0.5%以下;b、氧化铝含量要高，一般要求在35%以上:c、酸溶出率要高(一般要求大于80%)。

3.7.2 生产沸石分子筛

煤矸石可作为沸石合成原料使用。煤矸石的矿物成分主要是高岭石，是一种较为纯净的高岭石泥岩，含有合成沸石所必备的成分Al2O3、SiO2和少量Na2O，经过适当处理，采用合适的工艺条件，可以合成合格的沸石晶体。在形成时代上以石炭纪、二叠纪煤层中的煤矸石合成效果达到最佳。

3.7.3 煤矸石制陶粒

陶粒也称轻骨料，是一种新型墙体材料，具有容量小、强度高、热导率低、耐高温、化学稳定性好的优点。矸石陶粒生产工艺类似粘土陶粒，可单独或其他原料配合，经磨细、配料、搅拌、成球、干燥和焙烧(1100～1300℃)形成表皮坚硬、内部呈微细膨胀气孔的人造轻骨料。要求煤矸石中SiO2含量在55% ～65%之间，Al2O3含量一般低于28%，CaO和MgO含量不得超过6% ～8%，Fe2O3以5% ～10%最佳，有机碳含量2% ～5%为宜。

综上所述，煤矸石用来发电、制砖、填沟造地是技术成熟、应用广泛的综合利用途径，可消耗大量煤矸石，是常规利用方法，有条件时应大量推广。利用煤矸石制空心微珠、矿物纤维、硅铝纤维、氮氧化物耐火材料等高端利用产品，其产品附加值高，市场前景广阔，潜力巨大，应加快工厂生产性实验，这是未来煤矸石综合利用的发展方向。