举例分析煤炭企业煤矸石的综合利用

举例分析煤炭企业煤矸石的综合利用白兵李富平（河北理工大学资源与环境学院，河北唐山，063009）摘要：煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废物。

堆积成山的煤矸石山是矿区的主要污染源之一，对矿区和周围区域的生态环境造成较大的破坏。

本文概述了矸石山的危害，并举例对煤矸石的综合利用进行了论述。

关键词：煤矸石；生态环境；综合利用煤炭企业在生产过程中产生的主要固废是煤矸石，它是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废物。

目前煤矿的排矸量约占煤炭开采量的10%-25%，已成为我国累积堆积量和占用场地最多的工业废物。

全国煤矸石的总积存量约45亿吨，而且仍在逐年增长，矸石山几乎成为我国煤矿的标志。

同时，由于矸石中含有残煤、碳质泥岩、碎木材等可燃物质，在长期露天堆积后，往往会发生自燃现象，并排放出大量的CO、C02、SO2、H2S、NO x和CmHn等有害气体，给周边环境带来了一系列的危害。

此外，煤矸石兼有煤、岩石、化工原料的性质。

因此，煤矸石又是一种可利用资源，若能对其综合利用，不但能改善矿区环境，还能节约资源、减少占地，从而促进矿区的可持续发展，对于构建资源节约型、环境友好型社会起到积极的作用。

1、煤矸石对矿石的危害煤矸石山的自然堆放对矿山造成的危害及污染是巨大的，主要表现在以下几个方面：侵占土地。

矸石山堆存占用了大量的土地资源，不但造成土地资源浪费，而且还破坏了矿区原有的生态系统结构，破坏矿区自然景观，引发矿区周围的社会问题。

引发火灾。

矸石山是自然堆积而成，结构疏松，透气良好，矸石中含有硫、碳、水分等，其中硫为可自燃物质，碳为可燃物质，二者构成矸石山的自燃基础，由于与空气接触，硫化铁发生氧化，氧化反应为放热反应，产生的热量日积月累使矸石山内部的温度不断上升，当温度达到煤的燃点(一般为360℃)时，便可将矸石中的煤点燃，从而使矸石山产生自燃。

加上风力的作用引发火灾。

污染空气。

矸石山自然产生大量的有害气体对大气造成污染，同时，在矸石的堆放过程中，风化的粉尘也会严重污染矿区的空气。

污染水源。

煤矸石的主要成份有碳、氢、氧、硫、铁、铝、硅、砷、汞、铅、铜、锌、氟、氯等微量及痕量有害元素。

矸石山的长期堆放，在雨水的淋溶过程中，部分有害元素会随雨水转入地表和地下水体，构成对水体的污染，由于水体的迁移，还会使污染不断向周围扩大。

污染土壤。

煤矸石中的重金属元素，在雨水的淋溶下进入土壤，造成土壤的污染。

煤矸石中主要的重金属元素为锌、铅、铜、镉等，在长期的淋溶过程中，煤矸石中的重金属不断向周围土壤迁移富集，进入土壤的重金属，大都停留在土壤表层，并通过植物根系的摄取而迁移进入植物体内，再通过食物链进入人体或动物体内。

2、煤矸石的综合利用与实例煤矸石综合利用是根除矸石山灾害事故最彻底的方法。

近年来，我国煤矿尤其是国有重点煤矿，在煤矿矸石综合利用方面取得了一定的成绩与经验。

(1)利用煤矸石发电。

我国已成功研制出煤矸石、煤泥混烧的循环流化床锅炉，解决了不同低热值燃料混合供烧的技术难题。

煤矸石发电厂主要利用热值在 6.27MJ/kg-8.33MJ/kg（1500～2000kcal/kg）以上的洗矸、半煤岩巷排除的掘进矸石。

目前，煤炭系统多采用流化床燃烧技术，采用最多、技术成熟的为35t/h、75t/h的循环流化床锅炉。

我国利用煤矸石发电已形成一定规模。

全国煤矿已建成煤矸石电厂128座，总装机容量约2×106kW，发电量约1.2×1010kWh，占矿区用电的30%，全国煤矸石电厂盈利4亿元以上。

每年发电实际消耗煤矸石约1200～1800万t。

利用煤矸石发电是综合利用煤矸石的一条重要途径，不但可以节省好煤，缓解煤矿电力紧张局面，而且灰渣还可以生产建材，消除二次污染，是一项绿色环保工程，其经济效益、社会效益和环境效益都十分显著。

黑龙江鸡西滴道矸石电厂是我国第一座容量最大的煤矸石电厂。

先后安装了三台我国自己研制的130吨/时流化床锅炉和两台2.5万KW汽轮发电机组，每年燃烧煤矸石约60万吨，发电2.2亿度。

重庆永荣矿务局是全国首家利用煤矸石沸腾炉发电的单位，核定装机容量2万KW。

从1978～1994 年已发电12亿KW·h，耗用煤矸石等低热值燃料200 万吨以上，生产灰渣砖4亿块、水泥20多万吨。

建成于上个世纪末期的山东新汶协庄煤矿矸石热电厂效益尤为突出。

目前发电量保持1.6亿KW·h以上，年消耗煤矸石30万吨。

同时还建起了免烧砖厂，每月生产免烧砖30多万块，消耗粉煤灰6000吨。

又将炉渣用作建材原料和铺路，用灰渣替代沙子用于井下喷浆等等。

该矿煤矸石热电厂建成后，实行热电联供，年节约原煤4万吨，少支付电费1.2亿元以上，节省煤矸石堆放占地25亩，安置待业和下岗人员733人。

既节约了资源，又收到了良好的社会、经济和环境效益。

(2)生产煤矸石建材及制品。

煤矸石用作建筑材料的近年发展很快，利用的途径也日益增加，主要用于煤矸石制砖、空心砌块、水泥原料、轻集料等诸多方面。

目前我国煤矸石制砖工艺、炉窑设计、生产设备基本接近发达国家水平，煤开石制砖企业正在向集约化、大型化方向发展，产品由实心砖向多孔砖和空心砖方向发展。

如山东新波矿业集团等单位建成煤矸石砖生产线20多条，每条生产线的能力均在6O(K)万块/年以上。

煤矸石制作水泥。

把煤矸石应用水泥工业的研究，国内外已作了大量的工作。

目前，煤矸石在水泥生产中的应用越来越多，生产出的水泥产品品种也在不断扩大和更新。

煤矸石制轻骨料和陶粒。

由碳质页岩或选煤厂排矸，经破碎磨细加水成球，用烧结机或回转窑工艺焙烧，矸石球膨胀，冷却后即成煤矸石轻骨料。

在烧制轻骨料时，煤矸石中的SiO2含量在55%～65%，Al2O3含量在13%～23%为佳。

对于易熔组分，CaO+MgO的含量宜在1%～8%，Na2O+K2O的含量宜在2.5%～5%。

Fe2O3和C是煤矸石的主要膨胀剂，前者含量宜在4%～9%，后者含量宜在2%左右。

用煤矸石烧制的轻骨料性能良好，可配制200～300号混凝土，它具有容重轻、吸水率低、强度高的特点，适于作各种建筑预制件。

山东新汶矿务局泰山机械公司开发生产的真空硬塑制砖机，以煤矸石、粉煤灰为原料，利用煤矸石自身的发热量进行焙烧，生产出了承重空心砖和非承重空心砖。

该产品符合国家对新型墙体材料的要求，具有广阔的发展前景。

山西阳泉矿务局用该地自然煤矸石为骨料，配入矸石砂、硅酸盐水泥制成200—300号煤矸石混凝土，其物理性能和质量符合有关规定。

用自然煤矸石生产的混凝土比普通混凝土的密度低20%，是高层建筑的优质材料。

山西潞安矿业公司新型墙体材料厂建成了国内产量较大、自动化程度较高的煤矸石制砖生产线，每年可以生产1.3亿块标准砖，处理煤矸石30万吨。

生产的煤矸石砖强度高、热阻大、隔音好，可降低建筑物墙体厚度，减少用砖量。

同时由于外观整洁、抗风化能力强、色泽自然，可以省去抹灰、喷涂等工序，降低建设和维护成本，与传统粘土砖相比有着更高的性价比和更强的市场竞争力，其经济效益和生态效益都非常显著。

(3)利用煤矸石为原料生产农用肥料，在国内外已得到应用。

利用煤矸石生产农肥，依照原理和工艺的不同，主要生产煤矸石有机复合肥、煤矸石微生物肥料和煤矸石改良土壤。

煤矸石生产有机复合肥料。

煤矸石中有大量炭质页岩或炭质粉砂岩，其中有机质含量在15%～20%，并含有丰富的植物生长的所必须的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素，一般比土壤中的含量高出2～10倍。

选用含有机质较高的这类煤矸石经粉碎并磨细后，按一定比例与过磷酸钙混合，同时加入适量的活化漆剂，充分搅匀，并加入适量水，经充分反应活化并堆沤后，即成为一种新型实用肥料。

这种肥料还可在治化后，掺入氮、磷、钾元素，制成全营养矸石肥料。

煤矸石有机复合肥含有丰富的有机质和微量元素，并有较大的吸收性，有明显的增产效果。

煤矸石有机复合肥属于长效肥，随着颗粒风化，其中养分陆续析出，在2-3年内均有肥效。

这种肥料生产加工简单，原料易选易得，投资省，回收周期短，产品多样化，成本低廉。

煤矸石微生物肥料。

煤矸石和风化煤中含有大量有机物，是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的基质和载体，因而可以作为微生物肥料，又称菌肥。

以煤矸石和廉价的磷矿粉为原料基质，外加添加剂等，可制成煤矸石生物肥料，主要以固氮菌肥、磷肥、钾细菌肥为主。

与其他肥料相比，它是一种广谱性的生物肥料，施用后对农作物有奇特效用。

制作简单，耗能低，投资少，生产过程不排渣，进厂是煤矸石等废品，出厂是成品肥料。

南票矿务局与中国农科院合作开发的“金丰牌”微生物肥料，就比较有名气。

山东龙口矿物局与北京田力宝科技研究所开发生产的田力宝微生物肥料，取得了很好的社会效益和经济效益。

(4)利用煤矸石复垦塌陷区、修路等取得了较好的社会效益和环境效益。

煤矸石在充填塌陷区、修路、水土保持、作物种植等技术上也取得较大突破，有效地提高了矸石和土地的利用率。

山东新汶矿业集团累计利用200多万吨煤矸石，来治理流经矿区的柴汶河两岸采砂坑和部分矿井开采塌陷区，复垦开发土地500余亩。

淮北矿区是具有40多年开采历史的老矿区，40多年来，仅集团公司所属各矿，因采矿造成的土地塌陷面积就达13万多亩。

近10多年来，淮北矿区对煤矿塌陷地进行了综合治理，不断总结出“以复代征”、“以地易地复垦”、“将塌垫塌复垦”、“挖深垫浅”和“矸石、粉煤灰充填”等“还田于民”的多种方式，先后消除矸石山10座，实现了社会、经济、环境效益的统一和矿区的可持续发展。

(5)煤矸石制取新型材料。

煤矸石合成碳化硅（Sic）。

碳化硅材料以优异的高温强度、高导热率、高耐磨性和耐腐蚀性在磨料、耐火材料、高温结构陶瓷、冶金和大功率电子学等工业领域广泛应用。

工业上生产碳化硅以石英砂、石油焦碳或优质无烟煤作原料，在Acheson炉中经高温电热还原生成碳化硅，是一项高耗能、高污染工业。

经大量研究表明，用高硅煤矸石与烟煤作原料，用Acheson工艺合成Sic，与传统原料相比其反应速度快且反应温度低，代替了石英砂和大部价格较贵的石油焦碳，并可降低能耗和生产成本。

如西安交通大学用硅质煤矸石与烟煤混合为原料，实现合成β-Sic；武汉工业大学材料工程系用硅质煤矸石和无烟煤为原料，经碳热还原合成了β-Sic-Al2O3复相材料。

这为煤矸石综合开发利用提供了新途径。

煤矸石为原料合成4A沸石。

国内生产4A沸石的方法主要是以NaSiO3和NaAlO3为原料进行水热合成，原料成本较高。

根据煤矸石的主要成分为SiO2和Al2O3这一特点，曲阜师范大学化学系利用山东北宿煤矿高铝煤矸石作原料，酸浸除铁，合成4A沸石，白度可达95%以上；地矿部天津地矿所利用煤层成功的合成了!%沸石，其产品质量，性能指标均达到美国、日本等国内同类产品规格；郑州轻工业学院等，用煤矸石合成4A沸石的新工艺，制备了优良的洗涤剂助剂4A沸石。