煤矸石组分特征及资源化利用现状分析

高凌峰

（山西焦煤集团公司屯兰矿，山西 太原 030000）

煤矸石是一种伴随着煤炭形成过程中含碳量较低的黑色岩体，是煤炭经过洗选后产生的一般固体废弃物［1］。我国是产煤大国，随着煤炭开采强度逐年加大，煤矸石产量也在不断增加，但煤矸石利用率极低。以山西省为例，据不完全统计，山西省全年煤炭产量约12亿吨，以10%～15%产矸量计算，每年产矸约1.2～1.5亿吨，大多数煤矸石被作为一般固体废弃物进行了填埋处置，而只有极少部分被有效资源化利用［2］。大多数被作为废弃物处置的煤矸石除了占用了大量土地资源外，还极易造成了土壤、水体以及大气污染等，特别是不合理的填埋矸石，在降雨、淋溶、水力侵蚀、浸泡作用下，使得矸石内部氮氧化物、硫氧化物，特别是有害重金属元素被溶解释放进入了水体，经过水体迁移，转化进入土壤环境，经农作物等吸收，最后转入人体，严重危害身体健康［3］。因此，研究煤矸石成分组成，并将其作为可利用矿物资源进行转化，是践行“绿水青山就是金山银山”发展理念的重要途径。以山西屯兰矿煤矸石为例，分析煤矸石组成特征，探讨煤矸石在国内外资源化利用现状及相关技术，针对山西屯兰矿煤矸石自身独有特点，探索屯兰矿煤矸石可利用价值及资源化利用转化途径，旨在为煤矸石资源化利用提供有效的科学依据。

1 煤矸石的成分及类型

煤矸石主要由矿物质成分石英石、高岭石、伊利石、蒙脱石、Fe2S3、Al2O3以及一些Si、Fe、Ca、Mg、P、Hg、As、Cd等非金属和金属元素组成［4］。其主要成分以Si、Al为主。煤矸石具有较强的吸水特性，煤矸石的吸水性主要是由于煤矸石具有多孔特性和塑性指数决定的，其吸水率为1.2%～4.5%之间，这一性质对于煤矸石资源化有效利用影响很大。煤矸石作为一般固体废弃物，一般分为3种类型，一种是采煤过程中混入煤中的顶底板的岩石；一种是巷道掘进过程中产生的矸石；此外还有煤炭洗选过程中产生的洗选矸［5］。但无论哪个阶段产生的矸石，各元素占比有明显变化，主要组成成分基本不变。以山西屯兰矿煤矸石为例，对该矿煤矸石进行分析化验所得结果如表1所示。

对比分析表1可知，山西屯兰矿煤矸石的关键污染元素浸出液指标，均满足GB/T 14848-93Ⅲ类标准排放标准，同时也满足根据GB 18599-2001规定的一般工业固体废物污染控制排放标准，屯兰矿煤矸石在未进行资源化利用前提下，可鉴定为一般固体废物。屯兰矿煤矸石工业分析和化学成分分析如表2所示。

表1 山西屯兰矿煤矸石浸出液测试分析（mg/L）

表2 山西屯兰矿煤矸石工业及化学成分分析（%）

对山西屯兰矿煤矸石的成分分析结果可知，其工业分析主要成分是灰分占主要比例，其次是挥发分、水分、固定碳，全硫含量相对比较高，为0.62%。化学分析结果显示兰矿煤矸石的烧失量为30.19%，SiO2含量占比56.36%，其次是Al2O3，占 比27.05%，CaO、MgO分 别 占 比2.91%和0.97%。SO3为1.12%，所得结果显示，屯兰矿煤矸石化学成分中硫含量略微偏高，但也满足一般固体废弃物处置标准要求。

2 国内外煤矸石利用现状分析

关于煤矸石的资源化利用既是我国面临的难题，也是一个国际面临的难题。早些年我国发布了《煤矸石综合利用管理办法》，并经过逐步修订，规范引导煤矸石资源合理利用产业的健康发展［6］；之后又发布了《煤矸石综合利用技术政策要点》，阐明了煤矸石用于路基、发电、水泥配料、建筑材料、资源化回填以及无害化的应用导向；2021年发布的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中更是明确对煤矸石的资源化利用指明发展方向。

我国对于煤矸石的研究应用起步较晚，在煤矸石的资源化利用也较少［7］。我国的煤矸石大多数用于填埋、矸石回填、路基铺设、发电和建材等，部分企业在煤炭价格上涨后，利用煤矸石进行发电、而大部分煤矸石则作为一般固体废弃物进行填埋。四川、安徽一带企业利用煤矸石制作煤矸石支架、砌块并成功应用于井下，如图1所示。有相关科研机构利用煤矸石开展净化水体中一些元素离子、有机质等的探索。关于煤矸石处置问题由于受国家环保政策管控，导致煤矸石作为一般固体废弃物不能随意填埋、丢弃，加上土地管理规划部不再轻易批地建矸石场，导致煤炭生产企业处理煤矸石问题迫在眉睫。

图1 煤矸石制备支架、砌块工艺流程

国外对煤矸石的研究应用比国内更先进、技术更超前，煤矸石的利用率较高，但也存在费用高、处理成本高的问题。法国在利用煤矸石领域走在了世界的前列，法国将容易自燃的煤矸石破碎并进行等级划分，添加抗冲蚀、腐蚀、耐高温、防晒黏结剂，并将其制成用于路面边坡、公园场所美化用的材料［8］。法国公路技术研究部发现，煤矸石经过进一步筛选处理后，能做成很好的建筑充填轻骨材料，且这种材料容易分层，易于压实，添加辅助材料后形成的路基延展性较好，路面不易开裂，经久耐用［9］。以美国、英国为代表的西方国家煤矸石综合利用率目前已经突破90%。波兰琴希托霍瓦工业大学采用氮吸附法，对天然和洗选煤矸石进行改性处理，进而研发出了应用于城市废水处理的新型材料，对水体中的有机质以及部分有害离子起到较强的吸附效果［10］。马来亚大学则研究利用燃油、棕榈、粉煤灰、高炉矿渣（BFS）制成黏合材料和环保细骨材料，并在化工领取内取得良好应用效果［11］。日本由于是岛国，矿物资源十分有重大意义［16］。煤矸石属于一般固体废弃物，是可利用资源，在特定环境下才是废弃物［17］。煤矸石的资源化利用从生态环境发展前景及国家战略资源来看，有必要对其资源化利用提供一定资金及政策性支持鼓励。一是扶持我国工矿企业煤矸石处理运行成本问题，提升企业盈利空间。二是采用少量资金补贴促使煤矸石变废为宝，解决我国煤矸石作为一般固体废弃物进行处置的问题，有效解决环境污染、土地侵占问题。此外，在煤矸石资源化限，日本充分利用高岭石含量较高的煤矸石生产耐火材料，制作耐高温、耐腐蚀的矸石砖，如多孔砖及空心砖，其性能如表3所示。

表3 多孔砖及空心砖性能测试

以美国和英国为代表，充分利用煤矸石进行生物复田取得突破性进展，并向全世界进行推广应用。它是将煤矸石与有机肥料按照一定比例混合，在一定温度条件下发酵制备成有机复合肥料用于复田［12］。美国还成功研究了从自燃的煤矸石山中回收矸石热能技术，将矸石山释放的热能加以利用回收［13］。法国对灰分较大的煤矸石进行洗选，回收了其中的可燃物用于发电，从而节约了煤炭。煤矸石具有较强的抗侵蚀、冲刷能力，并且具备良好的透水性，法国经常将煤矸石作为一种用于充填潮湿沟洼、沼泽、塌陷、积水坑的填充材料，法国北部的大多数道路使用煤矸石作为路基材料［14］。此外，国外还充分应用煤矸石提取、陶土材料、保温材料、耐火材料，提取铝盐、二氧化硅、钛白粉材料，同时也有相关技术在煤矸石中回收硫及硫铁矿，但由于成本相对较高目前在实际应用方面受限。

3 屯兰矿煤矸石资源化利用分析

屯兰矿煤矸石资源化利用途径比较广泛。屯兰矿煤矸石中有毒有害物质含量极少、发热量高，主要成分为硅酸盐矿物，与黏土化学成分极为相似，具有颜色发白且耐高温、耐火的特性。屯兰矿煤矸石中二氧化硅和三氧化二铝作为煤矸石的主要成分，含量占据了煤矸石成分80%以上。经提纯搭配高岭土、膨润土、活性白土，可用于制造陶瓷制品。将提纯的二氧化硅用于制造玻璃制品，水玻璃以及玻璃工艺品，也用于制造建材装饰品、美工物件等。屯兰矿煤矸石具有较好的隔温、保温性能，黏合度比较高，并具有较好的抗压能力，抗压范围在400～4 500 MPa，可以用来制砂，也可用于生产硅砂等耐火材料。屯兰矿煤矸石硬度一般在3～4左右，容易加工破碎，破碎后的砂石经过筛选，可用于混凝土轻质骨料、煤矸石砖等建筑材料，也可用于模型制造，搅拌混合黏土成分制成雕刻材料。提纯屯兰矿煤矸石中的三氧化二铝，可用于氧化膜抗氧化、耐高温材料使用。将破碎后的煤矸石与石灰石按照一定比例混合，加入辅助填料，煅烧成半成品熟料，再经过与石膏、铁矿尾砂、高炉矿渣研磨混合可制成高强度硅酸盐水泥。经研究发现屯兰矿煤矸石经过一定程度热处理后，清除掉矸石中有机质以及易挥发性物质，添加氧化镁、氧化铝佐料，制成孔隙率等于或大于25%的多孔砖，具有质地轻盈、抗压抗剪强度高的特点。此外，屯兰矿煤矸石也可进行活化利用，可制备泡沫混凝土、二氧化硅气凝胶材料、纤维制品以及分子筛、煅烧高岭土，用于回填采空区或作为路基材料铺设道路或用于发电等。

资源化利用产生的经济效益价值潜力巨大。屯兰矿煤矸石年产量约200万吨，资源化利用约50万吨，利用率只有25%，但产生的经济效益价值不菲。50万吨的矸石中，约10万吨用于混凝土轻骨材料制备，年产轻骨料约20万立方米，每吨成品轻骨材料价值约150元/立方米,除成本外，盈利价值约500万元；约10万吨矸石用于发电，相较于原煤支出，创造的费用结余200万元；用于制造硅酸盐水泥的矸石约5万吨，制造矸石砖所耗用矸石约5万吨，市场营销价值约300万元。目前屯兰矿煤矸石开展了发电、电解铝产业链，产生的经济效益至少也有500万元。此外，屯兰矿煤矸石约20万吨，大部分用于矿区路基铺设，少部分用于制成矿物砂，用于厂区辅助设施以及掩体耗材所用，所节约的费用成本约500多万元。屯兰矿未利用的矸石经处理运输、填埋所造成的费用成本以及土地修复、整治等耗费的附加费用成本，每年投入费用约1 500万元。综合以上经济效益分析，从正面经济效益和反面处理费用成本及节约费用几个角度分析，煤矸石潜在的经济效益价值巨大，值得更加深度研究开发和利用，为我国煤矸石开展资源转化和创造经济效益价值提供有力保障。

4 结论与建议

综上所述，煤矸石的应用范围实际上非常广泛，在建筑、道路、化工、农业、生物、陶瓷加工、材料合成等领域均有涉猎，但由于目前受诸多技术、方法，主要是资源化成本以及经济利用价值限制，导致煤矸石的资源化利用方面严重受限［15］。煤矸石的资源化利用对于经济的长远发展来讲，具有利用过程中，由于煤矸石因形成过程及地理、地质条件差异导致其成分组成等差别很大，因此，在利用煤矸石前，对煤矸石的理化性质作精细化分析，根据成分进行划分利用，合理开发一条资源一体化工艺路径，竭尽所能将其做到物尽其用。