煤矸石處置與綜合利用研究

杜 恒

(中國冶金地質總局 內蒙古地質勘查院，內蒙古 呼和浩特 010000)

山西省是我國產煤大省，長期高強度的煤炭開采，使山西囤積超過10億t的煤矸石，而且每年還有5 000萬t的增量。孝義市境內煤炭資源是霍西煤田的重要組成部分，儲煤面積為783.5 km2，占境域總面積的82.8%。探明的地質儲量為71億t，遠景儲量90億t，儲量豐富，埋藏較淺，煤層穩定，品種齊全，煤質較好，易于開采。孝義煤炭的煤種以焦煤為主，兼有肥煤和瘦煤，其中，焦煤儲量為25.64億t，約占儲量的36.1%；肥煤儲量為10.39億t，約占總儲量的14.6%；瘦煤儲量為13.76億t，約占總儲量的19.4%。

國家相關政策提出了循環經濟鼓勵政策和污染物排放納稅出臺，從頂層設計給出了明確信號[1-4]：①支持循環經濟產業發展，對固廢綜合利用企業實施稅收減免、資金支持等措施；②提高企業污染物排放代價，對污染物排放征收稅費；③加強統籌，逐步取締或禁止“小散亂”；④限制或禁止部分礦產資源的發展，鼓勵替代型產業發展。自十九大提出“生態文明建設和綠色發展的路線圖”，我國環境保護督查力度不斷加大，對地方政府的環保工作提出了新要求、新目標。環保督查力度加大將對工業固廢綜合利用產業的發展和進步形成有效的推動。

2018年孝義市落實非金屬礦整治工作，對到期磚瓦用黏土企業采礦證到期一批必須退出一批。限制傳統建材企業，鼓勵煤矸石綜合利用，從“限制”“支持”2方面支持固廢綜合利用產業的發展壯大。基于此，本文研究了孝義市煤矸石處置與綜合利用技術，淘汰了落后產能，技術升級換代，煤炭資源循環利用率得到極大提升，推動了“介孝汾一體化”建設。

1 工程概況

1.1 區域位置

孝義市位于山西省腹地呂梁山脈中段東麓，晉中盆地西南隅，呂梁山脈中段東麓，地理位置介于東經111°21′—111°56′，北緯36°56′30″—37°18′45″。1992年撤縣設市，是一座古老文明與現代繁華交融、傳統工業與新興產業相映的現代化城市，具有獨特的發展優勢。東與介休市隔汾河相望，西與交口縣、中陽縣毗鄰，南與靈石縣接壤，北與汾陽市交界。全境東西長46 km，南北寬26.55 km，市境總面積945.8 km2，總人口約50萬，下轄5個街道7個鎮和5個鄉，孝義市距呂梁市約80 km，距太原市約120 km。孝義市區域位置如圖1所示。

圖1 孝義市區域位置Fig.1 Location of Xiaoyi City

1.2 孝義市煤矸石的產生和堆存情況

本次對孝義市煤矸石進行取樣主要來自：下柵村、正善煤礦、柳灣煤礦等，進行煤矸石性質分析。根據《危險廢棄物鑒別標準——浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)表1鑒別標準，該區煤矸石不屬危險固廢，根據《一般工業固體廢物貯存、處置污染控制標準》(GB 18599—2001)規定，該區煤矸石浸出物溶液任何一項污染區濃度均未超過《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)最高允許排放濃度，pH 值：6～9，應按第一類工業固體廢棄物處置。煤矸石堆場主要由煤、矸石、巖石和土組成，其中矸石化學成分主要以SiO2、Al2O3為主，偏高嶺土屬性。此外還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2等。具體成分見表1。

表1 煤矸石化學成分含量Tab.1 Chemical composition content of coal gangue %

1.3 煤矸石的危害

煤矸石的產生和堆存帶來了大量的環境污染、安全隱患等問題[5-10]。

(1)侵占土地。孝義市煤矸石歷史堆存量已超過5 000萬t，侵占土地超過150 km2，其中僅未復墾的煤矸石堆場十余座，這些堆場占用了大量林業用地、農業用地，造成了土地資源的嚴重浪費。

(2)粉塵污染。煤矸石在堆放、運輸和處理過程中會產生大量的粉塵。當地煤矸石運輸主要依靠汽車運輸，尤其是梧桐工業園區周邊相關洗煤廠煤矸石運輸路程較長，沿途經過大量居民區，運輸沿途產生大量的粉塵，因風飛揚的灰塵嚴重破壞周邊生態環境，影響能見度，污染周邊居民區的空氣。矸石山周邊居民區隨處可見灰塵，矸石塵埃落在建筑物和植被上，使其失去本色，降低空氣清潔度和光照度，大大降低了周邊居民的生活質量。

(3)堆場安全隱患。孝義市的煤矸石具有硫含量高、燒失量大的特點，具有明顯的易自燃特征。部分煤矸石堆場存在私自篩煤的情況，存在一定的安全隱患。此外，還有部分煤矸石堆場選址不合理、缺乏擋土墻等必備的設施，當煤矸石山堆積過高、坡度過大時，存在產生滑坡等危害的風險。

(4)大氣污染。煤矸石中含有殘煤、炭質泥巖等可燃物，其中碳、硫構成煤矸石自燃的物質基礎。露天堆放的煤矸石內部熱量逐漸積蓄，當溫度達到可燃物的燃點時便自燃，釋放出大量的CO、CO2、SO2、H2O和NOx等有害氣體，其中以SO2為主。這些有害氣體不但污染空氣，影響人們的身體健康，而且還嚴重破壞生態環境，使樹木生長緩慢、病蟲害增多，農作物減產或死亡。

(5)土壤污染。由于煤矸石堆場堆存時間超過設計年限，防滲設計超壽命服役，導致煤矸石經雨水淋溶進入水域或滲入土壤，影響水體和土壤，并被植被根部所吸收，影響農作物的生長，造成農業減產和產品污染。大氣和水攜帶的煤矸石風化物細?？娠h撒在周圍土地上，污染土壤，矸石山的淋溶水進入潛流和水系，也可影響土壤。煤矸石多以露天堆放為主，其自身理化性質決定了煤矸石山堆放場形成過程中會有以下環境脅迫因素：①物理結構不良，持水保肥能力差；②極端貧瘠，N、P、K 及有機質含量極低，或是養分不平衡；③重金屬含量過高，影響植物各種代謝途徑，抑制植物對營養元素的吸收及根系的生長；④極端 pH值，煤矸石硫化物氧化產生硫酸，嚴重時pH值接近 2，酸性條件又進一步加劇重金屬和溶出和毒害，導致孝義市土壤重金屬污染嚴重。以上不利因素單獨或集中出現，導致煤矸石山堆場大多為不毛之地。

(6)水體污染。煤矸石除含有粉塵、SiO2、Al2O3以及鐵錳等常量元素外，還有其他微量重金屬元素，如鉛、錫、汞、砷、鉻等，這些元素為有毒重金屬元素。當露天堆放的煤矸石山經風吹、日曬、雨淋等作用，析出的有毒重金屬會隨地表徑流轉入江、河、湖和地下水中，造成水體的污染。

1.4 煤矸石的綜合利用情況

近年來受市場經濟影響，煤焦企業效益低迷，企業產生的煤矸石由各自產生企業負擔，存在一定負擔。孝義周邊沒有固定的煤矸石堆場、亂堆亂放現象嚴重，綜合利用率低。孝義市目前已有的煤矸石綜合利用方式主要有利用煤矸石復墾造田技術、煤矸石制備燒結磚、免燒磚等代替黏土磚和其他建材技術。

2 綜合利用技術思路

2.1 煤矸石科學、無害化堆存

孝義市地處我國重要的煤炭生產基地，年產生煤矸石量大，由于孝義與周邊市區經濟模式類似，多以煤炭、煤化工產業為支柱。多年來的粗獷、 資源輸出型發展，地方政府對煤矸石的再生利用重視程度低，企業投資建設少，產業基礎薄弱，孝義及周邊煤矸石綜合利用能力嚴重不足，配套不完善，不能完全消納每年新增量。煤矸石綜合利用能力欠缺的情況下，采用科學、無害化堆仍然是規模化的處置方式之一?？茖W、無害化堆存是以轉存為手段、綜合利用為目的的一種處置方式，臨時堆場設計之初將會對煤矸石的再生利用進行充分考慮，預留相關場地、道路、出入料口等[11-15]。

2.2 煤矸石綜合利用

根據孝義市煤矸石產生企業分布特點、成分情況，綜合利用技術思路[16-20]如圖2所示。

圖2 綜合利用技術思路Fig.2 Comprehensive utilization of technical ideas

對孝義市煤矸石生產進行摸底工作，建立健全煤矸石的數據檔案，對各類煤矸石進行詳細歸類，為發展綜合利用產業做好數據基礎；同時控制好每年的煤矸石產生和處置，對煤矸石從產生、運輸、堆存提出高標準、嚴要求，過程中嚴控環境污染風險，完善監管機制，提高堆存成本，倒逼企業向發展綜合利用方向發展。

建立預處理中心，對煤矸石預先進行分類、加工、處理等，降低綜合利用企業的建設生產成本，提高綜合利用量；引入先進適用性技術，建設煤矸石綜合利用產業園區，形成產業經濟。培養先進骨干企業，增強區域內競爭力，鼓勵技術創新和技術研發，形成以孝義市為中心的煤矸石綜合利用優勢產業的頂端效應，將其打造為國家級的煤矸石綜合利用創新示范基地。

2.3 發展目標

2.3.1 堆存處置目標

煤矸石堆存為目前煤矸石消納的主要途徑，每年壓縮堆存處置量，目標是在2025 年不再新批新建煤矸石堆場。未來將以煤矸石綜合利用產業作為主要消納途徑，配合其煤矸石堆場和“復墾造田”技術，實現物盡其用、“零”固廢。

2.3.2 煤矸石綜合利用目標

以創建國家級的煤矸石綜合利用產業先進性示范基地為目標，采用“治理+利用”的方式，科學合理安排，大力發展煤矸石綜合利用產業，引進全國先進適用性技術單位投資建設煤矸石綜合利用企業。2022 年建成可消納煤矸石年新增量的綜合利用產能配套，2025年建成全國煤矸石綜合利用產業示范基地，實現煤矸石100%資源化利用。

2.3.3 環境、經濟、社會效益目標

到 2022年，形成年處理煤矸石500萬t，培育優勢骨干企業4家，實現綜合利用產值40億，煤炭循環利用產業鏈初具規模。主要污染物排放總量達到國家和省下達的指標要求；環境質量基本達到環境質量功能區劃指標要求和國家與省、市的考核要求。市區PM2.5 年均濃度下降 20%，城市空氣質量優良天數比例提高20%；化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物4項主要污染物完成國家下達的“十三五”總量減排任務。到2025年，形成年處理煤矸石600萬t，規模化、高值化煤矸石綜合利用產業發展格局基本完善，工程技術研發中心建成并投入運行，以資源預處理中心和工程技術研發中心為依托，以現代物流產業和產業服務平臺為支撐的孝義市煤矸石資源綜合利用產業生產運營管理模式基本形成。

3 主要技術

3.1 煤矸石預處理中心

孝義市的煤矸石成分復雜，不同煤層的煤巷矸、選洗加工過程的洗選矸、地下礦的井巷矸、巖巷矸以及泥土混合組成，在煤矸石綜合利用之前必須經過預處理處理后才可利用，這不僅增加了企業經營成本，而且由于處理規模較小，設備技術水平較低，導致原料性質多變，影響產品質量，損害企業效益。建立煤矸石預處理中心，將煤矸石進行集中分類處理，有助于解決煤炭企業新、舊煤矸石混存、混堆的不良現象，也有助于解決洗煤廠煤矸石亂運亂排現象，同時將煤、煤矸石、巖石和廢土進行分離，為煤矸石綜合利用企業提供專業化、標準化和穩定的原材料，實現資源的最大化利用。技術原理及工藝流程如圖3所示。

圖3 煤矸石預處理中心工藝流程Fig.3 Process flow of coal gangue pretreatment center

3.2 規?；眉夹g

(1)煤矸石生產免燒透水磚、透水珠技術。通過設備的底料配料攪拌、面料配料攪拌、彩色顏料配料、計算機控制計量配料、主機成型、傳送、升降、碼垛、全自動控制、監控以及氣動系統等組成。具有高效震動、強制布料、變頻控制、全自動控制，液壓控制、云服務平臺，實現全集成自動化控制—通過 PROFINET 現場總線實現全生產線控制。設備運行參數、故障報警、數據綜合分析等全流程監控。

煤矸石生產免燒透水磚、透水珠技術如圖4所示。

圖4 煤矸石生產免燒透水磚、透水珠技術Fig.4 Technology for producing non-fired permeable bricks and permeable beads from coal gangue

(2)超低熱值煤矸石的循環流化床鍋爐技術。該技術根據煤矸石的不同發熱量，采用混合流速循環流化床和多元內循環流化床相結合的形式，可將熱值在800 kcal/kg 以上的煤矸石鍋爐效率提高到75%以上，并可將燃用熱值超過1 600 kcal/kg 燃料時鍋爐的熱效率提高到 88%以上，實現煤矸石的高效能源化利用。

(3)煤矸石制建筑陶瓷技術。該技術利用燒結磚隧道窯輻射換熱式余熱利用技術，將隧道窯余熱用于生產、生活和發電，實現余熱梯級利用，降低生產成本。將隧道窯950～200 ℃磚坯余熱通過輻射換熱式余熱鍋爐產生2.45 MPa、400 ℃蒸汽，余熱鍋爐利用后的200 ℃以下的低溫煙氣余熱再用于磚坯干燥，在不影響原生產工藝、不增加燃料消耗和不影響磚坯質量的前提下，實現隧道窯余熱的梯級利用。產生的蒸汽直接用于生產、生活或推動汽輪機發電。該技術可實現每年節能量2 萬t，減排約5 萬噸CO2。

(4)煤矸石生產無機纖維保溫材料技術。利用專有設備將煤矸石加工為無機纖維及保溫材料。結合煤矸石自有組分，通過添加復配成分使原料脫水、粘合成型，進熔爐燃燒，根據離心定律以及高壓吹拉成纖工藝，生成無機纖維。煤矸石利用率最高可達到 80%以上，此無機纖維可制成硅酸鋁纖維板、硅酸鋁纖維氈、硅酸鋁纖維繩、硅酸鋁纖維毯等產品。將煤矸石通過專用設備復配成型，替代傳統保溫制品原料。結合煤矸石的自有組分，經過科學配比添加一些復配原料，用固廢循環利用裝置將其脫水黏結成型，可以代替現有保溫制品生產的原料。將煤矸石粉碎并復配加工，壓制成建筑用的發泡磚以及海綿城市專用的透水磚。

(5)煤矸石、陶瓷廢料等制陶瓷滲水磚技術。以濕排粉煤灰、煤矸石、陶瓷廢料、6價鉻渣等固體廢棄物為主要原料，以廢玻璃粉或PVA溶液作黏結劑，用天然植物纖維或無機礦物原料等做造孔劑，采用壓制成形制得陶瓷坯體，在不同溫度下燒成陶瓷滲水磚。關鍵技術：原料配方的設計及優化；顆粒料的顆粒度和顆粒級配；造孔劑的種類及用量的選擇；氣孔率、孔徑大小、孔結構調控。

(6)煤矸石制備復合保溫砌塊技術。該技術采用 EPS 顆粒發泡工序，利用給料機、錘式粉碎機、元盤機、強力攪拌機、硬塑出磚機等裝備將煤矸石和頁巖等制成復合自保溫砌塊。 砌塊干密度不超過800 kg/m3，抗壓強度不低于5.0 MPa，吸水率不超過18%，抗風化性能(飽和系數)不低于0.78。

(7)煤矸石制備生態水泥干混砂漿技術。生態水泥利用煤矸石、粉煤灰、工業廢渣、磷石膏等原料制成，比表面積小，節約能源及運輸成本。產品擁有快凝、穩定性好、強度發揮快、不分施工季節、施工用途廣泛、工程投資低、工作效能高等特點，使生態水泥成本低，適應性強，產品體輕面大，易施工，提高功效。該技術可節省工時2/5，節約人工費100元/d，節約水泥20%。

(8)煤矸石裝配式節能房技術。煤矸石混凝土裝配節能房是以工廠化預制、模塊化構件為主要建筑產品，經裝配、連接而成的結構建筑。其水電暖等管線預留均布排在墻體內，其內外裝飾和保溫一體化主體墻板均以標準的模塊在工廠預制完成，現場組裝完成后，只需少量的作業即可達到拎包入住的條件。有別于傳統住宅建設方式，煤矸石混凝土裝配節能房實行了產業化建設。住宅產業化采用工業化生產作業體系，通過房屋主體結構工裝模具化澆注、部品部件工廠化生產及裝配式施工，大大加快了建設速度。

(9)利用煤矸石制備偏高嶺土基混凝土增強材料。該技術主要圍繞以煤矸石(含煤系高嶺土)為原料制備偏高嶺土基混凝土增強材料，煤矸石經粉碎、精密煅燒獲得高性能偏高嶺土，偏高嶺土經改性復合等材料化制備，獲得高性能偏高嶺土基混凝土增強材料。通過 開展精密控制煅燒技術及關鍵裝備煅燒純化窯研究、改性復合工藝研究、應用研究，形成高性能偏高嶺土基混凝土增強材料制備技術和關鍵裝備集成。

(10)煤矸石制備陶粒技術。該技術利用煤矸石粉煤灰作為原料，采用國際先進的專用生產線：動態燒結陶粒裝備生產線，實現 100%利用固廢，通過科學配比、成核、成球、橫輥篩分、燒結成型為陶粒，具有輕質、高強、比表面積大、耐火保溫、吸水率低，化學穩定、抗滲防腐、吸聲性好、熱聚變性強等特點。

3.3 高值化利用技術

(1)煤矸石制備泡沫玻璃技術。泡沫玻璃生產技術是多種專利技術和成熟的高新技術的集成，在工業化生產中用煤矸石及廢棄碎玻璃作為主要原料，添加少許礦物料及部分化學藥品，經球機粉碎后，裝入標準尺寸的耐熱鋼模具中(650 mm×650 mm×260 mm)，置入全自動控制的燃氣明焰加熱窯內發泡、退火。生產的泡沫玻璃達到了國際先進技術的產品標準。產品特點：由于泡沫玻璃內部具有無數微小氣泡，使之性質不同于普通玻璃，具有密度小、強度高、導熱系數小等物理性質，同時還具有保溫、隔熱、吸 聲、防潮、防水、防火等功能。與其他建筑材料相比，泡沫玻璃克服了珍珠巖、輕質碳酸鈣、泡沫塑料、軟木等存在的種種缺陷，在性價比方面具有較大優勢。

(2)煤矸石制備納米陶瓷微珠。煤矸石研磨粉體+水+分散劑混合，通過球磨機研磨，研磨后與發泡劑攪拌，離心、霧化、干燥、燒結成形。

3.4 煤矸石山治理與生態修復技術

(1)煤矸石膏體泵送充填技術技術。該技術技術所采用的充填骨料為破碎至合格粒度(5 mm 以下) 的煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，管道輸送性能改良劑為粉煤灰和高效減水劑。上述各料在攪拌機中加水進行強力攪拌，形成質量濃度為75%～80%的膏體料漿，經充填工業泵沿充填管道輸送至充填采場進行充填。應用案例：山西某煤礦膏體充填系統設計充填能力為150 m3/h，技術總投資為3 750萬元，替換煤礦資源，經濟效益顯著。

(2)泵送矸石填充技術。將原生矸石在井下集中就地破碎，加入添加劑進行攪拌，然后以矸石輸送泵為動力通過管道輸送充填至采空區的方法。技術特點：泵送矸石充填技術，可使薄煤層、地質構造復雜礦井實現矸石不升井、不上山，實現以矸換煤、綠色開采的目標。

(3)煤矸石制備土壤改良劑。該技術激活煤矸石中微量元素活性，活化其中的層狀結構的物理化學活性，形成可授收多元營養性元素的微囊載體，成為銅、錳、鉬、硼、鍺、硒等活性多元微量元素的植物營養供給體。生產工藝過程是利用雙螺旋設備的強力攪拌和輸送能力，在物料顆粒相互碰撞、翻滾、移動過程中，在不同的部位噴淋酸度調節溶液、元素補充體溶液、造粒介質等，過程緊湊，過程合理，先進而經濟。 技術應用：技術的實施，以年消耗60萬t的煤矸石和廢渣利用為例，能形成3億元以上產值，利潤6 000萬以上。

4 經濟與環境效益分析

(1)經濟效益分析。預計到 2022 年，煤矸石綜合利用產業總投資達到45億元，成為孝義市財政收入新增長點，帶動區域服務業發展，解決煤矸石堆存污染問題，使當地居民生產生活環境大大改善，帶來的間接經濟效益不可估量。煤矸石利用產業發展促進自身產業區發展的同時還將帶動孝義市煤化工園區、固廢綜合利用園區、鋁材產業園的發展，實現園區間協同發展，推動當地陶瓷、建材、耐火材等市場聚集，并且加快城鄉、產業園區、產業帶之間技術、資本、人力等要素的流動，實現空間上資源的循環利用。并且通過煤矸石綜合利用產業技術的引進和研發應用，淘汰落后產能，技術升級換代，煤炭資源循環利用率得到極大提升，推動“介孝汾一體化”建設。

(2)環境效益分析。隨著煤矸石綜合利用產業技術的建設，預計到2022年，煤矸石年綜合利用量達到600萬t，累計利用煤矸石1 700萬t，騰空土地 50 km2，并完成生態環境修復，產生良好的經濟環境效益，極大改善產業區及周邊地區的水、大氣和土壤環境質量；由于部分煤矸石綜合利用技術利用煤矸石，生產過程高效節能，廢氣、廢熱高效循環利用，為節能減排目標做出巨大貢獻；產業區產業結構合理、大量使用清潔能源、污染物集中處理有力，將大大改善區域生態環境，并起到帶頭示范作用，引導市區產業進行循環化改造，促進市區工業循環型產業體系構建，改善市區整體范圍內的生態環境。

5 結語

煤矸石的綜合利用，將會創造大量社會就業機會，提高居民收入水平，并將帶動相關倉儲物流、交通運輸、產業服務、技術研發、金融等服務業的大發展。大幅度地增加城鎮就業和吸納農村剩余勞動力轉移，促進社會安定和諧。煤矸石利用產業建設將推動當地循環經濟的發展，促進當地循環產業、 園區、社會互動互聯關系的構建，帶動當地綠色經濟發展，改善當地生態環境，提高居民生活水平，有利于培養生態文明觀念，建設綠色、和諧孝義。