我國煤矸石的處置利用現狀及展望

武彥輝

（陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉 045000）

2013年我國生產原煤39.7億噸，2014～2016年均呈下降趨勢。2017年全國累計生產原煤34.45億噸，首次同比增長3.2%。雖然我國在持續優化能源結構，并預計煤炭在能源結構中的占比將從現在的62%左右降至2020年的60%、2030年的50%，到2050年達到最低的40%[1]。然而即使如預期到2050年能源結構中煤炭占比達到40%，而在我國煤炭依然占據主要位置，中國仍然是世界上最大的煤炭生產和消費國。

煤炭在生產和洗選過程中會產生大量煤矸石，其中掘進矸石約占原煤產量的10%，洗選矸石占到15%左右。據統計我國煤矸石現有堆存量在50億噸以上，每年的排放量在7.5億噸左右。同時，由于煤矸石中含有碳質泥巖、硫鐵礦等可燃物質，長時間的露天堆存容易導致矸石自燃，進而排放出有害氣體，污染周圍環境[2]。因此，有效利用和處置煤矸石成為社會關注的重點。

1 煤矸石綜合利用途徑的產業化進展

煤矸石按照碳的含量可分為四大類[3]：大于20%的為一類，6%至20%的為二類，4%至6%的為三類，小于4%的為四類。一類煤矸石由于含碳量最高，熱值更大，常用于發電。其他三類矸石根據其中化學元素的含量決定其用途：含硅多的矸石用于制造陶瓷和建材等；含鋁多的矸石用于生產鋁系化合物。

1.1 矸石發電

利用煤矸石發電使煤矸石由無序排放變為有序利用，可有效控制和降低SO2、NOx及煙塵等污染物的排放；同時節約了無序堆放而大量占壓的土地。我國煤矸石發電的發展主要表現在以下方面。

1.1.1 技術的不斷提升

我國20世紀70年代早期建立的煤矸石電廠主要采用沸騰爐，但其燃燒效率不高，煙塵排放量很大，且對鍋爐磨損嚴重，給電廠帶來很高的成本壓力。沸騰爐的上述缺點嚴重制約了煤矸石大型發電廠的建設[4]。由于循環流化床鍋爐能普遍適應低熱值燃料的燃燒要求，有效降低電廠生產成本、減少SO2和粉塵排放，對企業發展和社會環境都是極其有利的。80年代后期我國開始進行循環流化床鍋爐的設計開發及投產應用研究。2016年11月15日，內蒙古大路2×300MW坑口煤矸石熱電廠通過試運行，該項目是集循環流化床鍋爐、直接空冷、熱電聯產為一體的亞臨界機組工程。2015年9月，由晉煤集團與山西國際能源集團共同投資的山西趙莊金光2×660兆瓦煤矸石發電項目在山西長治市開工建設，這是全國首個超超臨界低熱值煤矸石發電項目，該項目的開工既標志著我國煤矸石發電技術開始走在世界前列，也表明我國電力產業轉型到了一個新階段。

1.1.2 總裝機容量大幅度提高

2004年底，全國煤矸石等低熱值燃料電廠有230座，總裝機容量200萬kW，年發電量約120億kW·h。而2017年僅山西華昱能源有限公司循環經濟園區內的4座矸石電廠總年發電量就達149億kW·h，遠遠超過2004年的年發電總量。2017年全國煤矸石及低熱值煤綜合發電總裝機容量達3600萬kW，是2004年的18倍。

1.1.3 可利用更低熱值的煤矸石

較早的《煤矸石綜合利用管理辦法》（國經貿資〔1998〕80號）規定發熱量大于7500kJ/kg的煤矸石直接作循環流化床鍋爐燃料。而隨著我國循環流化床發電技術的發展，入爐燃料的熱值可進一步降低，更低熱值（＞5040kJ/kg）的煤矸石可用于煤矸石發電。

2016～2017年我國每年生產原煤約35億噸，含采掘矸和洗選矸約7.5億噸、煤泥約1.3億噸、中煤約6.5億噸。其中有約10億噸的低熱值燃料可用于燃燒發電。煤矸石電廠的利用能力遠不能滿足每年需要處理的煤矸石量，因此未來還應繼續研究更大容量、更高效率的低熱值煤燃燒發電技術。另外，隨著當前環保形勢的不斷嚴峻，通過開發新技術保證煙氣各項污染物排放達標，并且最大程度地利用灰渣，是煤矸石發電的必然趨勢。

1.2 煤矸石制建材

1.2.1 煤矸石制磚

目前，煤矸石制燒結磚、空心磚等生產技術正日趨成熟。如2008年潞安集團建成的煤矸石制磚生產線，每年可處理約30萬噸煤矸石，生產標磚1.3億塊。不斷研發新工藝和新裝備，開發多用途、多種類的煤矸石磚正逐步成為以后煤矸石制磚產業的發展方向。

1.2.2 煤矸石制水泥

煤矸石中的SiO2、Fe2O3及A12O3含量較高，可作為水泥生料中硅、鋁及鐵組分的主要來源以代替黏土生產水泥。用煤矸石代替黏土和部分燃料生產普通水泥能提高熟料質量[5]。

1.2.3 煤矸石制輕骨料

煤矸石中含有碳酸鈣和硫鐵礦及多種金屬氧化物，在高溫下會產生氣體膨脹物料，形成孔隙狀的輕骨料。目前，用回轉窯燒制的煤矸石陶粒具有低密度、高強度、高軟化系數、良好抗凍性等優點，可代替砂石制作各種建筑預制件[6]。除此之外，陶粒還可應用于食品、能源等其他領域，隨著技術的不斷發展，范圍還將繼續拓展。

1.3 煤矸石的高附加值利用

目前，煤矸石高附加值利用已開始成為煤矸石綜合利用的重要途徑。2018年1月29日，一項關于煤矸石高附加值利用的項目在內蒙古烏海市正式簽約。該項目采用超高溫熔融還原氣化技術，預計年消耗80萬噸煤矸石，一年可生產25萬噸巖棉拉絲纖維和40萬噸改性醇。甲醇又可以通過各種手段轉化成化學產品，大幅度提高了煤矸石的產品附加值。

2 煤矸石山生態復墾

我國的煤矸石利用技術已走在世界前列，但是煤矸石綜合利用率仍然很低，不足30%，剩余70%以上的煤矸石堆存在地面，形成了矸石山。目前全國歷年累計堆放的煤矸石約50億噸，規模較大的矸石山已超過1900座，占用土地約1.5萬公頃，而且堆積量每年還以1.5億～2.0億噸的速度增加[7]。

大量的煤矸石堆積占地又污染環境。1）煤矸石中所含黃鐵礦易被氧化放出熱量，在矸石山內部形成一個高溫高壓的環境，輕則導致煤矸石自燃，排放有害氣體，污染大氣和造成土壤酸化，重則產生爆炸，引起崩塌、滑坡，形成連鎖災害；2）矸石在運輸、堆放過程中產生大量粉塵，危害人體健康，極少數礦井的矸石甚至可能有放射性污染。

綜合國內外研究現狀，矸石山綠化是治理矸石山環境污染的有效途徑，也是礦區可持續發展的重要保障。矸石山綠化治理主要分三部分進行：1）矸石充填；2）分層碾壓；3）覆土綠化。

國內某集團通過對矸石的排放高度、坡度和覆土厚度進行了反復實踐和摸索，最終總結出一條治理經驗。將矸石分層碾壓，排放至3.5m后間隔黃土0.5m，每8m設置一個馬道，由馬道把坡面分成階梯式，且坡面坡度小于1 ∶ 1.75，可大大降低矸山自燃的幾率。陳勝華等[8]在此基礎上研究了該集團大垴梁煤矸石山覆土層不同碾壓條件下的壓實效果，結果表明覆土厚度20～40cm，4噸的碾磙平碾碾壓3～5遍時，土壤含水量接近最優含水率，碾壓效果最好。

矸石山的綠化應結合當地地理位置、氣候等自然條件，優先選擇耐干旱、耐貧瘠、萌發力強、成活率高、生長快的優良品種。一般來講，固氮樹種能適應嚴酷的土地條件，特別是刺槐等豆科植物，既能避免水土流失，還能改良土壤，保證人工生態植被的完整性。

目前，國內外在煤矸石山綠化方面尚未開展實驗，尋求最優的綠化模式，基本采取各自的、統一的綠化模式，缺乏針對性。為此，研究比對不同綠化方式、綠化種類、綠化密度、養護方法等的綠化效果，既能達到快速綠化的目的，又能節約成本。

3 展望

盡管我國在煤矸石的綜合利用方面取得了不錯的成果，但其利用量遠遠不及產生量，利用率不足30%，絕大多數煤矸石仍以填埋，堆積的方式進行處置，自燃現象時有發生。而且在利用過程中存在成本較高，產品缺乏市場競爭力等問題，因此在未來的發展中應做到：1）不斷完善工藝和設備，提高煤矸石的利用量，降低生產成本，尤其是煤矸石的高附加值利用技術應作為重點研究內容；2）尋求新型注漿滅火劑和綠化技術，加大矸石山生態恢復治理技術研究。