水城矿区煤矸石综合利用的初步调研分析

2020-07-17罗元富

煤炭加工与综合利用 2020年6期

罗元富

(水城矿业股份公司大湾煤矿选煤厂，贵州六盘水 553000)

煤矸石是在煤矿建设、开采和煤炭洗选加工过程中所产生的固体废弃物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的岩石，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，其主要成分是Al2O3和SiO2，还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、k2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴等)。水城矿区大湾片区地质结构复杂、煤层薄、断层多、煤质差，煤矸石产量占矿井原煤产量的30%～45%。为开展煤矸石综合利用，大湾煤矿选煤厂自2014年开始对四川、重庆、贵州及周边地区煤矸石综合利用情况进行了实地考察和调研分析。

1 煤矸石的危害

1.1 占用大量土地资源并消耗大量堆存费用

以大湾煤矿选煤厂为例，自建厂以来，已经存放煤矸石约1 000万t，占用土地463亩。根据当前矸石堆场征地、堆场安全及环保工程建设、矸石运输及推矸等各项费用，折算的每吨矸石堆放成本为11.67元。

1.2 长期露天堆放会造成环境和安全危害

煤矸石渗滤液中的有害元素会破坏周边水质；煤矸石自燃会排放出SO2、CO、CO2等有毒气体，风化后会产生大量粉尘，对周边生态环境产生较大影响；并存在滑坡、溃坝、下沉等地质灾害和安全隐患。矸石堆场比照尾矿库进行安全管理，需执行安全和环保的“三同时”建设规定。

2 煤矸石综合利用现状

2.1 煤矸石的利用价值

煤矸石综合利用途径较多，但受到煤矸石自身特性、技术条件和外部因素的限制，实际具有经济价值的可实施项目并不多。通常根据煤矸石的类别及性质特征进行综合利用。

2.1.1 根据煤矸石岩性特征利用

煤矸石可分成高岭土泥岩(氧化铝大于60%)、伊利石泥岩(伊利石大于52%，是富钾高铝的矿石)、砂质泥岩(以氧化硅为主)、砂岩、石灰石。高岭土泥岩、伊利石泥岩可用于生产烧结料、砖、陶瓷等；砂质泥岩、砂岩可用于生产碎石、混凝土密实骨料；石灰石可用于生产石灰、胶凝材料等。

2.1.2 根据煤矸石铝硅比含量利用

当铝硅比大于0.5时，可制作高级陶瓷、分子筛材料。

2.1.3 根据煤矸石碳含量利用

(1)煤矸石发热量在2.09 MJ/kg以下时，可作为水泥混合材料、混凝土骨料和其他建材配料，或用于井下回填；

(2)发热量在2.09～6.27 MJ/kg的煤矸石，可直接用于生产水泥、制砖；

(3)发热量在5.02～12.56 MJ/kg的煤矸石，一般作为燃料用于电厂发电。

2.1.4 根据煤矸石化学成分利用

(1)当煤矸石全硫大于6%时，可用于回收硫精矿；

(2)煤矸石特别是已自燃或发电的灰渣，SiO2、Al2O3含量较高，可以用于提取和制备氧化铝、硅胶、白炭黑、肥料、无机纸浆、4A分子筛材料等。

2.2 当前煤矸石主要利用方法

2.2.1 煤矸石发电

利用煤矸石具有的热值。当煤矸石收到基低位发热量大于5.02 MJ/kg时，可混合煤泥和中热值煤作为低热值电厂燃料进行发电。鹤壁矿业集团2×135 MW发电机组，采用先进的超临界发电技术和除灰脱硫技术，年消耗煤矸石、煤泥和原煤112万t。

2.2.2 煤矸石制水泥

利用煤矸石中SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分及炉渣的活性。SiO2、Al2O3、Fe2O3三种成分总含量大于70%的煤矸石，可直接作普通水泥原料；一般采用自燃过的煤矸石、前期煅烧过的矸石或矸石电厂的炉渣和粉煤灰作为水泥原料。重庆市南桐特种水泥有限责任公司建有一座220万t/a的水泥生产线，用煤矸石、矸石电厂的炉渣和粉煤灰等作为水泥厂的原料代替石灰石，煤矸石掺合比例达到70%，年消耗煤矸石等“三废”约180万t。

2.2.3 煤矸石制砖

利用煤矸石具有一定的热值和容易发生自燃的特性。当煤矸石中SiO2含量为55%～70%、Al2O3为15%～25%、Fe2O3为2%～8%、CaO小于2%、MgO小于3%、SO2小于1%时，可塑性在7～15，放射性符合标准时，可全部或部分代替粘土用于生产烧结砖、空心砖、墙面砖、地面砖等。贵州六盘水市煤矸石砖厂超过100家，年生产能力8.5亿块，其中，贵州水矿集团建有年产3 000万块标砖的矸石砖厂。

2.2.4 煤矸石制轻骨料(陶粒)

轻骨料(陶粒)是为减少混凝土密度而生产的一种多孔骨料，用于建造大跨度桥梁和高层建筑。可利用回转窑烧制煤矸石，生产陶粒轻骨料，或者用煤矸石电厂的粉煤灰生产陶粒轻骨料系列产品。鹤壁矿业集团建有20万m3/a的粉煤灰混凝土砌块生产线和10万m3/a的粉煤灰陶粒生产线，年消耗炉渣和粉煤灰20万t；鸡西矿业集团建有陶粒和陶粒粉厂。

2.2.5 煤矸石制陶瓷

煤矸石主要由粘土矿物组成，其化学成分与一般瓷土近似，工艺性能在一定条件下可以满足陶瓷生产的要求。内蒙古精诚高压绝缘子公司已成功开发用煤矸石生产高压绝缘子。

2.2.6 煤矸石制化工产品

煤矸石主要成是SiO2、Al2O3等，特别是自燃或燃烧后的煤矸石炉渣和粉煤灰所含的硅、铝、铁等氧化物比例极高，且有害元素很低，对其再利用的经济和社会效益较好。主要利用途径如下。

(1)煤矸石提取氧化铝。从煤矸石中提取氧化铝的主要工艺：矸石→破碎→煅烧活化→酸/碱溶→固液分离→滤液除杂→三氧化二铝及氢氧化铝。2014年，山西柳林县煤矸石综合利用示范园区煤矸石提取氧化铝工业试验取得成功；2015年，贵州盘州市紫森源集团与昆明理工大学合作的“年处理5 000 t煤矸石综合利用中试生产线”试验取得成功，铝回收率可达92%。

(2)煤矸石提取白炭黑。白炭黑是以SiO2为主要成分的白色无定形微细粉状物，用作油漆涂料填充剂、橡胶补强剂等。煤矸石中SiO2含量达40%～60%时可用于提取白炭黑。山东科技大学已经成功研发利用煤矸石制取白炭黑和氧化铝技术，对煤矸石分解率高，无废气、废水、废渣。

(3)煤矸石提取硫铁矿。当煤矸石中全硫含量达6%时，可使用平板摇床等工艺技术提取硫精矿，用于化工厂制造硫酸。南桐矿业集团针对煤矸石中硫含量高的特性，在提取硫精矿后再将煤矸石供给电厂作燃料。

(4)煤矸石生产肥料。当煤矸石中腐植酸含量在30%以上，钙、镁离子含子在2%以下时，可用于生产腐植酸肥料；另外，可利用煤矸石中含有植物所需的硅、钾、硫、钙、镁、铁、铜、锌、锰等元素及有机质，生产复合微生物肥料。从事该项研究的单位主要有北京林业大学、贵州大学、郑州大学等，目前国内已有的煤矸石生产复合微生物肥料的企业规模较小，一般在1～2万t/a，消耗煤矸石0.3～0.6万t/a。

(5)煤矸石造纸。将煤矸石在高温炉内融化，再用高速离心专用设备将1 600 ℃的煤矸石熔体直接制成超细无机纤维，可替代植物纤维用于造纸，且可以自然降解。鹤壁洁联新材料科技公司研发了“煤矸石制取无机纤维及产业化成套工艺技术”，已于2012年取得成功。

(6)煤矸石制4A分子筛材料。4A分子筛是一种人工合成、有微孔型立方晶格的碱金属硅酸铝盐。生产工艺主要是粉碎、焙烧、晶化。4A分子筛材料是深度开发煤矸石中硅铝类矿物质的优化方法。中国铝业山东分公司已成功开发。

2.2.7 煤矸石井下充填

井下充填是以煤矸石为主要充填材料，利用煤矸石置换煤炭，其优点是在回收“三下”煤炭资源的同时，减少了煤矸石出井占用土地资源和环境污染，减少了煤矿开采后的沉陷危害。近几年来，根据煤矿充填技术的发展方向，中国矿业大学、冀中能源、开滦集团等科研院所和矿山企业，先后开发了采空区高效机械化矸石充填采煤技术、井下黄土充填长壁综合机械化采煤技术、安全高效高回收率综合机械化固体充填采煤技术等，并在新汶、霍州、邢台、唐山等矿区取得成功应用，解放了矿区建筑物下所压的大量煤炭资源，同时避免了矸石的大量排放。

2.2.8 煤矸石复垦

将矸石分层碾压后，在表层覆土、植草种树，达到绿色矿山建设和矸石山生态环境恢复目的。利用煤矸石进行土地复垦主要集中在两淮、西北地区。

2.3 煤矸石综合利用中存在的问题

(1)除煤矸石发电、制水泥、制砖和井下充填技术对煤矸石用量较大外，其他的技术对煤矸石消耗量小。

(2)各种开发利用技术的投资和加工成本都较高。

(3)利用后的附加值或增值较低。

(4)很多技术属于研发和试产，还未形成规模。

(5)除井下充填、土地复垦、生产建材外，其他多数利用途径需进行大气、粉尘及废渣的环保达标处理，环保投入较大。

2.4 水城矿区煤矸石综合利用现状及存在的问题

(1)煤矸石产生量大。水城矿区受限于地质结构和煤层结构，煤层主要为中厚煤层和薄煤层，根据巷道断面和综采三机高度，原煤灰分基本在40%～45%，矸石量大。

(2)煤矸石综合利用率低。水城矿区煤矸石综合利用率总体不到30%，远低于《清洁生产标准煤炭采选行业》(HJ446-2008)规定不小于70%的第三级基本水平。

(3)煤矸石利用途径少。水城矿区的煤矸石利用以生产水泥和制砖为主。矿区地处云贵高原山区，石多土少，用于复垦的土壤较为稀缺，铺路、建筑地基等主要为就近取材的石料；随着选煤技术的发展，煤矸石中含碳量低、热值基本小于2.06 MJ/kg时，不能用作发电燃料，原设计的矸石发电厂现主要以煤泥和原煤为燃料。

(4)综合利用技术落后，推进较慢。煤矸石充填开采、制陶瓷、制化工产品等大多处于科研试验和技术论证阶段，且受限于资金投入，科研进展和生产应用推进较慢。

(5)综合利用企业市场竞争力差。煤矸石制砖是水城矿区主要的利用途径之一，砖块销售市场主要为城镇，但煤矸石均位于较偏僻的山区，矸石砖厂受销售半径和市场制约，运输成本高，在与黏土砖厂、砂石砖厂的市场竞争中处于劣势。

3 煤矸石综合利用政策分析

国家现行与煤矸石利用相关的政策法规主要有国家发改委、环保部等联合发布的《煤矸石综合利用管理办法》(2014年18号令)和《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》(财税【2015】78号)等。

3.1 政策新规

《煤矸石综合利用管理办法》界定了煤矸石综合利用的范围，提出坚持“因地制宜、积极利用”的指导思想，明确了相关优惠政策及管理措施，促进了煤矸石综合利用健康发展。同时明确要求：禁止新建煤矿及选煤厂建设永久性煤矸石堆场，确需建设临时堆场(库)，其占地规模要与煤炭生产和洗选加工能力相匹配，原则上占地规模按不超过3 a储矸量设计，且应有后续综合利用方案。煤矸石临时性堆放场(库)选址、设计、建设及运行管理应当符合《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》、《煤炭工程项目建设用地指标》等相关要求。

3.2 财税优惠政策

煤矸石利用企业可享受《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》(财税[2015]78号)规定的财税政策。

(1)退税70%：生产砖瓦(不含烧结普通砖)、砌块、陶粒防火材料、耐火材料(镁铬砖除外)、保温材料、矿(岩)棉、微晶玻璃、U型玻璃等产品的原料70%以上来自煤矸石；煤矸石生产水泥，42.5级及以上等级水泥的原料20%以上来自煤矸石，其他水泥、水泥熟料的原料40%以上来自煤矸石。

(2)退税50%：生产建筑砂石骨料的原料90%以上来自煤矸石；生产氧化铝、活性硅酸钙的生产原料25%以上来自煤矸石；生产瓷绝缘子的原料中煤矸石所占比重30%以上；煅烧高岭土生产原料中煤矸石所占比重90%以上；电厂燃料60%以上来自煤矸石并符合燃煤发电的相关技术要求。

另外，对符合燃煤发电机组环保电价及环保设施运行管理的煤矸石综合利用发电(含热电联产)企业，可享受环保电价政策。

4 水城矿区煤矸石综合利用途径分析

4.1 煤矸石性质分析

水城矿区以焦煤、1/3焦煤、气煤、肥煤、无烟煤为主，大湾煤矿煤矸石有较强的代表性。分别对大湾煤矿选煤厂3个矸石场区的煤矸石进行了采样与化验分析，检测结果见表1、表2。

根据《煤矸石综合利用技术政策要点》的分类及主要利用途径，该矿选煤厂煤矸石平均灰分80.89%，铝硅比为0.63，含硫小于1.0%(属含硫二类)，发热量约1.33～2.06 MJ/kg(属含碳三类或四类)，属于砂质泥岩(按岩石特征)。

4.2 综合利用途径分析

结合该矿区煤矸石的性质特征和利用条件，对水城矿区煤矸石综合利用方案分析如下。

4.2.1 发电

低热值矸石发电厂要求的煤矸石发热量高于5.02 MJ/kg，该矿煤矸石发热量仅1.53 MJ/kg，不能直接用于发电；若掺配煤泥或中热值煤作为电厂燃料，经济上不可行，且燃料中煤矸石需占60%以上方可享受退税50%的财税政策。因此，该煤矸石不适用于发电。

4.2.2 生产建材

(1)生产水泥。根据煤矸石生产水泥的成分指标要求，对比分析如表3所示。

由表3可见，该矿煤矸石主要指标均满足或接近生产水泥的参考指标要求，因此，从煤矸石组分上具备生产水泥的可行性。

(2)制砖。根据煤矸石制砖的成分指标要求，对比分析如表4所示。

表3 煤矸石生产水泥的参考指标对比

表4 煤矸石制砖的相关指标对比

由表4可见，该矿煤矸石主要指标均不符合煤矸石制砖的要求，不宜直接用于制砖，且该矿区距离市(县)城区约40 km，产品销售运距远、运输成本高，不具备市场竞争力。

4.2.3 生产陶瓷制品

基于该矿煤矸石富硅多铝的组成特点，符合对煤矸石提值及实现高附加值资源化利用的一般要求(高岭石含量大于80%，SiO2含量为30%～50%，Al2O3含量大于25%，铝硅比大于0.64)，可通过外加原料，调控铝、镁含量，采用固相法煅烧合成得到莫来石、堇青石陶瓷粉料，用于制备陶瓷耐火材料及耐磨材料，可以广泛应用于建材、窑炉、冶金、煤矿等领域。

4.2.4 回收有益矿产及制取化工产品

(1)提取硫铁矿、氧化铝、白炭黑等。根据该煤矸石化学成分检查结果，其主要成分含量比例不符合要求，回收硫铁矿、制取铝盐等达不到回收品位。

(2)煤矸石生产肥料。目前，国内利用煤矸石生产肥料主要有生产腐植酸肥料和微生物复合肥料。该矿区为主焦煤，腐植酸含量低，不适宜生产腐植酸肥料；对比北京林业大学采用生物菌剂生产复合微生物肥料的相关数据，该矿煤矸石中硅、铝含量与之较接近，但铁、钙、镁等含量偏高，且氮、磷、钾等元素未进行检测，需对煤矸石做全面检测并与科研单位合作试验，进一步论证该煤矸石作为生产复合微生物肥料原材料的可行性。

4.2.5 井下充填

充填开采技术已较成熟，国内已有较多的应用实例。2018年以来，水矿集团通过赴唐山等地实地考察，并开展“三下”采煤可行性研究分析，水城矿区大湾煤矿满足建筑物下、水体下、铁路及公路下采煤的技术可行性。采用综合机械化矸石充填采煤技术之后，充填采煤工作面可采出煤量为52.6万t/a，采用充填采煤而增加的吨煤成本约77.7元，吨煤利润按100元计算，每年可创经济效益5 260万元，整个充填区域可采出煤炭约518.7万t，经济效益达51 870万元。

4.2.6 矸石山复垦

该矿煤矸石含硫、含碳较低，无自燃现象，具备复垦条件，在有合适土壤来源的情况下，可通过分层碾压、表层覆土、植草种树等，达到绿色矿山建设和矸石山生态环境恢复之目的。