煤矸石及其資源化利用研究進(jìn)展

楊依民，孔德順

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的煤矸石堆積量超過(guò)70億噸，煤矸石山超過(guò)2000座；這些煤矸石山的堆積不僅浪費(fèi)土地資源，而且堆放的過(guò)程中易發(fā)生自燃，在產(chǎn)生大量黑煙和CO2的同時(shí)會(huì)分解出少量的有機(jī)硫化物，并在空氣中反應(yīng)形成硫酸霧，而在雨水的長(zhǎng)期沖刷下煤矸石中的重金屬等元素分解出來(lái)，進(jìn)入地表以及地下水，改變土壤成分、污染地下水[1-2]，使土壤不適合綠色植物存活，對(duì)水環(huán)境造成破壞，最后經(jīng)過(guò)生物循環(huán)對(duì)人類的身體健康造成危害。

1 煤矸石的性質(zhì)

1.1 煤矸石的物理性質(zhì)

煤矸石是一種與煤層共生的灰黑色巖石[3]，其含碳量比普通煤炭低，但硬度高于煤炭的硬度，一般情況下多砂巖高于多頁(yè)巖的硬度，在4～5，而多頁(yè)巖的硬度在2～3。煤矸石被歸為沉積巖類，是因?yàn)樗怯啥喾N礦物構(gòu)成的混合物[4]。另外煤矸石的含水率在20%～25%，塑性指標(biāo)在2.5～3.5，耐火度在1250～1350℃，黏度約為1.1[5]。

1.2 煤矸石的化學(xué)性質(zhì)

煤矸石的主要化學(xué)組成為無(wú)機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)僅占極少的部分。無(wú)機(jī)質(zhì)主要為礦物質(zhì)和水，一般由無(wú)機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為氧化物組成，并含有極其微量的的稀有金屬（Ti、V、Co等）[6]，而煤矸石中含有的有機(jī)質(zhì)主要以煤為主，并隨著含煤量的增加而升高，主要包括C、H、O、N、S等元素，通常情況下，含C量越高，煤矸石的發(fā)熱量越大。由于煤矸石含有較多的活性物質(zhì)，其在一定條件下，會(huì)發(fā)生水解，形成板體。煤矸石的化學(xué)性質(zhì)一般呈中性或偏堿性，但是某些含水量較高的煤矸石，會(huì)呈強(qiáng)酸性，這是因?yàn)槊喉肥泻械囊徊糠只钚晕镔|(zhì)水解造成的[7]。

2 煤矸石的資源化利用

我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，我們的煤炭產(chǎn)量占全球煤炭總產(chǎn)量的1/2左右，煤炭在開(kāi)采、洗選和加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固廢煤矸石，煤矸石成為產(chǎn)量第二的工業(yè)固體廢棄物[8]，而煤矸石的排放量與煤炭的產(chǎn)量具有一定的關(guān)系，大概和煤炭產(chǎn)量的10%～15%相當(dāng)。煤矸石同時(shí)具有“廢渣”和“礦物”兩種屬性，是因?yàn)槊喉肥怯啥喾N礦物組成的混合物，如此一來(lái)，解決煤矸石污染問(wèn)題和煤矸石綜合應(yīng)用就成了煤矸石資源化利用的研究方向。

2.1 煤矸石的分類

煤矸石成分復(fù)雜并且由于產(chǎn)地的不同組成成分差距也比較大，這就造成產(chǎn)地不同的煤矸石的各項(xiàng)性質(zhì)也不相同，而對(duì)煤矸石綜合利用的各種方法對(duì)煤矸石的各項(xiàng)性質(zhì)的要求也不同；因此，對(duì)于煤矸石的資源化利用來(lái)說(shuō)，對(duì)煤矸石進(jìn)行科學(xué)合理的分類具有至關(guān)重要的理論和實(shí)踐意義，其意義主要體現(xiàn)于最大程度的對(duì)煤矸石的綜合利用，并基于其分類依據(jù)對(duì)煤矸石進(jìn)行分類堆放，避免了煤矸石亂堆亂放對(duì)壞境的污染，為煤矸石的綜合利用提供了便利。

2.2 提取有價(jià)元素

煤矸石的主要礦物組成有：碳酸鹽類礦物、黃鐵礦、黏土類礦物、鋁土礦物、云母、石英、長(zhǎng)石、碳質(zhì)和植物化石等。礦物以Al和Si為主要組成元素，除此以外還含有數(shù)量不等的Fe、Ca、Mg、S和P，以及微量的稀有金屬（如Ti、V、Co等），在煤矸石中的隨C含量的增加有機(jī)物的含量也隨之升高，其主要元素組成包括C、H、N和S等[9-10]。因此，分離出煤矸石中的有價(jià)元素并對(duì)其進(jìn)行高附加值的利用成為大量處理煤矸石的重要方式。

連明磊等[11]以顆?；钚蕴繛榛罨瘋鳠峤橘|(zhì)來(lái)解決活化煤矸石的問(wèn)題，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在微波功率為680W，活化時(shí)間為20min時(shí)，70目的活性炭和200目的煤矸粉的質(zhì)量比在高于2以后的Al、Fe的浸出率基本不變，且其Al、Fe的浸出率為750℃下焙燒2h的1.5倍左右。他們還運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的方法創(chuàng)建了顆?；钚蕴俊喉肥巯到y(tǒng)在不同微波場(chǎng)中的升溫模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索分別建立了活性炭顆粒和煤矸石粉的“棗糕”動(dòng)力學(xué)模型，其中活性炭的“棗糕”動(dòng)力學(xué)模型方程為θA=0.8708-0.8708e-0.384t，而煤矸石的“棗糕”模型動(dòng)力學(xué)方程為θB=1-1.808(-e-0.384t-0.384t)ln1.808，并在實(shí)驗(yàn)中模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)所測(cè)值擬合良好，這與傳統(tǒng)高溫焙燒的方法相比較，連明磊等采用的以活性炭顆粒作為活化傳熱介質(zhì)來(lái)輔助活化煤矸石的方法不僅大大縮短了活化時(shí)間（從2h縮短到24min），而且節(jié)約能源，還提高了有價(jià)元素的浸出率，從提取方面提高了煤矸石的利用率，提高了煤矸石的利用效果，促進(jìn)了煤矸石的資源化利用。

聚硅酸硫酸鋁鐵相對(duì)于常規(guī)的絮凝劑來(lái)說(shuō)，具有制備工藝簡(jiǎn)單、制造成本低、制造效率高、污泥體積小、電中和作用強(qiáng)、礬花大易沉降、有良好的吸附架橋和沉淀網(wǎng)捕功能等優(yōu)點(diǎn)，從一面世就在污水處理方面得到廣泛應(yīng)用。劉成龍等[12]以煤矸石為主要原料，通過(guò)酸浸得到含有鐵、鋁硫酸鹽的混合物，在混合物中加入一定量的雙氧水值得PAFS，再通過(guò)浸取廢渣得到活性硅酸鈉，最后將PAFS與活性硅酸鈉復(fù)合共聚得到PAFSS； 并且通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出最佳的實(shí)驗(yàn)方案：共聚溫度30℃，共聚時(shí)間15min，VPAFS∶VNa2Sio3=4∶1，wNa2Sio3=20%。該研究進(jìn)一步拓展了煤矸石的應(yīng)用途徑，并為PAFSS的制備提供了大量的廉價(jià)原料，降低了污水處理的成本，這對(duì)于煤矸石的綜合利用有著極大的促進(jìn)作用。

2.3 煤矸石發(fā)電

煤矸石發(fā)電也是對(duì)煤矸石利用的一種重要途徑，由于煤矸石含有煤及其他可燃物，故可當(dāng)作燃料來(lái)進(jìn)行發(fā)電。我國(guó)多采用煤矸石與煤泥、焦?fàn)t煤氣等低熱值燃料單獨(dú)或混合使用的方式，多采用大型循環(huán)流化床鍋爐[13]。煤矸石發(fā)電屬于低熱值發(fā)電技術(shù)，一般將發(fā)電廠建在燃料地，如此一來(lái)，不僅解決了煤礦上用電緊張的局面，還避免了燃料的長(zhǎng)途運(yùn)輸，防止煤矸石侵占土地，污染環(huán)境。煤矸石燃燒后產(chǎn)生的爐渣和廢灰具有比較好的化學(xué)活性，可作為其他煤矸石綜合利用方面的原料加以利用，避免了對(duì)環(huán)境的二次污染[14]。迄今為止，我國(guó)的煤矸石發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)良好，煤矸石發(fā)電技術(shù)趨于成熟，這對(duì)煤矸石的綜合利用是一個(gè)很大的進(jìn)步，在社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境方面產(chǎn)生了十分顯著的效益。

2.4 煤矸石制建筑材料

目前為止，對(duì)煤矸石利用最徹底的方法就是制作建筑材料，這也是我國(guó)對(duì)煤矸石應(yīng)用最廣泛的途徑。煤矸石制磚是使用煤矸石中含有的少量有機(jī)物的自燃，已達(dá)到節(jié)約原料煤的目的[15]，由此可知煤矸石制磚需要未自燃過(guò)的煤矸石。煤矸石磚的各項(xiàng)性能與傳統(tǒng)的黏土磚相比更加具有優(yōu)勢(shì)[16]，并且煤矸石含有的少量的有機(jī)質(zhì)的燃燒還可以為制造過(guò)程提供一定的熱量，達(dá)到了低熱值燃料資源化利用的目的，節(jié)約了能源消耗。部分煤矸石和黏土的成分相近，故可以代替黏土制造水泥，由于煤矸石中的三氧化二鋁含量較高，所以在制造過(guò)程中加入適量的石膏[17]。煤矸石制作建筑材料不僅可以降低建筑材料的制作成本，還可以消耗大量的煤矸石，減少煤矸石的堆積，避免土地的浪費(fèi)，防止環(huán)境污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.5 煤矸石填充采空礦區(qū)

利用煤矸石就近填充被采空的礦區(qū)，可以是大量的煤矸石在礦井下直接使用[18]，減少煤矸石的運(yùn)輸，并且有效的解決了地表塌陷和沉降的問(wèn)題，減少了煤矸石對(duì)方對(duì)土地的浪費(fèi)，杜絕了其對(duì)大氣、土壤及地下水的污染[19]。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)更多煤矸石利用的新技術(shù)，可以更大的促進(jìn)煤矸石的資源化利用，使煤礦企業(yè)的產(chǎn)業(yè)更加多元化，提高了煤礦企業(yè)承受風(fēng)險(xiǎn)的能力；同時(shí)煤矸石的高附加值得利用還可以緩解煤矸石對(duì)環(huán)境及社會(huì)造成的壓力，在促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等方面具有十分重要的意義。