煤矸石成分研究及其再利用技术的应用

滕 杰

（山西清源环境咨询有限公司，山西 太原 030012）

煤矸石是煤炭开采过程中较为常见的废弃物之一，其成分相对复杂，且含有较为丰富的元素，如果将其直接抛弃，会占用大量的土地资源，不仅会对自然环境造成破坏，还会给人们正常的生活造成不利影响。在这种情况下，对煤矸石进行研究和分析，找出煤矸石在其他行业当中的再利用价值是十分必要的。

1 煤矸石的概念

1.1 煤矸石的种类

当前，我国煤矸石主要包括三个类型。首先是白矸石，这种煤矸石多为露天煤矿开采后从巷道中采出的废弃物。白矸石当中的煤炭含量很少，而杂质成分较多，因此很难进行提炼。但白矸石中所含其他物质成分较多，因此对其进行持续开发的相关方法和技术较多[1]。例如在高岭地区的单矿当中，可以对白矸石进行提炼并硫化后，将材料应用到陶瓷品的生产中。此外，在白矸石中还含有大量的伴生铝矾成分，可以在火砖或者保温砖等产品中进行应用。其次是选矸石。选矸石是在煤矿开采过程中经挑选后的煤矸石，在挑选过程中，根据煤矸石所含的成分以及含煤炭量的多少进行分类，可有针对性地对其进行使用[2]。例如，一些含煤炭量较高的煤矸石可以在工业当中充作炉燃料。而对于一些含煤炭量较低的煤矸石，可以用于道路施工或者露天煤矿回填。最后是煤矸石燃烧后，经过挑选处理所得的材料。这种材料通常用于化工生产中，例如含有三氯化铝的结晶体等，可以在化工产品中进行应用。

1.2 煤矸石的主要成分

煤矸石所含成分相对复杂，在不同地区受到不同水文条件以及地质条件的影响，煤矸石的成分也会有很大的差异。此外，煤矿开采技术工艺的不同也会对开采出的煤矸石产生影响，导致其化学成分有所差别。根据实验研究发现：煤矸石中的主要成分是碳，此外存在较多的成分还有Al2O3、SiO2、CaO、K2O等。在本文中对陕西黄陵一号矿区煤矸石进行实验研究，并对其主要化学成分进行分析，发现煤矸石的化学成分如表1所示。

表1 煤矸石的化学成分 %

2 煤矸石的污染现状

煤矸石是煤炭开采过程中出现的固体废弃物，煤矸石当中含有的化学成分相对复杂，直接排放会对生态环境造成不同程度的污染。

2.1 大气污染

煤矸石产生后，如果处理不当，会产生一氧化碳、二氧化硫等物质，对大气环境造成污染。随着当前煤矿行业规模的不断扩大，煤矸石的数量也在不断的增加，煤矸石的长时间累计会产生大量的有害气体，甚至会导致煤矸石出现自燃的情况[3]。而在自燃的过程中，还会形成其他有害气体，如二氧化硫等，一旦这些有害气体被人吸入身体后，会使人体产生呼吸系统的疾病和慢性病，对人类的身体健康造成严重影响。

2.2 水质污染

煤矸石中含有大量的硫化物，与水接触后会发生化学反应，形成其他盐类的混合液体，而这种溶液在和其他化学成分相遇后，还会继续进行化学反应再产生新的物质，从而对水质产生严重影响[4]。此外，煤矸石当中还存在数量较多的重金属，如果煤矸石存储不当，会随着降水进入到地下水中，对水体造成污染，甚至会对周围的居民产生严重影响。

2.3 占用土地资源

随着我国煤炭开采行业的不断发展，煤矸石产量也在不断增加，而这些煤矸石在开采出来后，需要占用大量的土地资源进行存放。此外，煤矸石的长时间存储也很容易发生自燃现象，进而产生很多有毒有害的物质。一方面会导致农作物产量的减少，另一方面也会对人类的身体造成严重的伤害。

3 煤矸石的再利用技术

本文以黄陵一号矿区的煤矸石利用为例，黄陵一号矿区位于陕北黄土高原，占地约103 hm2。在进行煤矸石利用前，当地堆放大量的煤矸石对该地区植被造成严重破坏，通过对煤矸石进行再利用，有效解决了当地煤矸石的污染问题。

3.1 在燃料当中的再利用

煤矸石当中的含碳量较低，但是该含量依旧可以使燃烧损失量达到10.00%~30.00%，其发热量通常在5.0~12.5 MJ/kg之间。这种程度的发热量可以保证煤矸石在很多行业当中当做燃料使用，例如在炼铁、石灰煅烧等工作中都可以使用煤矸石作为燃料。以陕西黄陵一号矿区为例，该矿区存在大量的煤矸石，结合当地实际情况，矿区采用现代技术对煤矸石进行处理，并应用在炼铁行业当中。实践证明，煤矸石以及焦炭可作为炼铁的原材料。在实际炼制的过程中，煤矸石的使用通常需要进行严格的挑选。煤矸石的大小需要控制在200 mm内[5]。此外，在铸铁过程中对煤矸石的化学成分等也有较高的要求。而煤矸石中存在的石灰石成分较多，在进行炼铁煅烧时，还需要注意做好风眼的疏通措施。在锅炉设备的应用中，需要选择更为细小的煤矸石，通常需要将煤矸石的大小控制在8 mm内，这种要求使得煤矸石的选择和破碎作业工作量增加，且由于石灰石成分较高，在锅炉设备的燃烧过程中能量消耗大，进而导致维修成本增加。但是，煤矸石属于矿产废弃物，从再利用的角度分析，将煤矸石运用于锅炉燃烧当中是一个很好的废物利用的方法，因此可进一步提高资源持续应用的效果[6]。

3.2 在化工产品当中的再利用

煤矸石可以有效应用于很多化工产品的生产当中。在黄陵一号矿区，主要将煤矸石应用在三氯化铝以及水玻璃等材料的生产方面。黄陵一号矿区的煤矸石中铝元素的含量相比铁元素更高，在生产三氯化铝时，通常将其应用在硬化剂以及净水剂等产品的生产中。而水玻璃是煤矸石再利用的重要方向之一，在此生产过程中，煤矸石的再利用技术的特点在于在低压环境下就可以和烧碱进行化学反应，从而生产出水玻璃，有效提高了生产效率，降低了水玻璃的制作成本。此外，煤矸石在经过二次加工后还可以制作白炭黑。

3.3 在水泥生产中的再利用

对黄陵一号矿区煤矸石中的成分进行分析后发现，当地煤矸石当中，二氧化硅以及二氧化铁等物质的含量较高，因此可以将煤矸石应用在水泥的制作当中。煤矸石的成分完全符合用黏土制作普通水泥的需求，对于部分特殊水泥以及无熟料的水泥产品来说，也基本满足制作条件。当前，在我国使用煤矸石作为水泥原材料的技术已相对成熟，其生产技术主要应用于生产普通水泥和特殊水泥两种。

在普通水泥的生产过程中，首先会选择石灰石、铁粉以及煤矸石等物质进行处理加工，形成粉末后混合成为生料；然后通过煅烧获得熟料，即以硅酸三钙为主的材料；再将熟料与石膏混合后磨成粉末制成水泥。而不同类型的煤矸石当中的铝元素含量也有所差异，在制作硅酸盐水泥的过程中，会根据煤矸石所含铝元素的不同对其进行分类。通常分为低铝（w（Al）达到20.00%）、中铝（w（Al）达到30.00%）以及高铝（w（Al）达到40.00%）三种[7]。在生产普通水泥时，主要是使用低铝的煤矸石作为主要原材料，且通常需要定点使用煤矸石来确保水泥当中的铝含量适当，然后通过合适的机械方式保证铝含量的比例。

在特种水泥的生产过程中，水泥的配料要有一定的区别，需要根据水泥的具体要求，选择合适的煤矸石。特种水泥的凝结时间、凝结速度以及膨胀剂使用比例等指标都会根据实际使用的需求而产生差异。对于速凝水泥来说，煤矸石的比例为16.7%，其他材料如石灰石比例为67%、石膏比例为3.5%。这种水泥的凝固速度快、防水性能好，在地下工程当中具有广泛的应用前景，可应用于地下隧道、铁道等项目中。

此外，煤矸石还可以应用于无熟料的生产当中。这种水泥在使用后的强度通常可以达到20~40 MPa，可以在很多板材生产当中予以应用。

4 结语

当前我国的经济发展不断加快，很多行业和领域的生产建设也在逐步扩大规模，与此同时，经济和建设对环境带来的影响和破坏日益严重。因此，对于煤矸石材料进行废弃物再利用是当前煤矿行业发展的重要内容之一。通过对煤矸石的再利用，能够有效实现煤炭行业的产业结构优化，提高煤炭行业的经济效益，使企业有更好的发展前景。此外，还需要煤炭行业对煤矸石进行进一步的研究和探索，以提高煤矸石在其他领域当中的利用价值。