煤矸石研究综述：分类、危害及综合利用

摘要：煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一,处理不当不仅会占用大量的土地资源,还会对周边环境和居民身体健康造成不利影响。

“双碳”背景下要实现煤炭行业的绿色高质发展,必须要解决煤矸石的处理处置问题。

按照全硫含量、灰分产率、灰成分、碳含量和灰熔点对煤矸石进行了分类,对其物理性质和化学组成进行了分析。

阐述了煤矸石污染环境、污染水土和引发地质灾害等危害的机理,介绍了煤矸石的主要处理方法即物理法、化学法、物理化学法。

煤矸石综合利用途径目前主要有用作建筑材料、发电、熔融烧结、充填采空区、用作肥料等,其中熔融烧结法值得重点关注,因煤矸石中含有大量灰分,该方法可以使灰分得到有效利用,符合“吃干榨净”的理念。

关键词：煤矸石;物理化学性质;综合利用;熔融烧结法;物理法;化学法;物理化学法0 引言中国是世界上能源生产和能源消费大国之一,主要依赖于煤炭,煤炭的长期大规模开采造成了煤矸石的大量堆积。

煤矸石是煤炭开采过程中形成的废弃物,其碳含量较低,且干基灰分超过50%,其年排放量约占煤炭开采量的15%～20%,占中国工业废弃物排放量的25%。

按我国原煤年产量35亿～40亿t计,煤矸石年排放量至少在5亿～8亿t,已成为世界上最大的固体废弃物之一。

据统计,我国现有煤矸石在70亿t以上,而且还在以较快的速度增长。

煤矸石一般采用露天堆放,很多煤矸石山在常温环境下会发生自燃,释放出大量NO x、SO2等气体,不仅污染了空气,还影响了居民的正常生活和身体健康。

此外,煤矸石经风化后,锰、铬、硒、镍、砷等多种微量元素会散布到环境中,进而污染环境和地下水,对周边生态系统造成严重破坏。

有调查显示,我国的煤矸石利用率仅为60%～70%,通过燃烧来利用煤矸石通常会造成二次污染。

因此,开发煤矸石绿色高效利用途径,尽量避免其对生态环境造成不良影响,是我国煤炭行业亟需解决的问题。

基于此,本文在总结煤矸石的分类和特性的基础上,全面阐述其危害机理,详细介绍其资源化利用途径,以期为我国煤炭行业的高质量发展提供参考。

1 煤矸石的分类及特性煤矸石可根据全硫含量、灰分产率、灰成分、碳含量和灰熔点[1,13]进行分类。

1.1 按全硫含量分类煤矸石按全硫含量分类的结果见表1。

表1 煤矸石按全硫含量分类Table 1 Classification of coal gangues by total sulfur content1.2 按灰分产率分类煤矸石按灰分产率分类的结果见表2。

表2 煤矸石按灰分产率分类Table 2 Classification of coal gangues by ash yields1.3 按灰成分分类煤矸石按灰成分分类的结果见表3。

表3 煤矸石按灰成分分类Table 3 Classification of coal gangues by ash compositions铝硅型煤矸石按硅铝比又可分为3个等级(见表4)。

表4 铝硅型煤矸石按铝硅比分级Table 4 Level classification of aluminum-silicon based coal gangues by aluminum-silicon ratios1.4 按碳含量分类煤矸石按碳含量分类的结果见表5。

表5 煤矸石按碳含量分类Table 5 Classification of coal gangues by carbon content in them1.5 按灰熔点分类煤矸石按灰熔点分类的结果见表6。

表6 煤矸石按灰熔点分类Table 6 Classification of coal gangues by ash melting points1.6 煤矸石物理化学性质1.6.1 煤矸石物理性质煤矸石的热值是指煤矸石在特定条件下充分燃烧时释放出的热能,其值随着碳含量和挥发分的提高而上升,随着灰分含量的提高而下降。

我国的煤矸石热值普遍在6 300 kJ/kg以内,6 300 kJ/kg以上的煤矸石仅占10%左右。

煤矸石的熔融性是指煤矸石在特定条件下受热后出现的软化和熔化现象。

通常情况下,灰分熔点与酸碱比呈正相关,与硅铝比呈负相关。

我国的煤矸石灰分中SiO2和Al2O3占了很大比例,所以灰熔点一般较高,可用于制作耐火材料。

粉碎后的煤矸石具有可塑性,粉碎程度越高,其可塑性越好。

风化作用是影响煤矸石硬度的主要因素之一,当煤矸石的硬度在3左右时,风化程度越严重,相应的力学性能越弱。

研究发现,长期的风化作用会使煤矸石的承载力变差,容易使煤矸石地基发生沉缩。

研究了不同地层下煤矸石的性质,发现地层越深,煤矸石吸水率越低、表观密度越大、压碎指标值越小。

1.6.2 煤矸石化学组成煤矸石由多种元素构成,其主要成分是SiO2和Al2O3,还含有Fe2O3、CaO、MgO、K2O等无机物和微量稀有金属元素(Ti、Co等)。

煤矸石中有机质的含量随含煤量的升高而升高,有机质主要包括碳、氢、氧、氮、硫等。

根据ω(Al2O3)和[ω(Al2O3)/ω(SiO2)],煤矸石可分为铝质[ω(Al2O3)>40%]、钙质[ω(CaO)>30%]、黏土岩质[ω(SiO2)=40%～70%、ω(Al2O3)=15%～30%]和砂岩质[ω(SiO2)>70%]煤矸石, 不同类型煤矸石的化学组成和矿物成分见表7。

表7 不同类型煤矸石的化学组成和矿物成分Table 7 Chemical composition and mineral composition of different types of coal gangue2 煤矸石的危害煤矸石一般在室外堆放,不仅会占用土地资源,还会在长期堆放过程中发生自燃、扬尘等现象,对周围环境造成严重危害。

此外,在外力作用下,煤矸石山还可能发生塌方、泥石流等灾害,对生态环境和人民的生命安全造成威胁。

煤矸石的危害主要有污染环境、污染水土和引发地质灾害等。

2.1 污染环境煤矸石中含有一定量的碳,还夹杂着一些燃点较低的可燃物,煤矸石在长期露天堆放过程中,如未压实,空气中的氧很容易进入煤矸石山的内部,经过长期的氧化过程,可燃物会产生大量余热,如不能及时散热,煤矸石山的温度会快速上升,进而导致煤矸石自燃。

自燃过程中,煤矸石会释放出NO x、SO2等有害气体,造成矿区周围空气中有害气体含量超标。

据统计,我国现有2 000余座煤矸石山,其中超过1/5的煤矸石山存在自燃现象。

此外,煤矸石在堆积、转运、加工等过程中容易产生扬尘,在没有采取有效措施的情况下会严重污染矿区空气质量,影响矿区周边居民的身体健康。

2.2 污染水土煤矸石灰分中含有少量的Ti、Co等金属元素以及Hg、Cr等重金属元素,在露天堆放过程中,经过长期的风吹日晒,煤矸石可能会分解释放一些有害重金属元素,然后随雨水流入地表水和地下水,污染附近水源,直接危害矿区周边居民身体健康。

此外,流入水体的重金属元素再通过径流、入渗等方式扩散到土壤中,并长期积累,会改变土壤的pH,打破土壤中微量重金属元素的平衡,破坏土壤养分,阻碍植物的光合作用,严重者可能会造成植被死亡。

2.3 引发地质灾害煤矸石山容易引起塌方、爆炸、滑坡等地质灾害。

由于矿区周边大部分煤矸石山为自然堆积,山体结构松散,如煤矸石山的堆积角过大,在雨水、山洪作用下极易失稳,引发塌方、爆炸(其中含有大量可燃气体)和滑坡等灾害,有可能造成严重的人员伤亡和经济损失。

3 煤矸石资源化利用现状及存在的问题我国煤矸石产生量逐年增加,2021年煤矸石产生量约为7.43亿t,相比上一年增长了5.84%。

2016-2021年我国煤矸石产生量见图1。

图1 2016-2021年我国煤矸石产生量Fig.1 Output of coal gangue in China from 2016 to 2021数据来源:《2021-2022年中国大宗工业固体废弃物综合利用产业发展报告》不同聚煤阶段沉积的含煤地层的岩性和矿物成分不同,煤矸石的成分也不同,呈现出一定的区域差异。

由于成分差异较大,煤矸石的综合利用途径也不同。

在资源节约、能源利用、生态保护、污染防治等政策要求和相关激励机制的支持下,煤矸石综合利用途径越来越多。

目前,煤矸石在建筑、发电、农业和回填]等领域得到了广泛应用。

多年来,研究人员一直致力于开发大规模有效利用煤矸石的方式。

我国超过一半的煤矸石用于土地复垦,其中三分之一用于发电,其余用于生产建筑材料。

近几年我国煤矸石综合利用率在60%以上,与国外发达国家的水平较为接近,但在高值化利用方面仍存在较大差距。

3.1 化学法处理煤矸石煤矸石用作建筑材料或回填等属于低价值利用方式,浪费了其中的硅铝等元素。

在资源不断减少的大趋势下,应积极探索煤矸石高值化利用方式,如制备分子筛、回收有价元素等。

以煤矸石为原料,制备了NaX型分子筛,用于吸附Cd2+,优化实验条件后其吸附效果良好。

煤矸石中除了含有大量的硅、铝资源,还含有锂、镓等稀土元素,提取有价元素的方法主要有吸附法、萃取法和络合沉降法。

]采用吸附法提取煤矸石中的锂,利用酸浸活化煤矸石,然后采用锰系离子筛吸附溶液中的锂,对酸浸条件和离子筛进行优化后,锂的浸出率在79%以上,吸附率在99%以上。

对稀有元素的提取,不仅能保护环境,还可以缓解资源短缺问题。

目前在高值化利用过程中,存在原料和添加剂利用率低等问题,容易污染环境,还需要在现有的工艺基础上持续改进。

3.2 物理法处理煤矸石砂石指的是砂粒和碎石的松散混合物,由于具有良好的硬度和稳定的化学性质,常被用作优质的建筑材料。

有研究表明,砂石是仅次于水资源的全球第二大资源,人类对砂石的依赖性较强,所以应该重新考虑对其的开采和使用方式,并将其视为一种战略性资源。

目前我国建筑市场用到的砂石主要来自机制砂石,用煤矸石来代替砂石,不仅能缓解资源紧缺问题,还能有效利用煤矸石。

将破碎后的煤矸石代替路基材料和混凝土材料中的机制砂石,探讨了不同条件对路基材料和混凝土材料力学性能的影响,验证了煤矸石代替机制砂石的可行性。

但煤矸石强度较低,耐水性差,矿物组成和粒度分布因产地的不同而存在差异,这些都会对煤矸石路基材料的性能造成影响[38],且目前对煤矸石的研究远远落后于实践,未来还应加强对煤矸石力学性能的基础研究。

3.3 物理化学法处理煤矸石3.3.1 用作建筑材料煤矸石用作建筑材料主要有以下几种方式:制砖、制水泥、作轻骨料等。

建筑材料的生产通常需要在600～1 000 ℃下燃烧,从而去除黏土矿物中的碳和结构水。

近些年,煤矸石烧制的空心砖、烧结砖等已广泛应用于建筑行业,随着对国外先进技术的吸收和创新,煤矸石砖的质量和功能得到了很大提升。

煤矸石制砖的工艺流程见图2。

但是煤矸石在煅烧过程中会产生NO x、SO2等污染物并释放到环境中,对人类健康构成威胁。