我国煤矸石的处置利用现状及展望

武彦辉

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉 045000）

2013年我国生产原煤39.7亿吨，2014～2016年均呈下降趋势。2017年全国累计生产原煤34.45亿吨，首次同比增长3.2%。虽然我国在持续优化能源结构，并预计煤炭在能源结构中的占比将从现在的62%左右降至2020年的60%、2030年的50%，到2050年达到最低的40%[1]。然而即使如预期到2050年能源结构中煤炭占比达到40%，而在我国煤炭依然占据主要位置，中国仍然是世界上最大的煤炭生产和消费国。

煤炭在生产和洗选过程中会产生大量煤矸石，其中掘进矸石约占原煤产量的10%，洗选矸石占到15%左右。据统计我国煤矸石现有堆存量在50亿吨以上，每年的排放量在7.5亿吨左右。同时，由于煤矸石中含有碳质泥岩、硫铁矿等可燃物质，长时间的露天堆存容易导致矸石自燃，进而排放出有害气体，污染周围环境[2]。因此，有效利用和处置煤矸石成为社会关注的重点。

1 煤矸石综合利用途径的产业化进展

煤矸石按照碳的含量可分为四大类[3]：大于20%的为一类，6%至20%的为二类，4%至6%的为三类，小于4%的为四类。一类煤矸石由于含碳量最高，热值更大，常用于发电。其他三类矸石根据其中化学元素的含量决定其用途：含硅多的矸石用于制造陶瓷和建材等；含铝多的矸石用于生产铝系化合物。

1.1 矸石发电

利用煤矸石发电使煤矸石由无序排放变为有序利用，可有效控制和降低SO2、NOx及烟尘等污染物的排放；同时节约了无序堆放而大量占压的土地。我国煤矸石发电的发展主要表现在以下方面。

1.1.1 技术的不断提升

我国20世纪70年代早期建立的煤矸石电厂主要采用沸腾炉，但其燃烧效率不高，烟尘排放量很大，且对锅炉磨损严重，给电厂带来很高的成本压力。沸腾炉的上述缺点严重制约了煤矸石大型发电厂的建设[4]。由于循环流化床锅炉能普遍适应低热值燃料的燃烧要求，有效降低电厂生产成本、减少SO2和粉尘排放，对企业发展和社会环境都是极其有利的。80年代后期我国开始进行循环流化床锅炉的设计开发及投产应用研究。2016年11月15日，内蒙古大路2×300MW坑口煤矸石热电厂通过试运行，该项目是集循环流化床锅炉、直接空冷、热电联产为一体的亚临界机组工程。2015年9月，由晋煤集团与山西国际能源集团共同投资的山西赵庄金光2×660兆瓦煤矸石发电项目在山西长治市开工建设，这是全国首个超超临界低热值煤矸石发电项目，该项目的开工既标志着我国煤矸石发电技术开始走在世界前列，也表明我国电力产业转型到了一个新阶段。

1.1.2 总装机容量大幅度提高

2004年底，全国煤矸石等低热值燃料电厂有230座，总装机容量200万kW，年发电量约120亿kW·h。而2017年仅山西华昱能源有限公司循环经济园区内的4座矸石电厂总年发电量就达149亿kW·h，远远超过2004年的年发电总量。2017年全国煤矸石及低热值煤综合发电总装机容量达3600万kW，是2004年的18倍。

1.1.3 可利用更低热值的煤矸石

较早的《煤矸石综合利用管理办法》（国经贸资〔1998〕80号）规定发热量大于7500kJ/kg的煤矸石直接作循环流化床锅炉燃料。而随着我国循环流化床发电技术的发展，入炉燃料的热值可进一步降低，更低热值（＞5040kJ/kg）的煤矸石可用于煤矸石发电。

2016～2017年我国每年生产原煤约35亿吨，含采掘矸和洗选矸约7.5亿吨、煤泥约1.3亿吨、中煤约6.5亿吨。其中有约10亿吨的低热值燃料可用于燃烧发电。煤矸石电厂的利用能力远不能满足每年需要处理的煤矸石量，因此未来还应继续研究更大容量、更高效率的低热值煤燃烧发电技术。另外，随着当前环保形势的不断严峻，通过开发新技术保证烟气各项污染物排放达标，并且最大程度地利用灰渣，是煤矸石发电的必然趋势。

1.2 煤矸石制建材

1.2.1 煤矸石制砖

目前，煤矸石制烧结砖、空心砖等生产技术正日趋成熟。如2008年潞安集团建成的煤矸石制砖生产线，每年可处理约30万吨煤矸石，生产标砖1.3亿块。不断研发新工艺和新装备，开发多用途、多种类的煤矸石砖正逐步成为以后煤矸石制砖产业的发展方向。

1.2.2 煤矸石制水泥

煤矸石中的SiO2、Fe2O3及A12O3含量较高，可作为水泥生料中硅、铝及铁组分的主要来源以代替黏土生产水泥。用煤矸石代替黏土和部分燃料生产普通水泥能提高熟料质量[5]。

1.2.3 煤矸石制轻骨料

煤矸石中含有碳酸钙和硫铁矿及多种金属氧化物，在高温下会产生气体膨胀物料，形成孔隙状的轻骨料。目前，用回转窑烧制的煤矸石陶粒具有低密度、高强度、高软化系数、良好抗冻性等优点，可代替砂石制作各种建筑预制件[6]。除此之外，陶粒还可应用于食品、能源等其他领域，随着技术的不断发展，范围还将继续拓展。

1.3 煤矸石的高附加值利用

目前，煤矸石高附加值利用已开始成为煤矸石综合利用的重要途径。2018年1月29日，一项关于煤矸石高附加值利用的项目在内蒙古乌海市正式签约。该项目采用超高温熔融还原气化技术，预计年消耗80万吨煤矸石，一年可生产25万吨岩棉拉丝纤维和40万吨改性醇。甲醇又可以通过各种手段转化成化学产品，大幅度提高了煤矸石的产品附加值。

2 煤矸石山生态复垦

我国的煤矸石利用技术已走在世界前列，但是煤矸石综合利用率仍然很低，不足30%，剩余70%以上的煤矸石堆存在地面，形成了矸石山。目前全国历年累计堆放的煤矸石约50亿吨，规模较大的矸石山已超过1900座，占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.5亿～2.0亿吨的速度增加[7]。

大量的煤矸石堆积占地又污染环境。1）煤矸石中所含黄铁矿易被氧化放出热量，在矸石山内部形成一个高温高压的环境，轻则导致煤矸石自燃，排放有害气体，污染大气和造成土壤酸化，重则产生爆炸，引起崩塌、滑坡，形成连锁灾害；2）矸石在运输、堆放过程中产生大量粉尘，危害人体健康，极少数矿井的矸石甚至可能有放射性污染。

综合国内外研究现状，矸石山绿化是治理矸石山环境污染的有效途径，也是矿区可持续发展的重要保障。矸石山绿化治理主要分三部分进行：1）矸石充填；2）分层碾压；3）覆土绿化。

国内某集团通过对矸石的排放高度、坡度和覆土厚度进行了反复实践和摸索，最终总结出一条治理经验。将矸石分层碾压，排放至3.5m后间隔黄土0.5m，每8m设置一个马道，由马道把坡面分成阶梯式，且坡面坡度小于1 ∶ 1.75，可大大降低矸山自燃的几率。陈胜华等[8]在此基础上研究了该集团大垴梁煤矸石山覆土层不同碾压条件下的压实效果，结果表明覆土厚度20～40cm，4吨的碾磙平碾碾压3～5遍时，土壤含水量接近最优含水率，碾压效果最好。

矸石山的绿化应结合当地地理位置、气候等自然条件，优先选择耐干旱、耐贫瘠、萌发力强、成活率高、生长快的优良品种。一般来讲，固氮树种能适应严酷的土地条件，特别是刺槐等豆科植物，既能避免水土流失，还能改良土壤，保证人工生态植被的完整性。

目前，国内外在煤矸石山绿化方面尚未开展实验，寻求最优的绿化模式，基本采取各自的、统一的绿化模式，缺乏针对性。为此，研究比对不同绿化方式、绿化种类、绿化密度、养护方法等的绿化效果，既能达到快速绿化的目的，又能节约成本。

3 展望

尽管我国在煤矸石的综合利用方面取得了不错的成果，但其利用量远远不及产生量，利用率不足30%，绝大多数煤矸石仍以填埋，堆积的方式进行处置，自燃现象时有发生。而且在利用过程中存在成本较高，产品缺乏市场竞争力等问题，因此在未来的发展中应做到：1）不断完善工艺和设备，提高煤矸石的利用量，降低生产成本，尤其是煤矸石的高附加值利用技术应作为重点研究内容；2）寻求新型注浆灭火剂和绿化技术，加大矸石山生态恢复治理技术研究。