煤矸石综合利用现状分析

煤矸石是在煤矿建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中产生的干基灰分大于50%的岩石，含碳量低、比煤坚硬的黑灰色岩石。煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废物，每年的排放量相当于当年煤炭产量的10%左右。

1.煤矸石的产生

在煤炭开采行业，我国每生产1亿吨煤炭，排放矸石1400万吨左右，在煤炭洗选行业，每洗选1亿吨炼焦煤，排放矸石2000万吨，每洗1亿吨动力煤，排放矸石量1500万吨。近三年新增煤矸石产生量约为6.5亿吨。

我国作为全世界第一的产煤大国，具有大量堆存的煤矸石，能实现其资源化利用，可改善矿区生态环境，以保证现代煤矿企业的绿色可持续发展[1]。

2. 煤矸石相关法律法规

1998年国家经贸委等八部门联合发布《煤矸石综合利用管理办法》，并在2014年进行修订，为引导引导和规范煤矸石综合利用行为，减少其对土地资源占用和环境影响，促进循环经济发展，推进生态文明建设，对其综合管理和鼓励措施做出了详细指导。 1999 的《煤矸石综合利用技术政策要点》，将煤矸石发电、生产建材、回填和无害化处理作为综合利用技术的主攻方向，发展高科技含量、高附加值的煤矸石综合利用技术和产品。 2012年《煤矸石利用技术导则》对煤矸石用于不同领域进行了详细的要求。 2021《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中对煤矸石等大宗固废的综合利用指明了方向。

3. 煤矸石的特性

3.1 物理特性

煤矸石长期堆放，当内部温度达到一定值时会发生自燃，因此常将煤矸石分为原状煤矸石和自燃煤矸石两种。其中，原状煤矸石外观多呈黑色或灰黑色，表面多粘附煤泥和细颗粒煤矸石。自燃煤矸石碳含量较低，孔隙率相对较高，堆积密度在0.9~1.3 g/cm3之间，表层多呈陶红色或陶黄色，内部碳质燃烧不充分会存在黑心[2]。

图1 原状煤矸石(a)和自燃煤矸石(b)[2]

煤矸石的吸水特性对煤矸石综合利用的影响很大。其多孔性决定了煤矸石的吸水特性，吸水率约为2.0-6.0%，塑性指数约为3.0-15。自燃煤矸石的吸水率约为3.0-11.6%，塑性指数约为1.03-0.8。

3.2 化学特性

煤矸石的主要化学组成为Al2O3、SiO2和C，其次是CaO、Fe2O3、MgO等。矿物成分主要以高岭土、水云母、铝土矿、炭质等[3]。煤矸石的成分受地区影响，我国不同地区煤矸石成分差别较大，在此不加赘述。

3.3 煤矸石的危害

煤矸石是伴随着煤炭开采产生的固体废物，除了部分充填和综合利用外，大部分煤矸石长期堆存形成矸石山，占用土地资源。煤矸石对自然环境的危害主要体现在以下几个方面： 1. 煤矸石在堆放和运输等过程中会形成粒径细小的粉尘，在风力作用下会悬浮在大气中，对人体健康造成危害。另一方面，煤矸石在由于其本身特性容易自燃，释放多种有害气体，同时产生大量具有爆炸性的烟尘，因此在自燃时会给周围大气环境和动植物生长造成不同程度的影响。 2. 煤矸石在堆存过程中，其中的有害元素在降雨的作用下会溶解并进入到水体或土壤环境中，对土壤中养分造成一定的损害，严重时会导致矸石山周围土地酸化，影响人体健康和植被生长。

4. 煤矸石的应用

我国早在上世纪中期就开始利用煤矸石，对其的综合利用从70年代中后期在逐渐开始。煤矸石的综合利用受如铝硅比值、碳硫含量等因素的影响，主要作为生产氧化铝、燃料、作为化工原料、陶瓷原料、制备建筑材料和道路工程填充等方面。

图2 知网中关于煤矸石综合利用的关键词共现分析

4.1 生产Al2O3

煤矸石中SiO2和Al2O3等多种有用物质含量较高，如将其作为铝土矿加以提取利用，不仅可以减少煤矸石对生态环境的负面影响，还可以缓解我国铝土矿资源短缺的情况。目前从煤矸石中提取氧化铝的方法与粉煤灰大同小异，本质是将Al2O3从煤矸石中浸出，主要有酸浸法[3]、碱浸法[4]等几种。目前碱法在实际生产过程中得到了大规模应用。 酸浸法是利用酸性溶液将其中的可溶性组分转化为盐类浸出到溶液中，通过添加试剂进行杂质金属盐类的除杂，最后进行铝盐的转化等过程形成Al2O3。发生的主要反应如 (1)~(4)所示。为提高其浸出效果，需要预活化以提高煤矸石的反应活性。在该过程中采用的提取剂多为强酸，对工业操作设备和管道材质要求较高，同时会有多种杂质伴随浸出，难以满足冶金级别的Al2O3要求，限制了其在Al2O3回收方面的工业化应用。

Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2O (1)

Al2(SO4)3 + NH3·H2O → Al(OH)3 + (NH4) 2SO4 (2)

Al(OH)3 → γ-Al2O3 + 3H2O (3)

γ-Al2O3 → α-Al2O3 (4)

碱浸法主要为拜耳法，基本原理是将破碎后的煤矸石用NaOH溶液进行提取，得到铝酸钠的浸出液和含硅固相赤泥，将其进行过滤和添加NaOH进行晶种分解后可得Al(OH)3产品，经煅烧后可制得Al2O3产品，主要反应如(5)所示：

Al2O3·H2O + NaOHNaAl(OH)4 (5)

4.2 生产建筑材料

利用煤矸石制备建筑材料，主要包括制砖、水泥原料、陶瓷材料等。 制砖。煤矸石制砖通常利用煤矸石自身的热值提供所需的干燥和烘焙的能量。我国煤矸石的热值在3300~6300 kJ/kg[5]，当热值偏低时可添加部分煤炭进行生产，因此利用煤矸石制砖可显著降低能源消耗。目前我国煤矸石制砖的工艺相对较为成熟，已经开发生产了实心矸石砖、多孔承重矸石砖和空心矸石砖等。 生产水泥。煤矸石的主要成分为SiO2和Al2O3，与黏土的化学组成相似，可代替部分黏土来生产水泥。将破碎后的煤矸石与石灰按照一定的比例混合，煅烧后得到硅酸钙为主的熟料，再将其与石膏等材料磨细即可得到抗压强度高的水泥。 混凝土骨料。煤矸石用于骨料通常需要经过一定的热处理以出去煤矸石中的碳和有机质，以减少煤矸石骨料中的薄弱组分，同时使得其中矿物发生镶边，生成活性物质提高其骨料的表层活性。王爱国等人[2]研究了我国利用煤矸石制备混凝土骨料的现状，谈久了改善煤矸石骨料混凝土性能的技术手段，并分析目前存在的问题。

4.3 回填和路基材料

回填。由于煤矸石为煤矿建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中产生的，如其中污染物含量较低，可用于充填沟谷、采煤沉陷区和低洼区建筑工程用地[6]。 路基材料。煤矸石作为筑路基料用于公共广场表面装饰、铺路或停车场等地面，可降低路基、地基或坝基等建设的成本，减少所占土地面积。 回填和路基材料可实现煤矸石的大宗消纳，但是这些利用方式未能充分体现煤矸石的资源价值，其中的有价金属或其他元素未得到有效利用。

4.4 其他应用

煤矸石还可以制备型砂、陶粒、陶瓷等建材，保温材料、耐火材料和胶凝材料等多功能材料等，在此不加详细叙述。

5. 煤矸石利用的不足

虽然煤矸石的综合利用取得了长足发展，但是还存在以下一些问题。1. 总体利用水平不高。2. 煤矸石综合利用技术基础研究尚待加强3. 煤矸石综合利用工艺的研究不够深入 根据“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见”，在后续工作中需加强煤矸石的综合利用能力，扩大其利用规模，有序降低其存量。并在关键瓶颈技术取得突破，建立其综合利用创新体系。不断推进煤矸石在工程建设、塌陷区治理、矿井充填等领域的应用，有序引导利用煤矸石生产新型墙体材料、装饰装修材料等，并在风险可控的前提下深入推动其在农业领域的应用和有价组分提取，加强大产量和高附加值产品的应用和推广。