煤矸石綜合利用的可行性研究

摘要：本文通過介紹煤矸石的幾種可利用途徑及其綜合利用所產生的經濟與社會效益，論述了煤矸石的綜合利用的可行性，以達到變廢為寶、變害為利，節省能源及資源循環利用的目的。

關鍵詞：煤矸石；成分；利用

前言

煤矸石是煤炭生產和洗選過程中產生的固體廢棄物，隨著煤炭產能的增加，其排放量亦相當驚人，據相關資料保守估算，每年的排放數量約占煤炭產量的10%，到目前為止，已累計堆存約38億噸，不僅占用了大量的土地（約1.5萬公頃），同時在適合的條件下還會產生自燃，對大氣及地下水造成污染并影響當地景觀，對礦區造成種種負面影響，作為煤炭工業廢棄物的煤矸石一直是煤礦生產企業最頭痛的事兒。

就煤矸石的組分而言，它又是一種可利用的礦產資源，\"八五\"以來煤矸石的開發利用有了較大發展，而且利用的途徑在不斷擴大，技術水平在不斷提高。在當前基礎能源石油價格日益高漲，特別是\"十一五\"規劃中提出，建設節約型社會，發展循環經濟的要求，更是給煤矸石的綜合利用提供了廣闊的空間。

研究煤矸石的利用，就有必要從其化學組分談起。

1 煤矸石的組分

煤矸石的化學成分主要是SiO2、Al2O3和C。其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3、P2O5、N和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金屬元素，煤矸石的化學成分不穩定，不同地區的煤矸石成分變化較大，但其變化一般在一定范圍內：

化學組份： SiO2 Al2O3Fe2O3 CaO MgO Na2O K2OC

百分含量：30-6015-40 2-101-4 1-31-2 1-2 20-30

煤矸石的礦物成分以粘土礦物和石英為主，常見礦物為高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英、長石、云母和綠泥石類。除了石英和長石外，以上礦物均屬于層狀結構的硅酸鹽，這是煤矸石礦物成分的一個特點。

2 煤矸石的開發利用途徑

巖石與礦石的區別點僅僅在于現階段有無使用價值，二者之間是一種隨人類生產技術條件變化而變化的動態關系。煤矸石的開發利用，在途徑上主要分為二大類，一是熱能源；二是選擇灰份作工業原料。

2.1 熱能源（利用煤矸石發電）

煤矸石發電是煤矸石綜合利用的最主要途徑。利用煤矸石中的C成分，煤矸石燃燒時產生的熱能，一般在1.68～2.10MJ/kg，有的也可達10.50～12.60 MJ/kg，標準煤燃燒值為29.3 MJ/kg，一般4噸煤矸石約合1噸標準煤發熱值。每度電換算成能量單位為3.6 MJ，經換算得出，每燃噸煤矸石可發電約2000度（理論計算）。在實際利用中通常按一定的比例摻入原煤。

福建安溪煤矸石電廠，據項目負責人介紹，安溪煤矸石電廠設計裝機2×50MW，年產值約20000萬元，電廠煤矸石燃燒技術穩定，電廠經過4個多月的并網調試，煤矸石從20%開始，經過逐步摻燒，煤矸石與原煤的燃燒比例已達6：4，入爐的熱值在9.58 MJ/kg，鍋爐仍可穩定燃燒，低于規定的12.6 MJ/kg，煤矸石的熱值在5.0 MJ/kg以上，符合煤矸石電廠政策要求。電廠建成投產后，每年利用煤矸石約36萬噸，相當于9萬噸商品煤，亦相當于新建一個年產原煤9萬噸的新礦井，節約效果十分顯著。

另外，還可以利用煤矸石生產煤氣，產氣用的煤矸石一般要求灰份為70%～80%，發熱量為4.1868～5.02416MJ/kg。煤矸石煤氣爐造氣原理與一般煤氣發生爐基本相同。所得煤氣的熱值可達2.93076～4.60548MJ/m3。

利用后的廢渣，還可用來作為水泥配料與電解鋁等的生產，從而形成延伸產業鏈。

2.2 選擇灰份作工業原（材）料

由于以前對煤矸石一直視為 \"三廢\"之一，對于各地各礦區的煤矸石的重視度不夠，故具體的煤矸石的成分研究與檢測也相應較少，尤其是非重點礦區。

煤矸石質量參差不齊，成份波動較大，應該根據地質類型、熱值、成份的不同，對新挖掘或選剔出的煤矸石按類分級堆放，建立技術檔案，同時，對歷年來積存的老煤矸石進行調查，勘測，采樣分析，建立資源檔案，有所選擇地利用一些合乎要求的煤矸石作為工業原料是完全可行的。

2.2.1 制造建筑材料

主要利用煤矸石中的礦物成分代替其它具相同成分的礦產資源。

2.2.1.1 配制水泥

煤矸石已被廣泛用于水泥生產。利用煤矸石代替粘土生產水泥，水泥中煤矸石含量可達30%，煤矸石的摻入可使噸熟料（非標準煤）由475kg，降至378kg，每件可節煤11640t。熟料臺時產量由6.54t提高到8.33t，而且噸熟料電耗下降6.93kWh。

還利用煤矸石代替粘土配制全黑生料，熟料燒成后，又利用人工引燃煤矸石煅燒石灰后再作混合材生產火山灰水泥。這種水泥生產二次利用煤矸石，平均每噸水泥利用0.5噸煤矸石。

另外可用煤矸石、石灰石、螢石、石膏和鐵礦粉為原料。采用高鋁和比加復合礦化劑的配料方案，控制C11A7.CaF2和C4A3S等速凝早強物質，生產出的速凝早強水泥已達到國家建材標準(JC314-82)。符合\"快凝快硬硅酸鹽水泥\"（雙快的-150）的技術指標。

2.2.1.2 煤矸石制磚

主要利用煤矸石中所含的粘土礦物，替代粘土進行建筑用磚的生產。目前我國的墻體材料產品中95%是實心粘土磚，現在全國有磚瓦企業約11萬個，生產粘土磚多達7000億塊，占地500萬畝，每年耗土量相當于110萬畝土地，實際毀田數十萬畝，耗能達 7000多萬t標煤，成為一個破壞耕地、消耗能源的大戶。為此，國家制定了一系列限制粘土磚，發展新型墻體材料的政策。但目前全國煤矸石磚生產企業僅有近千家，年生產矸石磚約60億塊，占粘土磚產量的0.8%，僅利用煤矸石約1600萬t。此外，全國利用煤矸石生產粘土內燒結磚的（平均摻矸量15%左右）廠家較多，每年生產矸石內燒結磚500億塊，年利用煤矸石量1800萬t。從而使利用廢棄煤矸石替代粘土制磚成為最主要的產業政策。

2.2.1.3 煤矸石作為建筑填料

利用煤矸石的固體物理性質及自身強度，可廣泛用于公路、鐵路的路基填筑、工業與民用建筑的換土墊層建設，公路的穩定層及江河湖海的堤壩也有大量的應用。

另外，采空塌陷區也可作為填料，進行回填復墾。

2.2.2 煤矸石制陶瓷

歷年來作為工業廢渣看待的煤矸石，經過人們的長期研究、實驗， 煤矸石主要由粘土礦物組成，其化學成份與一般瓷土近似，工藝性能在一定條件下，也可以滿足陶瓷生產的要求。

以高嶺石為主的煤矸石可作為燒制陶瓷的主要原料，國外把煤矸石用作燒制彩色陶瓷板，有的在陶瓷原料中加入15～20%的煤矸石，不但降低燃料消耗，還可以改善造型性能、提高產品強度。

2.2.3 煤矸石制取化工產品

主要是利用煤矸石中的有效化學成分，通過一定的技術手段與設備，提取其中的有效組分，提取有用的化工產品。

2.2.3.1 制取堿式氯化鋁和水玻璃

據研究，可用煤矸石在同一工藝過程中，制取堿式氯化鋁(Al2(OH)nCl6-n))和水玻璃(Na2SiO3)。將煤矸石破碎、熔燒、酸溶和過濾，濾液中的氯化鋁經加堿調整鹽基度就可得到合格的液態堿式氯化鋁。濾渣中的SiO2與加入NaOH的反應，在1200C至1500C的溫度下，在反應釜中反應2～3h ，然后在貯存池中沉淀，濾去不溶物，濾液濃縮后便得到水玻璃。該工藝產生的殘渣含有大量活性物質，還可用作建筑材料，如作為水泥配料，對于有些煤矸石原料，還可從殘渣中提取部分金屬元素。

2.2.3.2 制取聚合物氯化鋁

據報道，以煤矸石為原料，用酸溶法制取聚合氯化鋁技術已成熟，其工藝流程可分為破碎、焙燒、連續酸溶、濃縮結晶、沸騰分解和配水聚合等工序。生產過程中，酸溶產生的殘渣可用作水泥配料，或制成水玻璃和白炭黑等產品。

2.2.3.3 制取硫酸鋁

用煤矸石制取硫酸鋁的工藝比較簡單，主要工序是破碎、酸解、過濾提純、蒸發結晶和脫水烘干。其成品是十八水硫酸鋁(Al2(SO4)3.18H2O)。采用本工藝生產的硫酸鋁質量符合中華人民共合國化工行業一級品標準(HG/T-92)。

2.2.3.4生產肥料

利用煤矸石生產復合肥料已取得突破性進展。如利用煤矸石制取氨水，產品除氫氧化銨外，還含有亞硫酸銨、碳酸銨和磷、鉀等，屬于復合肥料。具有速效和長效的特點，適用于各種農作物的土壤。

3 通過對煤矸石的綜合循環利用，將會收到巨大的經濟與社會效益

3.1 減少占地，治理復墾

在土地資源尤其是耕種土地日益緊張的今天，將堆置煤矸石的大片土地資源騰出來后，經過土質治理后，還田與農，加上替代節省的土地資源，又將解決多少人的吃飯問題，周邊地區百姓的菜籃子、米袋子又將更加豐裕起來。

3.2 改變礦區景觀，減輕礦區及周邊地區的污染煤矸石綜合利用后，礦區的黑乎乎煤矸石山漸漸消失，取而代之的將是一片生命的綠色。

在我國礦區，有相當部分煤矸石山曾經自燃過或正在自燃，產生的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵及熱量等，給礦區及周邊地區的大氣造成嚴重的污染，灰分的酸性物質經雨水淋濾溶滲入地下，污染水質，嚴重威脅到礦區及周邊居民的健康與生命安全，通過煤矸石的綜合利用，這種威脅將大大改觀。

3.3 增加礦區新產業，帶動礦區經濟二次騰飛

煤矸石的綜合利用，將在礦區形成新的產業鏈，會生產出更多的衍生產品，不但減輕了礦區的公害，而且會產生巨大的投入產出差，產生巨額的經濟效益，無疑會給礦區的經濟發展提供了強勁的動力。

3.4 實現產業轉移及勞動再就業

目前，我國大部分地區的煤炭資源面臨枯竭的現實，到那時，從業人員無煤可采，面臨的將是失業的現實。但礦區的大量廢棄物煤矸石的綜合利用，可使單一煤炭開采向發展煤矸石綜合利用產業轉移，及早的實現產業轉移，不僅能使現有從業人員免除失業危機，而且煤矸石綜合利用產業還將提供大量新的就業崗位，更符合當前的產業政策。

言而概之，煤矸石的綜合利用不僅是簡單廢物利用、變廢為寶，而且是新時代的要求，是利國利民、大有可為的事業。

參考文獻

［1］李增學等.煤地質學［M］.北京：地質出版社，2005.

［2］龍榮生.礦井地質學［M］.北京：煤炭工業出版社，1991.

［3］胡維淳.煤矸石綜合利用是大有可為的事業［C］.中國煤炭綜合利用集團公司.