煤矸石綜合利用發展方向研究

馮 蕊

(煤炭工業太原設計研究院，山西太原 030001)

前 言

我國煤炭資源豐富，潛力巨大，是世界產煤大國，其儲量約占全國礦產資源儲量的90%，占化石能源的95%，煤炭在我國一次能源生產和消費結構中的比重一直都在70%左右，煤炭工業是我國重要的支柱產業，在未來20年內煤炭仍然是我國的主要能源。

煤矸石是在煤形成過程中與煤伴生、共生的巖石，是煤炭開采和洗選加工過程中產生的固體廢物，含碳量較低，比煤堅硬。在煤炭生產中，煤矸石多以矸石山形式堆放。僅以山西為例，據統計結果，煤礦企業兼并重組整合前約有大小矸石山4000余座，兼并重組整合后，現存的矸石山仍有1500多座，2010年全省矸石產生量8500多萬噸，目前煤矸石累計堆存量已逾10億噸。如何解決矸石山遺留的歷史環境問題，并對繼續產生的煤矸石進行合理有效利用，實現固體廢物的資源化，并開展煤矸石高端化利用途徑的試驗研究，加大對非煤產業和循環經濟的推進力度，促進產業結構調整、轉變經濟增長方式、提高煤炭工業發展的質量和效益，是當前急需解決的主要難題。

1 煤矸石綜合利用現狀

1.1 煤矸石綜合利用概況

煤矸石作為煤炭生產過程中的副產物，主要來自礦井矸石和洗煤廠洗選矸石，產生量約占煤炭開采量的5%～25%。統計分析煤矸石的綜合利用方向主要集中在發電、制磚、充填路基、填溝造地等，其他方面的利用量極少，利用的矸石以洗矸為主，剩余矸石以矸石山形式堆放。

以山西為例，截至2010年，全省煤矸石累計堆存量超過10億噸，矸石山1504座。截止2010年底，山西省煤矸石發電機組消耗煤矸石僅占全省煤矸石產量的11%，煤矸石磚廠及建材廠可利用煤矸石占比約為12%，用于填溝造地的矸石量利用率約5%，用于充填路基、塌陷坑和外售等的矸石量利用率約10%，剩余62%的煤矸石全部堆放。

1.2 煤矸石利用存在的主要問題

堆積量巨大，綜合利用率較低。隨著煤炭產量大幅增加，伴隨的煤矸石量也有所增加。雖然近年煤矸石在多途徑實現綜合利用，但煤矸石的綜合利用率還很低，綜合利用存在堆存量大而利用率小的問題。

造成一定程度的生態影響和環境污染。煤矸石堆積量巨大，全國高硫礦區矸石山存在不同程度的自燃現象。煤矸石已成為積存量和產生量最大、占用堆積場地最多的工業固廢。

利用價值鏈低端，缺乏高端利用的有效途徑。目前煤矸石在發電、制磚等方面已開展廣泛的應用，但附加值低，利用量相對較少，大多處于價值鏈低端，回收矸石中的有用組分以及制備高附加值產品仍然較少，而且大多數還處于研究與示范階段，遠沒有形成成熟的技術。

缺乏有效經濟激勵約束政策和相關配套政策。煤矸石綜合利用相關政策在執行過程中一直都有很大的阻力，涉及不同行業利益、相關企業監督等一系列問題。對于煤矸石的資源化利用，企業天然的動力不足，在這種形勢下，如何鼓勵和監督企業開展煤矸石綜合利用，需要一套完善的體制來協調解決。

非煤產業人才缺乏，相關行業成果應用不暢。煤炭行業與建材、化工行業之間溝通不暢，結合不好，建材、化工行業的成果未能有效在煤炭行業得到應用和實施，缺乏一種有效融合的機制。

2 煤矸石成分分析

矸石是多種沉積巖組成的集合體，不同的沉積巖又主要由成巖礦物組成。收集我國主要產煤地區典型礦區已有的煤矸石工業分析、化學成分分析數據，對其中主要工業、化學成分進行統計，見表1。從表中可知，煤矸石的主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁、固定碳和少量三氧化二鐵、氧化鈣等。

表1 典型礦區煤矸石工業化學成分分析統計表

3 煤矸石利用重點發展方向

3.1 煤矸石電廠

主要采用循環流化床鍋爐燃用矸石(低位發熱量1000～3000大卡/千克)與低熱值煤發電，電廠用矸仍舊是洗選矸石的主要利用方向，可充分利用矸石中的余熱，是大量消耗煤矸石的有效途徑之一。目前我國運行較為成功的案例，山西平朔2*300MW機組采用循環流化床鍋爐，燃用80%煤矸石和20%低熱值劣質煤發電;四川白馬電廠正在進行600MW發電機組的循環流化床鍋爐燃用煤矸石的實驗。

3.2 煤矸石建材企業

利用煤矸石為原料，生產煤矸石磚、裝飾磚、多孔磚等已成為煤矸石制建材較為成熟、利用廣泛的技術。制磚是有效消耗煤矸石的重要途徑之一，，實踐中，在粘土磚禁止銷售好的地區，矸石磚銷路很好，反之，粘土磚禁售不太好的地區，矸石磚普遍虧損。規劃布局此類企業應和市場需求基本一致，應建在矸石堆場附近，運距以50公里以內為宜，最遠運距不超過100公里。

3.3 煤矸石生態處置

利用煤矸石進行填溝造地是矸石大量利用的重要方式。采用煤矸石進行填溝造地，恢復土地生產力，根據當地自然環境與社會經濟發展情況，按照經濟可行、技術科學合理、綜合效益最佳和便于操作的要求，在有條件的地方復墾為旱地，在條件不足或暫時不足的地方復墾為林地或草地。適用于山區和丘陵地區，可減少地面堆存的不利影響，改善當地生態環境。針對不同類型矸石山的治理，采取不同的生態恢復治理措施。

3.4 矸石井下回填

用煤矸石進行礦井回填，實現綠色開采，從源頭減少排矸量，可大量消耗煤矸石，越來越受到人們的重視。實行沿空留巷巷旁充填無煤柱開采技術，目前已在西山礦區屯蘭礦試驗成功。在煤礦開采中，兩個工作面之間留設有煤柱，以煤矸石充填巷道來代替此留設煤柱即為沿空留巷，沿空留巷是普遍使用的一種無煤柱護巷方式，應用沿空留巷，不僅可以大大提高煤炭資源的采出率，而且還可以緩解采掘接續緊張的局面。但由于全國不同礦區的地質條件、支護材料來源，井型大小等差異甚大，應該因地制宜地采用不同類型和不同技術水平的巷旁支護形式。

3.5 “以矸換煤”技術

“以矸換煤”是指煤炭開采后期對建構筑物壓煤采用煤矸石充填回收煤柱。在留設煤柱的地方，每隔5～15m寬，順一個5m寬的煤巷，將煤采出后，再將矸石回填，具體工藝是把矸石倉的矸石破碎至25mm以下，用皮帶輸送至井下，拋矸機將矸石拋至充填點，同步注漿夯實防滅火。此方法在山西太原東山煤礦已進行實驗，效果良好，充填成本300元/噸左右。

綜上所述，煤矸石回填井下技術可行，可以實現地面不堆矸石的綠色開采，但成本較高代價大，有時高于開采煤炭的噸煤成本，可用于資源臨近枯竭的礦井。如大面積推廣此技術有難度，和我國現階段經濟發展的水平不相適應。

3.6 煤矸石高端化利用方向

煤矸石除了發電、制建材、用于生態處置以外，針對煤矸石組成成分，我們重點提出了以下幾種煤矸石的高端化利用方向。

3.6.1 煤矸石制陶瓷空心微珠

微米級陶瓷空心微珠是一種微米級的無機材料制品，由多個中空球形體聚集而成的空心球，主要用在環保建材、保溫板內芯、橡膠樹脂等填料、乳化炸藥、高檔防火涂料、石油固井等領域。全球空心微珠的應用市場巨大，2010年空心微珠的全球消費量1.31億噸，國內市場基本處于低端產品自給、高端產品進口的局面。因此盡快提高國內高端微米級陶瓷空心微珠產品的生產能力，形成規模，從資源和環境發展角度意義深遠。

微珠生產技術方案為煤矸石篩選、破碎、研磨、制漿、干燥成型和燒結的工藝，主要原輔材料有煤矸石、分散劑、添加劑、發泡劑和氧化鈣等。

3.6.2 煤矸石制無機纖維

目前國家為滿足防火要求，已明確禁止在建筑物保溫材料中使用有機聚氨酯保溫材料，并推廣無機防火保溫材料。這對煤矸石制礦物纖維、硅鋁纖維保溫材料等是很好的推廣應用機遇。

(1)制超細礦物纖維。煤矸石制超細礦物纖維，目前在國內作為一種新型的產業，具有節能、環保、純凈、良好的適應性、成本低、效益大、市場需求廣泛等特點。可廣泛應用于密封、摩擦材料、VIP板(真空絕熱板)、瀝青改性材料、造紙領域、建筑物保溫、吸音板、保溫砂漿等領域。其工藝為將煤矸石原料(煤矸石占比40～50%，其余為石灰石和少量的白云石)與填料(粘結劑、附加劑)通過自動上料系統進入熔爐，使成纖爐熔融溫度、熔體粘度、析晶度與生產設備的工藝參數配套，生產出初纖維，再進行物理深加工和化學改性處理后，制備出成品礦物纖維。

(2)制硅鋁纖維。以矸石為原料生產硅鋁纖維，這項國外技術在國內已研究成功，并有應用實例。硅酸鋁纖維產品可應用于石油、化工、治金、電力、建材、機械、纖維紡織等行業的窯爐、管道、鍋爐、貯罐等耐火、保溫、消音、耐熱方面。硅酸鋁纖維原料的熔融一般采用電爐作為熔化設備，主要有電阻爐和電弧爐兩種。纖維的成形方法分為噴吹法、甩絲法和甩絲-噴吹法等。

電弧法噴吹成纖、濕法制氈工藝合格配合原料加入電弧爐中熔融，形成流股，流股經壓縮空氣或蒸汽噴吹后成為纖維，經過除渣器除渣后，集棉形成成品纖維。成品纖維被送入攪拌槽旋渦除渣后，被送至貯料槽，施加粘接劑后形成漿料。漿料經壓機模壓或真空吸濾，干燥形成硅酸鋁棉成品。

當前影響推廣煤矸石制礦物纖維、硅鋁纖維應用的主要問題是，該類產品和建筑領域的標準化、規模化要求有一定差距，生產的產品規格和建筑物的粘結、抹面、固定等方面有差距，沒有形成系列和標準化。

3.6.3 煤矸石制氮氧化物耐火磚

利用煤矸石中的二氧化硅、三氧化二鋁、殘炭和氮氣進行碳熱還原氮化工藝合成復合氮化鋁硅耐火材料(由三氧化二鋁、碳化硅、氮化物組成)。傳統的氧化物耐火材料抗氧化、抗侵蝕性差，熱震穩定性低，而氮氧化物耐火材料抗侵蝕性好、熱震穩定性高，在國際上屬高檔耐火材料，可成為新一代冶金耐火材料，連鑄功能耐火材料以及有色金屬用耐火材料。該項目已開始中試，是大量消耗煤矸石，進行高端利用的途徑之一。

3.7 其他利用方向

煤矸石除了發電、制建材、高端化利用、用于生態處置以外，目前正在研究、開發的新技術尚多，簡要介紹以下幾個方面。

3.7.1 制取工業原料

煤矸石所含的許多元素中，SiO2和Al2O3是含量最高的。因此，通過不同方法，提取其中一種元素或生產硅鋁材料是煤矸石化工利用的主要途徑，但僅限于矸石中Al2O3含量在35%以上的煤矸石。其中有燒結、自行糟化法生產氧化鋁;硫酸法生產氧化鋁或硫酸鋁;鹽酸和硫酸法浸取煤矸石，制取氧化鋁、聚合鋁、水玻璃和白炭黑等;生產銨明礬。其中氧化鋁和聚合鋁是用途最為廣泛的產品，它們都可用作凈水劑。結晶氯化鋁可以作為熔模精密鑄造工業中的硬化劑和造紙工業中的硬化劑和施腔沉淀劑。聚合鋁還可用作水泥速凝劑.耐火材料的凝結劑等。生產實踐表明，作為鋁鹽原料的沸騰爐渣必須符告下列三個條件:a、礦物組分雜質含量要低.含鐵量應控制在1.5%以下，鈣鎂也應控制在0.5%以下;b、氧化鋁含量要高，一般要求在35%以上:c、酸溶出率要高(一般要求大于80%)。

3.7.2 生產沸石分子篩

煤矸石可作為沸石合成原料使用。煤矸石的礦物成分主要是高嶺石，是一種較為純凈的高嶺石泥巖，含有合成沸石所必備的成分Al2O3、SiO2和少量Na2O，經過適當處理，采用合適的工藝條件，可以合成合格的沸石晶體。在形成時代上以石炭紀、二疊紀煤層中的煤矸石合成效果達到最佳。

3.7.3 煤矸石制陶粒

陶粒也稱輕骨料，是一種新型墻體材料，具有容量小、強度高、熱導率低、耐高溫、化學穩定性好的優點。矸石陶粒生產工藝類似粘土陶粒，可單獨或其他原料配合，經磨細、配料、攪拌、成球、干燥和焙燒(1100～1300℃)形成表皮堅硬、內部呈微細膨脹氣孔的人造輕骨料。要求煤矸石中SiO2含量在55% ～65%之間，Al2O3含量一般低于28%，CaO和MgO含量不得超過6% ～8%，Fe2O3以5% ～10%最佳，有機碳含量2% ～5%為宜。

綜上所述，煤矸石用來發電、制磚、填溝造地是技術成熟、應用廣泛的綜合利用途徑，可消耗大量煤矸石，是常規利用方法，有條件時應大量推廣。利用煤矸石制空心微珠、礦物纖維、硅鋁纖維、氮氧化物耐火材料等高端利用產品，其產品附加值高，市場前景廣闊，潛力巨大，應加快工廠生產性實驗，這是未來煤矸石綜合利用的發展方向。

4 結語

以規劃引導推動煤矸石資源化利用迫在眉睫，建議國家在煤矸石綜合利用項目方面給予政策優惠，鼓勵企業發展循環經濟，采用減、免、緩等優惠政策支持資源化發展。大力加強煤炭行業和建材、化工等行業的銜接和深度融合，加快煤矸石高端化利用的推廣，使煤矸石綜合利用成為新的經濟增長點。

［1］山西省煤矸石資源綜合利用“十二五”規劃［R］.

［2］王麗.淺談榆林市府谷縣煤炭資源整合環境影響評價中杜松自然保護區問題［J］.環境與可持續發展，2012，37(5):92-94.