煤矸石处置与综合利用研究

现今时代，国家对于实现谈碳中和目标出台了诸多扶持政策，需要依仗各个行业的共同努力。在土木工程发展进程中，对采煤和洗煤过程中排放的大宗固体废弃物煤矸石的资源化应用是该领域为响应碳中和碳达峰作出的努力，如将煤矸石制备成微晶玻璃、混凝土用于路面基层和砌体材料等新型材料。煤矸石来源于煤炭开采，数量庞大，约为煤炭开采量的10%～25%，年排放量约计8亿t以上，历年产生的煤矸石堆存量高达50-60亿t。全国煤矸石山约有2000多座，不但占用大量土地，还直接污染地下水、空气和土壤，是亟需治理的重大污染源。作为工业固体废物中排放和堆存量最大的一种可利用的废物资源，我国煤矸石的综合利用率则不足其排放量的15%，煤矸石的综合利用是煤炭行业的一大难题，将煤矸石循环利用生产绿色节能环保材料将是行之有效的途径。

1.引言

煤矸石因地制宜综合利用，对深入贯彻习近平生态文明思想、五次来陕讲话精神及对内蒙古重要讲话重要指示批示精神，坚持生态优先、绿色发展理念，有效提高资源利用水平，促进工业经济高质量发展具有重要意义。

2.煤矸石的理化性质

煤矸石是一种煤层伴生的黑灰色沉积岩，成分复杂，矿物成分主要是粘土矿物和石英，如高岭石、蒙脱石、伊利石、石英砂、长石、云母类和绿泥石类；化学成分以SiO₂和Al₂O₃为主，其次是Fe₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、K₂O、Na₂O和稀有元素。煤矸石硬度约3MohS，抗压强度在300～4700Pa之间，干基灰分大于50％，颗粒密度2.10～2.90g／CM3，吸水率为1.2％～4.5％，吸水性较强；当含硫量大于3％、含碳量大于20％、大量堆放且空气比较干燥时煤矸石会发生自燃。煤矸石的成分不同，其用途也不同。20世纪60年代以来，我国学者先后对煤矸石用于发电、建材、路基铺设、回填、造土、制备各类化工用品等方面进行深入研究。其中，回填、道路建设和土地复垦等约55％，发电约30％，建筑约12％，有价元素提取仅3％。我国煤矸石中SiO₂含量38％～67％、Al₂O₃含量16％～33％、Fe₂O₃含量小于20％、CaO含量小于5％、MgO含量小于7％；此外还有少量的TiO、Na₂O及稀土元素等物质，烧失量3％～25％，具有一定的回收价值。

3.煤矸石处置与综合利用策略

（1） 微晶玻璃

微晶玻璃常用原料有石英砂岩、长石、方解石、纯碱、金属氧化物、碳酸钡、氧化钙、碳酸钾、钛白粉及其它添加剂等，是多组分的复杂体系。通过科研团队对某集团公司矿区煤矸石的综合分析，除主要成分外含有一定量的微量成分，都是制备微晶玻璃的有益元素。该集团公司大部分矿区煤矸石烧失量较小，在7%左右，和普通矿石尾矿烧失情况接近，设计配合料煤矸石占比例高达70%以上，且组分中硅铝含量90%，是制备微晶玻璃非常好的原材料。同时科研团队已攻破微晶玻璃配套系统窑炉的特征、空间传热特性、温度场、流场及熔制气氛的相互关系；研究窑炉结构与热传导、能耗分配之间的影响关系。整个生产全过程废物排放少，实现了清洁生产，具有环保节能、生产规模大、成本低、性能高等优势。符合国家可持续发展的要求。依据《建筑装饰用微晶玻璃》（JC/T 872-2019），对该集团公司生产产品进行了相关检测，其性能优良，优于国标、行标，符合绿色建材标准，完全能够满足建筑装饰行业各个领域应用需求。随着国家黄河流域生态保护和高质量发展重要指示精神以及生态文明建设和供给侧改革的背景下，石材、瓷砖等传统建材行业以牺牲环境为代价的发展方式不可持续，以煤矸石等固废为主要原料生产微晶玻璃既可以提升建材行业供应端的品质，还可以解决长期以来困扰工业企业发展的诸多环境保护问题。据相关资料预测，在未来5年内，全国将有30%的石材矿山将被禁止开采，约有20亿m2的陶瓷产能因为环保问题被停产而退出市场，微晶产品将有机会占领传统建材因环保问题而腾出的市场空间。可以预见，在政策和市场的双重推动下，煤矸石制微晶玻璃将会进入一个快速发展的阶段。

（2）. 资源化应用

A. 砌体材料

以煤矸石为主要原料制备的新型煤矸石混凝土是一种具有轻质减震、保温隔热和吸声降噪等诸多优点的无机建筑材料，例如，煤矸石泡沫混凝土、煤矸石玻化微珠混凝土、煤矸石加气混凝土及煤矸石陶粒混凝土。用KD-1发泡剂制备的煤矸石泡沫混凝土强度较高，且潮湿环境下煤矸石泡沫混凝土的抗压强度不降反升。煤矸石较优掺量为66%，发泡剂较优掺量为40mL，制品强度较高，质量较好。用煤矸石粗集料制成煤矸石玻化微珠保温混凝土，其热工性能良好，技术上符合绿色建筑材料的要求。以煤矸石和粉煤灰为主要原料制备加气混凝土，其制品性能符合《蒸压加气混凝土砌块》（GB11968-2006）规定的要求。新型煤矸石混凝土不仅可用于对性能要求不同的砌体结构，还大量节省天然集料。

B.煤矸石路基填料

*节省土地资源。在高速公路路基填筑中采用煤矸石作为填料，能够减少传统路基填料的开采，降低耕地损失，有效控制因公路建设带来的水土流失问题。

*减少大气污染。煤矸石在一定条件下会发生自燃现象，释放出二氧化碳、二氧化硫等有害物质，严重污染周边空气。将煤矸石用于路基填料，能够避免煤矸石发生自然现象，减少有害气体排放量，改善煤矸石生产区域的空气质量。

*保护水环境。煤矸石受到雨水浸泡会产生酸性淋溶水，此类水为重金属污染性水，当淋溶水渗入土壤、汇入地表水后，会造成严重的水环境污染问题。而将煤矸石用于路基填料可以避免此类问题发生，减轻煤矿区域的水体污染。

（3） 发电

煤矸石发电主要是将煤矸石固体颗粒投入锅炉，在气流作用下增加与空气接触面，提高其燃烧效率。煤矸石发电始于20世纪70年代，经过40多年的发展，截止到2019年底，煤矸石、煤泥资源综合利用装机规模约有3000万kW。2019年煤矸石电厂消耗煤矸石量达到至1.51亿t，占煤矸石利用总量的28.8%，回收利用能量折合标煤4700万t。随着CFB（Circulating Fluidized Bed）发电理论和技术水平的进步，如今矸石电厂已经解决了受热面磨损、炉内燃烧稳定性、有毒有害气体排放超标等问题。例如，2020年9月，国信平朔电厂660MW超临界低热值煤发电项目顺利通过168h满负荷运行，运行期间机组SO2的排放小时均值为19.96mg/Nm3，NOx的排放小时均值为28.97mg/Nm3，粉尘排放小时均值为0.86mg/Nm3，排放指标均远低于超低排放标准要求。

4.煤矸石推广应用相关建议

建立煤矸石综合利用工作协调机制，统筹各部门的规划与政策制定、执法监管的安排部署等工作，形成齐抓共管的工作格局。建议设立煤矸石综合利用产业发展专项基金，采用股权、债权投资、有偿使用、融资担保等方式投资煤矸石综合利用项目。引导政策性融资担保机构按照市场化原则，对煤矸石综合利用企业融资性贷款提供担保支持。支持煤矸石产量大的矿区试点建立综合利用示范基地，并给予政策倾斜。加大招商力度，联合各行业组织、协会，面向国内一流企业开展精准招商，积极引进优势龙头企业。加大煤矸石综合利用相关法律法规、政策宣传力度，提高企业对煤矸石综合利用的思想认识。

5.结语

我国煤矸石资源丰富，利用前景广阔，但不同区域煤矸石各有差异，需采用不同方法合理利用。推进煤矸石的综合利用可以有效调节绿色发展与矿山产业发展之间的矛盾，充分发挥煤矸石资源化的属性。