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煤矸石的综合处理

1绪论

1.1煤矸石的简介

1.1.1煤矸石的产生

煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石，是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，排放量相当于煤炭产量的10%左右。

目前，我国煤矸石已累计堆存约45亿吨，占用土地约115万公顷，每年还新产生3.0亿~3.5亿吨煤矸石[1]。

煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。

在我国，煤矸石大部分自然堆积存，堆放于农田、山沟、坡地，且多位于煤矿工业广场附近。

煤矸石的产地分布和原煤产量有直接关系。

目前，我国煤矸石年排放量超过400万吨的有东北、内蒙古、山东、河北、陕西、山西、安徽、河南、新疆。

煤矸石排放量比较多的地区集中在北方。

煤矸石来源及产生情况大致为：

露天开采剥离矸石及采煤巷道掘进排出矸石占45%，采煤过程中选出的矸石占35%，选煤厂产生的矸石占20%。

1.1.2煤矸石的分类

煤矸石的资源化分类基于煤矸石岩石类型、矿物成分、化学组成和矸石中有用组分的品味及物理化学性质。

由于各地煤矸石成分复杂，物理化学性质差很大，加之不同的煤矸石加工利用方向对煤矸石的化学组成及物理化学特性要求不一样，目前，国内外尚无科学、统一的分类标准。

常用的分类方法[2~3]有以下几种。

（1）按煤矸石的来源分类

按煤矸石的来源可分为煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸和剥离矸六大类。

（2）按煤矸石的岩石类型分类

按煤矸石的岩石类型一般可分为粘土岩矸石、砂岩矸石、粉砂岩矸石、钙质岩矸石和锡质岩矸石等。

（3）按煤矸石中碳含量分类

按煤矸石中碳含量的多少可以分为四类：

一类＜4%，二类4%~6%，三类6%~20%，四类＞20%。

一类、二类煤矸石可作为水泥的混合材、混凝土骨料和其他建材制品的原料；三类煤矸石可用作生产水泥、砖等建材制品；四类煤矸石宜用作为燃料。

（4）按煤矸石中铁化合物含量分类

按煤矸石中铁化合物的含量分为：

少铁的＜0.1%、低铁的0.1%~1.0%、中铁的1.0%~3.5%、次髙铁的3.5%~8.0%、高铁的8%~18%、特高铁的＞18%。

铁含量的高低也决定和影响煤矸石的热加工工艺方式和工业利用范围。

（5）按煤矸石中铝硅比分类

按煤矸石中铝硅比（Al2O3/SiO2）可将之分为三个区段。

铝硅比大于0.5，这种矸石主要特点是含铝量高，含硅量相对较低。

铝硅比为0.5~0.3，其特点是铝、硅含量都适中。

选择以0.3为下界，是因为在此分界线以上的煤矸石可作为生产铝系列产品的原料。

铝硅比＜0.3，矸石特点是桂含量比锅含量相对高得多。

1.1.3煤矸石的化学组成

煤矸石是多种岩块的混合物，其成分相当复杂，从化学组成上看，煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物。

构成煤矸石的元素达十多种，一般以SiO2、Al2O3为主要成分，另外含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O等无机物，以及微量的稀有元素（钛、钒、钴等）[4]。

煤矸石的化学成分极不稳定，不同地区的煤矸石成分也不一样，见表1。

表1煤矸石的化学成分

组成

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

TiO2

P2O3

C

含量%

30~65

15~40

2~10

1~4

1~3

1~2

1~2

0.5~4

0.05~0.3

20~30

2煤矸石对环境的影响

2.1煤矸石对大气环境的影响

煤矸石中含有碳、硫、氮和一些残煤等可燃物，长期露天堆存，煤矸石山内部的热量逐渐积累，当温度达到可燃物的燃点时便可发生自燃[8]。

煤矸石山自燃时，其内部温度为800~1000℃，自燃过程中产生大量的SO2、NOX、H2S等有害气体，其中以SO2为主。

此外，煤矸石自燃还会产生许多严重危害环境的多环芳烃类有机污染物；它们以气相形式或吸附于微细粉尘烟尘中排入大气，加剧大气污染。

这些有害气体的排放不仅降低煤矸石山周围的环境空气质量，影响周围居民的身体健康，还影响周围的生态环境，使树木生长缓慢、病虫害增多，农作物减产甚至死亡[9]。

2.2煤矸石对水体环境的影响

煤矸石除含有和以及铁、猛等常量元素外，还含有铅、镉、汞、砷、铬等有害的微量重金属元素[10]。

煤矸石在露天堆放情况下，经受风吹、日晒和雨淋等风化剥蚀作用，其中的有毒重金属元素可能通过雨水淋溶进入地表水域或渗入土壤，进而通过土壤渗入浅层地下水，使地下水和地表水的可溶盐类总量增大，情况严重的会使水质酸化。

煤矸石淋溶液不仅污染煤矸石堆积区，还会通过各种水力联系发生污染转移，从而大范围的影响工农业生产，特别是对水产养殖业的危害更重。

其中铅、镉、汞、砷、铬等有害的微量重金属元素会通过食物链进行富集，最后进入人体，引起急、慢性中毒。

2.3煤矸石对土壤环境的影响

煤矸石的堆积多位于井口附近，紧邻居民区，侵占大量耕地、林地、居民用地和工矿用地[11]。

煤矸石在风化过程中可分解成部分可溶盐，导致土壤盐渍化，影响农作物的生长。

更严重的是许多煤矸石中的有害重金属元素高于土壤中相应成分含量，这些有害重金属元素，经雨水淋溶后渗入土壤，其淋溶液所携带的部分重金属元素浓度远超国家污染物最高允许排放标准，从而破坏了土壤中的有机养分，增加了土壤中重金属含量。

2.4煤矸石对地面环境的影响

大多数煤矿煤矸石的堆积未经设计，其堆放极不正规，基本是自然堆积成堆，露天堆放，矸石山堆积过高，坡度过大，在人为开挖、雨水冲刷作用下容易失稳引发泥石流、坍塌以及滑坡等重力灾害[12]。

特别是经过长时间的风化、氧化或雨水渗透浸泡后，煤矸石所含的残煤和粘土膨胀松软，颗粒细化，荷载能力显著降低，便容易形成重力灾害。

3煤矸石资源化利用现状

目前中国主要是从两方面来解决煤矸石的环境污染问题：

a）通过一定措施来控制煤矸石产生的物化作用，但是这种方法的弊端是需要投入大量资金，利用率并不广泛；b）综合利用煤矸石，通过减少煤矸石地面堆积量来达到治理环境污染的目的，这种方法可以为中国带来巨大的经济效益[5]。

煤矸石综合利用途径主要有资源回收利用与工程利用两种：

a）资源回收利用。

煤矸石虽然是煤矿建设、开采及加工过程中产生的废弃岩石，但是也分很多类，要回收利用煤矸石，首先要分类堆放煤矸石，减少资源利用回收所需的成本；

b）工程利用。

要对煤矸石进行工程利用，可以将煤矸石作为一种充填材料使用，利用煤矸石进行填充的地方可以是塌陷区、铁（公）路（构筑路堤、挡土墙）、水利（构筑堤坝）、工民建（地基垫层）等众多的土木工程领域[2]。

中国将煤矸石作为充填材料进行利用，将煤矸石作为路基填料及路面基层集料的方法，通过不断研究与工程实例发现，虽然煤矸石有颗粒级配缺陷与水稳性差的特性，但是只要在利用煤矸石的过程中掺入一定量的细颗粒，将煤矸石充分压密与土质包边，煤矸石仍然可以作为路堤填料进行塌陷区、铁（公）路（构筑路堤、挡土墙）、水利（构筑堤坝）、工民建（地基垫层）等的填充；煤在没有风化时候的煤矸石具有与粉煤灰相似的化学活性成份，因此，掺入适量粉煤灰、石灰等，也可以作为高等公路路面基层材料进行填充[6]。

4煤矸石的能源化利用及工艺

4.1回收煤炭

对混在煤矸石中的煤炭资源可以利用现有的选煤技术加以回收，这也是煤矸石能源化利用和其他资源化再生利用的预处理工作。

在煤矸石资源化再生利用前，回收其中的煤炭既节约能源，又增加经济效益。

目前，回收煤炭的洗选工艺主要有两种：

水力旋流器分选和重介质分选。

水力旋流器分选是将含碳量高的煤矸石经定压水箱后进入旋流器，进行煤炭颗粒和矸石的分离，再经过脱水后形成精煤[4]。

该工艺特点是机动灵活，可根据需要把全套设备搬运到适当地点。

其工艺流程示意图见图1。

图1煤矸石水力旋流器分选工艺流程示意图

4.2煤矸石制4A分子筛

4A分子筛是一种人工合成沸石，属于含水架状铝硅酸盐类。

近年来，它在

我国的石油、化工、冶金、电子技术、医疗卫生等方面应用广泛。

特别是作为添加剂来代替洗衣粉中的三聚磷酸钠，具有去污能力强、洗涤效果好等优点。

用于生产4A分子筛的煤矸石要求其在矿物组成上以高岭石矿物为主，Al2O3含量高些为佳，其碱（Na2O+K2O）含量不宜大于5%[4]。

煤矸石制4A分子筛的一般工艺流程示意图见图2。

图2煤矸石制取4A分子筛工艺流程示意图

4.3煤矸石制含铝产品

利用煤矸石制取含铝产品一直是煤矸石资源化利用在化工方面的一个重要体现。

利用煤矸石制取出来的含铝产品有:

纳米Al2O3、超细氧化铝粉、结晶氯化铝以及含铝无机高分子絮凝剂（IPF）等，其中煤矸石制取IPF最早的产品是聚合氯化铝（PAC），经过半个多世纪的发展，现在已经研究出絮凝效果更好的聚硫氯化铝（PACS）、聚硅酸铝盐（PSA）、聚合氯化铝铁（PAFC）、含活性硅酸的聚合氯化铝铁（SPAFC）、聚合硅酸硫酸铝（PASS）等[7]。

煤矸石生产含铝产品工艺流程示意图见图3。

图3煤矸石制取含铝产品工艺流程示意图

5煤矸石的综合利用途径

煤矸石综合利用集资源合理利用、节约能源、环境保护为一体，是煤矿的优势不仅可以形成煤矿新的替代产业和经济增长点，还能拉长煤炭深加工产业链，促进煤炭工业结构的调整。

正是基于煤矸石的上述优势，近几年来，在国家鼓励煤矸石综合利用一系列政策的引导下，煤矸石发电、煤矸石新型墙体材料等行业得以蓬勃发展。

5.1固体废弃物的处理原则

首先，要实现固体废弃物排放的最佳控制，把排放量降低到最低程度。

对于不可避免地要排放的固体废弃物，要进行综合利用，使之再资源化。

目前条件下不能再利用的，要进行无害化处理，最后合理地还原于自然环境中。

在处理和处置过程中，应防止二次污染。

对于必须排放的固体废弃物也应妥善处理，使其安全化、稳定化、无害化，并尽可能减少其容积和数量[13]。

5.2煤矸石的综合利用途径

国家《煤矸石综合利用技术政策要点》指出，煤矸石综合利用以大宗量利用为重点，将煤矸石发电、煤矸石建材及制品、复垦回填以及煤矸石山无害化处理等大宗量利用煤矸石技术作为主攻方向，发展高科技含量、高附加值的煤矸石综合利用技术和产品。

5.2.1用煤矸石发电和造气

一般利用热值大于3768.12J/kg的中炭至高炭煤矸石作燃料，通过循环流化床锅炉燃烧发电。

我国已有一批煤矸石电厂在运转之中。

如新汶集团公司自1995年以来，先后投资1.98亿元，相继建成了协庄、华丰两座矸石热电厂。

总装机容量36MW，年发电1.8亿kW·h，实现年利税2881.3万元，年利用矸石32.72万吨，同时安置人员780人。

为了治理煤矸石燃烧释放的SO2，两个矸石电厂均采用了循环流化床锅炉，燃烧中脱硫效率较高，同时使用了水膜除尘脱硫工艺，大大减少了矸石燃烧时对环境的污染。

造气用的煤矸石一般要求炭为70%～80%，发热量为4186.80～5024.16J/kg。

煤矸石煤气炉造气原理与一般煤气发生炉基本相同。

所得煤气的热值可达2930.76～4605.48J/m3。

5.2.2利用煤矸石制砖

1）利用煤矸石生产煤矸石砖

利用煤矸石制砖包括用煤矸石生产烧结砖和作烧砖内燃料。

泥质和碳质煤矸石质软、易粉碎，是生产煤矸石砖的理想原料。

用煤研石粉料压制成的坯料．要求塑性指数在7～l7之间，塑性指数过高的，要掺加瘦化剂；塑性指数过低的．砖坯子不能成型，焙烧后的废品率也高。

煤矸石的发热量要求在2l00～4200KJ/kg屯之间，发热量过低需加煤．以免砖欠烧；发热量过高时易造成砖过火。

煤矸石制砖是以煤矸石为主要原料，煤矸石一般占坯料重量的80％以上，有的全部以煤矸石为原料，有的外掺拂腾炉渣或少量粘土。

该生产工艺是将{某矸石破碎后，配以适当的石灰按粘土砖或蒸气葬护砖的生产工艺加工而成。

除煤矸石需要粉碎外，其工艺与粘土砖生产工艺基本相同。

下图是以自燃煤矸石和沸腾炉渣为原料生产煤矸石蒸养砖的生产工艺流程。

煤矸石作为砖内燃料，在我国已有较长的历史，应用非常广泛．生产技术成熟，节能效果显著。

2）利用煤矸石生产砌块

煤矸石空心砌挟，是以自燃或人工煅烧煤矸石作为骨料，以磨细生石灰、石膏作腔结料，经振动成型，煤矸石空心砌块生产工艺简单，技求成熟，产品性能稳定，使用效果良好。

煤矸石砌块是用煤矸石腔结料和煤矸石粗、细骨料制成。

煤矸石腔结料是用人工煅烧的或自燃的煤矸石，加少量石敷、石膏配成，采用这种腔结料，并选用适宜的生矸石作粗、细骨料．可以生产煤矸石空心砖块，也可以生产煤矸石加气块做墙体材料。

同红砖相比，这种材料具有自重轻、利用系数高、节省材料、节省劳力、降低劳动强度、提高工效、降低墙体造价和降低建筑造价等优点。

5.2.3用煤矸石制取碱式氯化铝和水玻璃

据研究，可用煤矸石在同一工艺过程中，制取碱式氯化铝和水玻璃。

将煤矸石破碎、煅烧、酸溶和过滤，滤液中的氯化铝经加碱调整盐基度就可得到合格的液态碱式氯化铝。

滤渣中的SiO2与加入NaOH的反应，在120～150℃的温度下，在反应釜中反应2～3h，然后在贮存池中沉淀，滤去不溶物，滤液浓缩后便得到水玻璃。

该工艺产生的残渣含有大量活性物质，可用作建筑材料，如作为水泥配料，对于有些煤矸石原料，还可从残渣中提取金属元素。

5.2.4煤矸石制取聚合氯化铝

据报道，以煤矸石为原料，用酸溶法制取聚合氯化铝技术已成熟，其工艺流程可分为破碎、焙烧、连续酸溶、浓缩结晶、沸腾分解和配水聚合等工序。

目前用该方法生产1t聚合氧化铝的总成本为741.45元，税金为135元，而市场售价可达1350元，即每吨产品利润可达473.55元。

生产过程中，酸溶产生的残渣可用作水泥配料，或制成水玻璃等产品。

5.2.5用煤矸石制取硫酸铝

用煤矸石制取硫酸铝的工艺比较简单，主要工序是破碎、酸解、过滤提纯、蒸发结晶和脱水烘干。

其成品是十八水硫酸铝（Al2（SO4）3·18H2O）。

目前，采用本工艺生产1t硫酸铝成本为1523元，按售价2100元计，减去税收210元，每吨产品的利润为367元，产品质量符合中华人民共合国化工行业一级品标准（HG/T-92）。

5.2.6用煤矸石配制水泥

煤矸石已被广泛用于水泥生产，利用煤矸石代替粘土生产水泥，水泥中煤矸石含量可达30%，煤矸石的掺入可使每吨熟料（非标准煤）煤耗由475kg降至378kg，每年可节煤11640t。

熟料台时产量由6.54t提高到8.33t，而且吨熟料电耗下降6.93kW·h。

煤矸石还可用于配制速凝早强水泥。

以煤矸石、石灰石、萤石、石膏和铁矿粉为原料，采用高铝矸石加复合矿化剂的配料方案，生产出的速凝早强水泥已达到国家建材标准（JC314-82），符合“快凝快硬硅酸盐水泥”（双快的-150）的技术指标。

5.2.7用煤矸石生产肥料

煤矸石中含有大量的有机质和丰富的、植物生长所需的稀有元素，也是携带固氮、解磷、解钾等微生物的理想原料基质和载体。

用含岩岩矸石生产的有机复合肥料和微生物肥料，施于田间可以增强土壤疏松、透气能力，改善土壤结构，起到一定的增产效果。

如重庆煤炭研究所利用煤矸石制取氨水，产品除氢氧化铵外，还含有亚硫酸铵、碳酸铵和磷、钾等，属于复合肥料。

北京市勘察院与中国地质大学合作，利用煤矸石生产高浓度有机复合肥，具有速效和长效的特点，适用于各种农作物的土壤。

5.2.8煤矸石的其它用途

除了上述用途外，煤矸石还被用来生产新型工业填料，用于泡沫、人造革、薄膜、橡胶工业制品和涂料等。

可取代轻钙、碳黑和立德粉等。

高硫煤矸石可用于生产硫磺和硫酸；一些煤矸石还可用作陶器原料和耐火材料。

此外，岩矸石暂时不能加工利用的，可以充填塌陷区或埋填造地。

在山区，岩矸石可以充填山沟，修筑矸石重力大坝，拦泥淤地，既利于水土保持又可造山间平地。

6结语

随中国科学技术不断发展及煤矸石对土地资源的占用、对环境的污染，人们逐渐认识到必须将煤矸石作为可利用的资源进行利用处理。

将煤矸石作为原材料广泛应用是非常可行的一种煤矸石综合治理和合理利用方法。

近几年，随煤矸石作为煤矿井下填充材料，取得明显效果。

面对目前中国国内资源日益紧缺、自然环境污染严重的局面，节约资源、保护、治理自然环境成为中国面临的问题。

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