煤矸石资源化利用途径分析

李 远

（贵州省煤炭产品质量监督检验院，贵州 六盘水 553001）

煤炭是我国实现能源安全的主力军，2022 年全国煤炭总产量达到36.45 亿t，约占我国能源消费总量的60%，煤炭在我国能源产业结构中的主导地位短期内无法改变。但是，由于早期传统粗放型开采、企业开采设备升级滞后、煤层结构逐渐复杂化、煤炭生产基数大等因素，煤矸石作为煤炭开采、洗选产生的工业固废，堆存量大，持续逐年递增[1-3]。随着国家煤炭资源精细化高值化利用要求的提出，环境束缚力度增大，煤炭行业陆续开始执行以废定产，煤矸石已经成为煤炭行业的最大痛点、煤炭经济的最大污点。

1 煤矸石带来的问题

目前，煤矸石的主要处理方式是填埋和堆存，引发一系列问题[4-7]。一是占用大量土地。煤矸石产生的基数大，大量堆存占用土地资源，破坏植被。二是造成环境污染。煤矸石含有硫、碳、氮等元素，在雨水侵蚀的暴露环境中，易形成一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等气体。此外，煤矸石还赋存重金属等有毒有害成分，经扩散、风化和浸透对空气、土壤、地下水造成严重污染，危害生态环境。三是存在安全隐患。堆场面积大，受粒度特性影响，煤矸石易氧化而自燃，在暴雨天气下容易造成塌方、泥石流等灾害。四是资源浪费。夹矸富集铝、铁、铜等伴生矿物，洗矸中伴生资源占比更突出，单一的填埋和堆放造成资源综合利用不足而浪费。

2 煤矸石的化学性质

明确煤矸石的化学性质可以为选择资源化利用途径提供技术依据[8-9]。凸山田煤矿位于贵州省六盘水市六枝特区，采集煤矸石试样，使用电感耦合等离子体发射光谱仪、自动碳氢仪、自动测硫仪、自动量热仪和全自动工业分析仪等设备，开展检测分析，结果如表1、表2 所示。

表1 煤矸石的化学成分

表2 煤矸石质量检测结果

夹矸经过重介跳汰洗选后，灰分降低，发热量增加，铝、铁含量增大，此外，钛、镁、钙等含量较高。对该矿煤矸石进行X 射线衍射分析，明确其赋存状态，经检测，石英含量最高，其次为高岭土、滑石，另外还有硫铁矿、铝土矿、炭质等。煤矸石具有资源、能源、污染、经济等多重属性，因此应结合化学性质、工艺成本和利用价值，选择合理的资源化利用途径，实现效益最大化。

3 资源化利用途径

煤矸石资源化利用主要有两种途径，即大宗利用和梯级利用（高值），如图1 所示。煤矸石产生量大，目前，其资源化利用以大宗利用为主。

图1 煤矸石资源化利用途径

3.1 大宗利用

煤矸石大宗利用的主要途径有3 种。一是掺烧发电。煤矸石具有煤质属性，含有一定的有机质，可洗选提质后直接燃烧或与煤炭掺烧，热量用于发电、供暖，也可与生物质耦合制成新型燃料，达到以废治废的目的。二是建材原料。经过洗选脱硫，去除汞、砷、氰化物等有毒有害物质后，可作为建材原料，用于铺路、制砖、制水泥等。三是回填复垦。煤炭行业可推广“煤矸石井下充填+地面回填”模式，改善生态环境，打造绿色矿山。

3.2 梯级利用

煤矸石大宗利用具有成本低、处理量大的特点，但针对特殊需求和煤质，应分质分级处理，每个阶段都有其不同的利用途径。根据《煤矸石利用技术导则》（GB/T 29163—2012），对煤矸石进行梯级利用。

3.2.1 根据发热量

当发热量为6 279 ～8 372 kJ/kg 时，煤矸石可洗选加工成型煤用于发电，燃烧后残留的粉煤灰、炉渣粉、气化炉渣和脱硫石膏可进一步加工成建筑材料；当发热量为2 093 kJ/kg 左右时，可增添助剂，制成煤矸石烧结砖；当发热量小于837 kJ/kg 时，可研磨成超细粉体，作为水泥、陶瓷等建材的骨料。

3.2.2 根据硫分含量

根据《煤矸石分类》（GB/T 29162—2012），若全硫含量大于3%，则它属于中高硫、高硫煤矸石。煤矸石中的硫主要以黄铁矿形式存在，结合铁矿工业利用评价参考指标，若铁品位大于25%，则具有回收利用价值。经洗选跳汰选出硫铁矿，作为工业硫磺、硫酸等的化工原料。

3.2.3 根据灰渣成分

煤矸石含有硅铝化合物，是一种具有火山灰活性的物质。通过煅烧、研磨，添加助剂，可制备烧结砖、陶粒、吸附材料、阻燃材料等新型材料。其中，高岭石岩类煤矸石经脱除降低铁含量后，可制备高岭土粉，用于涂料生产、造纸、填料生产等。黏土岩类煤矸石可代替黏土制烧结砖、耐火材料、硅酸盐水泥等，低铝高硅砂岩类煤矸石可制备高硅玻璃、白炭黑等。不同煅烧温度、颗粒粒径也直接影响火山灰活性，因此在加工过程中应严格控制工艺流程。另外，煤矸石含有稀有元素（锗、镓、钒、铀等），视含量决定其提取价值，并优化提取工艺，降低生产成本。

3.2.4 根据土壤环境质量指标

煤矸石作为煤炭的伴生矿物，含有丰富的腐殖酸和多种植物生长所需的微量元素。可添加微生物活化菌剂，对煤矸石进行分解、活化、钝化等处理，使煤矸石中有毒有害元素固化，土壤营养元素有效释放，被植物吸收。同时，控制煤矸石的粒径组成比例，满足人工土壤的保水性和透气性要求，根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），制备适宜植物生长的高品质人工土壤。

4 结论

煤矸石资源化利用行业缺乏专项规划和长远设计，企业对持续管理的重视度不够，第三方存在不合规处置，产业发展还不尽如人意。因此，要因地制宜，综合施策，有效推进煤矸石资源化利用。一是加强技术支撑。建立新兴交叉领域人才培养机制，拓展人才引进方式，培养煤炭行业所需的复合型专业人才。二是加强政策扶持。加大对煤炭行业转型升级的政策扶持力度，通过重点项目、示范工程等的专项资金，促进开采、洗选、研发技术升级改造，从源头上、加工过程中、利用上减少煤矸石产生和存量。三是加强协同联动。建立产学研销联动机制，完善综合利用产品标准，强化煤矸石技术标准引领，加大煤矸石产品宣传、性能比武，从根本上消除消费市场对煤矸石综合利用产品安全性的疑虑，提高其市场认可度。