平顶山地区煤矸石资源化利用途径探索

董建勋，苏孝杰

(1.河南平煤神马环保节能有限公司；2.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室；3.平顶山工业尾废综合利用工程技术研究中心，河南 平顶山 467000)

煤矸石是目前我国排放量最大的工矿业固体废弃物之一，主要来自煤炭采选过程，是煤炭资源开发和洗选加工过程中的副产物，煤矸石综合排放量占原煤产量的15%～20%。目前，我国已累计堆存51 亿t煤矸石，每年新产生煤矸石量6 亿t以上，占用了大量的土地。煤矸石长期暴露于空气中易受风化而发生自燃，产生大量的CO、SO2和H2S等有毒气体污染空气。另外，煤矸石露天堆放，经降雨沐浴后，对土壤、水环境产生非常大的危害。尽管煤矸石资源化利用的相关研究开展很久[1-6]，但由于历史存量比较大，煤矸石的利用依旧困扰着全国大多数煤矿相关企业。2019年，平顶山市煤矸石新增产量为1 640 万t，累计库存量6 500 万t，主要来源于平顶山地区各煤炭开采和洗选企业，综合利用量920 万t，综合利用率为56.1%。2020年8月26日，《平顶山市煤矸石管理办法(试行)》颁布实施；2020年9月1日，新修订的固废法正式实施。随着国家环保治理逐步深入，平顶山地区开展煤矸石的资源化利用已是大势所趋。

1 平顶山地区煤矸石基本情况

煤矸石以常量元素为主，兼含多种微量元素，各种松散伴生元素含量极低，属痕量元素，成分相当复杂，构成煤矸石的元素达十多种，一般以SiO2、Al2O3为主要成分，另外含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O 等无机物，以及微量的稀有元素(钛、钒、钴等) 。煤矸石的组成比较复杂且成分极不稳定，不同地区的煤矸石成分也不相同，主要是由碳质页岩、碳质砂页岩、砂质页岩、泥质页岩等岩石和粘土组成的混合物[7-9]。根据矿物成分的不同，一般可以将煤矸石分为粘土类、砂岩类、碳酸盐类和铝质岩类，平顶山地区的煤矸石以粘土类为主。对平顶山地区的煤矸石进行采样分析，结果见表1和表2。

表1 平顶山地区矸石主要化学组分

表2 平顶山地区煤矸石中的岩石类型及占比 %

2 煤矸石利用途径

煤矸石是与煤伴生的灰分高、发热量低的碳质岩，是无机质和少量有机质组成的混合物。发热量是煤矸石最重要的质量指标，是煤矸石作为能源的使用价值高低的体现，灰熔点、活性和可塑性也是煤矸石的重要指标之一，煤矸石的物理和化学性能是影响矸石活性、决定其利用技术途径的重要指标。开展煤矸石综合利用时，应根据煤矸石的物理化学性能及技术要求，探索合理的资源化利用方案[10-12]。煤矸石的常规利用方式见表3。

表3 煤矸石的利用方式

3 平顶山地区的煤矸石利用途径

3.1 路基材料

平顶山地区的煤矸石利用都是将其破碎后进行制砖块，但是仅适用部分煤矸石，对CaO含量要求比较高，大部分煤矸石无法得到有效处置利用。针对该现象，探索研究了平顶山地区煤矸石高效、高值、规模利用的方式方法。现阶段平顶山地区公路资源的紧缺，将煤矸石作为无机结合料的稳定材料在道路底基层、基层应用，以提高煤矸石利用效益。平顶山地区煤矸石用于道路底基层、基层的技术指标见表4。

表4 煤矸石用于道路底基层、基层的技术指标 %

按照技术指标对平顶山地区的煤矸石进行测定，平顶山地区的大部分煤矸石可用于道路的底基层、基层，剩余不符合技术标准的煤矸石用于制砖厂，能够显著提升煤矸石的综合利用价值，真正实现煤矸石高效化、高值化、规模化利用。煤矸石利用途径如图1所示。

图1 煤矸石利用途径

煤矸石与传统砾石、碎石等材料相比，存在强度低的问题，不能采用常用的骨架密实型结构。重点是利用无机结合料的火山灰反应产生的胶凝剂充分包裹煤矸石，道路荷载主要由无机结合料承受，煤矸石起次要作用。

利用破碎机将煤矸石进行破碎，控制最大粒径在90 mm以下；随后，将破碎后的煤矸石集料进行初步控制后与电石渣及粉煤灰结合料拌和、摊铺、碾压，为了防止碾压工作时对煤矸石的破碎、需在钢轮压路机外包裹一层橡胶传送带)，形成道路的底基层。也可以将电石渣、粉煤灰按照设计配合比进行初步拌和；随后，将煤矸石原材料摊铺在道路上，电石渣、粉煤灰混合料摊铺在煤矸石原材料上；最后利用冷再生机对材料进行收集、破碎、拌和、摊铺，利用钢轮压路机进行碾压。

3.2 煤矸石制砖

对于平顶山地区，煤矸石制砖目前有2种选择：一种是混凝土空心砌块，另一种是烧结煤矸石砖。混凝土空心砌块的主要缺点：① 隔热保温性能差，它的热阻值仅为烧结实心砖的0.7～0.9，为烧结空心砖的0.5～0.6，隔声性能也不理想；② 抗渗水性能差，凡用其砌筑外墙，下雨时，浸湿的外墙面极易将水分渗至内墙面；③墙体易裂缝，混凝土空心砌块的砌体抗剪强度仅为烧结砖的50%～55%，由于热胀冷缩、湿胀干缩等产生的应力，极易使墙体产生裂缝。因而，用煤矸石生产的烧结实心砖，克服了混凝土空心砖的以上缺点，是混凝土空心砖的较好替代产品。

研究表明，用生产页岩砖和粘土砖的设备完全可以进行煤矸石砖的生产，在煤矸石的物理化学性能指标符合要求的情况下，可以进行全煤矸石砖的生产(不掺加其它原料)，焙烧不用燃料(即靠煤矸石自身发热量焙烧)。粘土实心砖的生产和使用在我国有着悠久的历史，目前从我国墙体材料总量看，近80%仍为粘土实心砖，每年产量约8 000亿块。从消耗土地看，一年耗土约2.32×105hm2(实心砖质量按2.5 kg/块，粘土密度以2.3 t/m3计，8000×108×0.8×2.5×10-3×10-3/(3×2.3))(按平均挖深3 m计算)，破坏耕地仍很严重。从消耗能源看，现在国内烧砖的能耗每万块约为1.4 t标煤，6 000亿块标砖就耗能8 400 万t标煤。因此，从保护土地、节约能源的角度出发，煤矸石砖代替黏土砖是今后一段时期内主要的利用途径之一。

3.3 煤矸石制骨料

对于CaO含量大于5%、硫含量小于1%、烧失量小于8%的煤矸石，可以考虑生产骨料。

煤矸石输送至煤矸石处置站后，通过输送胶带机输送至破碎机原料仓口，原料仓中原料通过棒条筛分给料机的筛分和给料作用，经过多次破碎、筛分后，各类成品骨料输送至相应的成品储料仓筒仓，通过汽车外运。生产工艺如图2所示。

图2 煤矸石生产骨料工艺流程

3.4 发泡陶瓷保温板

发泡陶瓷是一种气孔率为70%～90%、体积密度150～800 kg/m3、拥有三维空间网架结构的多孔陶瓷体，具有密度小、气孔率较高、比表面积大、低热传导率、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于隔热隔音材料、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学领域。发泡陶瓷隔墙板具备防火保温、隔热隔音、抗冻抗渗、轻质高强等综合特性，可广泛应用于建筑保温材料、室内隔墙、隔音屏障、工业防腐内衬等领域。由于发泡陶瓷的多孔结构，还可以利用发泡陶瓷的孔道阻尼作用作为吸声材料广泛应用于多墙面材料，尤其应用于地铁、影院、博物馆等防火要求较高的场所。

发泡陶瓷生产工艺流程如图3所示。将陶瓷玻璃废渣、煤矸石、粉煤灰和各类矿山尾料以及发泡剂、助熔剂粉碎处理后，入厂均化，测水分，按配方称量，经过球磨、喷雾制粉、存储、布料、烧成、切割、加工等工序，最后包装入库。

图3 煤矸石制备发泡陶瓷工艺流程

4 结 语

(1)结合上述分析结果和国家的发展方向，平顶山地区的煤矸石作为烧结砖原料、发泡陶瓷和路基材料是今后主要的利用方向。由于各个矿区煤矸石的组分都有差别，开展具体利用之前需要针对性地进行全面分析。

(2)以煤炭生产开发为基础。结合平顶山地区发展规划与资源综合利用规划，按照煤炭生产开发规模，测算煤炭生产和洗选过程中产生的煤矸石以及电厂排放的灰渣等资源量，以市场为导向，经技术经济分析和方案对比，提出资源综合利用方案。

(3)以发展矿区循环经济为目标。因地制宜，统筹煤炭资源开发、综合利用和生态环境建设，实现煤炭开采、洗选加工、煤矸石和粉煤灰建材等产业的协调发展，合理延伸和优化产业链，保护和恢复矿区生态环境，促进矿区经济社会协调发展。坚持固体废物污染控制的“资源化、无害化、减量化”三原则，对煤矸石的环境污染实施全过程控制，积极发展并最终实现资源化。

(4)与产业升级相结合。贯彻落实国家关于资源综合开发利用和墙体材料改革的产业政策，突出产业升级和企业技术进步。综合利用建材项目，要采用先进技术和工艺设备，实现合理规模经营。各类综合利用项目要做到清洁生产，不得形成二次污染。统筹安排矿区环境治理与资源综合利用，煤炭和洗选加工中产生的固体、液体和气体排弃物要尽快做到同步治理，同时要逐步解决历史上形成的环境问题。