一、概述
煤矸石是煤炭在形成過程中與煤炭共生、伴生的一種脈石礦物，在煤炭洗選和加工過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物。我國矸石產(chǎn)量占原煤總產(chǎn)量約為15%~20%，目前積存已達(dá)到70億t，占地面積為70km2，且每年以1.5億t的速度增長，在工業(yè)固體廢棄物的總量的40%以上。堆積煤矸石占用了大量的土地，并且會在土地中釋放大量的有害元素，煤矸石的綜合利用已不容懈怠。
煤炭被稱作是工業(yè)的糧食，對于現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)來說，不管是輕工業(yè)還是重工業(yè)，煤炭都占據(jù)著不可替代的地位。因此，煤矸石的產(chǎn)量也在不斷上升，如何把煤矸石良好的利用是我們目前必須要解決的問題，目前國內(nèi)外對煤矸石的研究與利用，主要集中在以下幾個方面，煤矸石用于發(fā)電，生產(chǎn)化工產(chǎn)品，用作填充物，用作耐火材料、合成陶瓷，合成高效能復(fù)合外墻外保溫材料，制成磚用作建筑材料等。到目前為止，煤矸石已經(jīng)被廣泛利用。由于很多原因，國內(nèi)的煤矸石利用率任然很低，只能達(dá)到30%左右，每年的處理量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排放量，在綜合利用中，煤矸石的發(fā)熱量在4500~12550 kJ/kg范圍的可用于發(fā)電，雜質(zhì)含量低而氧化鋁含量高的煤矸石可用于化工生產(chǎn)。比如硫酸鋁、結(jié)晶氯化鋁、4A篩、氫氧化鋁、白炭黑、炭黑、等鋁質(zhì)材料。盡管如此，但煤矸石的處理量還是比較低，因此，煤矸石處理的新工藝有待進(jìn)一步的開發(fā)。
煤矸石中富集著很多有用成分，如果可以將其充分利用，不僅能將煤矸石變廢成寶，而且能減輕對環(huán)境的污染，還能節(jié)省大量的空間，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。
二、煤矸石的特性
煤矸石在化學(xué)成分上主要是由無機(jī)質(zhì)組成，主要的無機(jī)質(zhì)主要包括Al、Si、O、Fe、Ca、Na、Mg、K、P、Ti以及重金屬和稀土元素等，其中SiO2和Al2O3所占比重最大SiO2一般占到40%~60%，Al2O3大約在15%~30%。
三、煤矸石綜合利用技術(shù)
1.煤矸石用于制備建筑材料
將煤矸石與粉煤灰、水泥、磷渣、以一定的比例混合，可以制成復(fù)合保溫徹塊，其徹塊密度能夠達(dá)到1160kg/m3，抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到5.5MPa，符合GB/T15229－2011的標(biāo)準(zhǔn)。此外用煤矸石燒制成的燒結(jié)磚強(qiáng)度高、裝飾性好，并且其強(qiáng)度在30 MPa以上，可以用在飯店、賓館以及別墅上作為藝術(shù)墻建材，也可將其用來綠化廣場道路、鋪設(shè)道路和人行道，且其質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)能有很好的應(yīng)用在鋪設(shè)停車場墊層方面。也可以將煤矸石通過一級粉碎、混合攪拌，二級粉碎、陳化、成型、干燥、焙燒制作成空心磚，該磚不僅熱惰性大而且在具有較好的保溫性能。煤矸石燒結(jié)空心磚、多孔磚、是節(jié)能型墻體材料的一種，可以代替實(shí)心黏土磚用在永久性建筑。該產(chǎn)品具有抗震性能好、自重輕、施工周期短、強(qiáng)度高，綜合造價低以及隔音、保溫、隔熱等特點(diǎn)，因此在市場上有著很好的效益。
2.活化煤矸石用作水泥混合材
造成活性差異的主要原因是熱活化對煤矸石礦物結(jié)構(gòu)及其組成，取自某地區(qū)四處煤礦的煤矸石，將其標(biāo)為分別為建設(shè)(JS)、桂花(GH)、金河(JH)、王莊(WZ），把4種樣品放在105℃的烘箱中干燥2h，粉磨后通過80μm篩子，再分別送樣XRF、XRD、熱分析進(jìn)行檢測分析。采用機(jī)械熱力復(fù)合活化工藝，選擇合適的工藝參數(shù)，活化煤矸石的可行性分析在用作水泥混合材方面，并分析煤矸石水泥活性與其結(jié)構(gòu)組成。具體活化步驟如下：將4種原狀煤矸石經(jīng)破碎，然后在球磨機(jī)中統(tǒng)一粉磨1小時，然后在不同溫度下的電阻爐中煅燒2小時自然冷卻至室溫制得試樣，將其密封保存?zhèn)溆谩⒚喉肥?0%的摻量代替水泥，按GB/T 17617—1999成型、并測試試件的力學(xué)性能、養(yǎng)護(hù)試件。也能以電石渣作為礦化劑，對采對煤矸石進(jìn)行增鈣煅燒活化處理方法。借助SEM-EDS、XRD、游離氧化鈣膠砂和強(qiáng)度測定等分析方法來評定煤矸石被激發(fā)的活性效果。
3.煤矸石粉填充聚丙烯復(fù)合材料
塑料制品將煤矸石粉用作填料，不僅降低塑料的成本，還可以使廢棄的煤矸石得到有效利用。如果聚合物填充煤矸石后性能可以得到有效的改善，這不僅能節(jié)約能源還能變廢為寶。通過試樣制備、性能測試、熔體流動速率、拉伸性能、沖擊性能、比基本功和比非基本功的測定后，得到當(dāng)煤矸石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時，二元復(fù)合材料的熔體流動性和拉伸屈服強(qiáng)度影響較小，當(dāng)煤矸石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%時，試樣的沖擊強(qiáng)度下降較大，當(dāng)加入改性劑PP-G-MA大約5%時，粒子的煤矸石與基體PP間的界面黏合較好，二元復(fù)合材料的PP-G-MA明顯低于三元復(fù)合材料的WE，之后PP-G-MA含量再增大，WE值又有顯著降低，而三元復(fù)合材料的WP則僅在二元復(fù)合材料的WP上下略波動，但其二元復(fù)合材料與塑性功WP均有較明顯提高。
4.用煤矸石代替鋁土礦提取氧化鋁
煤矸石中硅、鋁主要以高嶺土的形式存在，活性很低，國內(nèi)外學(xué)者為了增強(qiáng)煤矸石反應(yīng)的活性，通常采用石灰燒堿結(jié)法或酸溶解法來使煤矸石活化。用石灰燒結(jié)法來提取Al2O3，熟料溶出過程會直接影響煤矸石中Al2O3的溶出率，如果恰當(dāng)控制好條件，不僅能降低二次反應(yīng)，還能提高Al2O3的溶出率。二次反應(yīng)是指熟料在溶出的過程中，溶液中的硅酸鈣分解產(chǎn)物與溶解出來的鋁酸鈉反應(yīng)，生成難溶物水化石榴石和水合鋁硅酸鈉并形成固相。使用正交試驗(yàn)方法對溶出過程優(yōu)化和煤矸石進(jìn)行活化可以有效控制二次反應(yīng)的進(jìn)行并提高A2O3的溶出率。
5.煤矸石用于發(fā)電
煤矸石是混合物，含有碳和其他可燃物質(zhì)，從而可作燃料使用。目前我國煤矸石的發(fā)熱量大多低于6300 kJ/kg以下，其中1300~3300 kJ/kg、3300~6300 kJ/kg以及低于1300 kJ/kg的三個級別各占0.3，高于6300 kJ/kg的僅僅只占10％，而用于發(fā)電的煤矸石其發(fā)熱量要求到達(dá)6270 kJ/kg以上。由此知，大部分的煤矸石都不符合要求，仍有大多數(shù)的煤矸石被浪費(fèi)。煤矸石燃燒后剩余的爐渣和廢灰，由于具有較高的化學(xué)活化性能，從而可用作農(nóng)業(yè)原料、建材、化工等加以合理的利用，這樣可減少對環(huán)境的再次污染。目前利用煤矸石發(fā)電已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，具取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及社會效益等。
6.煤矸石用做肥料
煤矸石可以通過化學(xué)的方法用于生產(chǎn)化肥，主要是生產(chǎn)微生物和有機(jī)肥料，將含有較高有機(jī)質(zhì)的煤矸石打成粉后和過磷酸鈣按照要求比例混合，再加入活化添加劑且攪拌，加入適量的水，從而形成有機(jī)化肥。煤矸石制成的有機(jī)肥不但有利于增加土壤的通透性和疏松性而且能夠提高土壤肥力等眾多作用。
7.煤矸石用于造氣
內(nèi)蒙古某公司高溫?zé)峤饷喉肥?0萬t/a通過利用HTCW。主其建設(shè)目的為處理現(xiàn)在及過去填埋的煤矸石60萬t/a；新建了10組高溫?zé)峤鈿饣癄t和其配套的2×25 MW余熱鍋爐。
四、存在的問題及發(fā)展方向
目前國內(nèi)煤矸石每年用于發(fā)電的利用率為10%~40%，自2010年以來，用于發(fā)電的煤矸石占到煤矸石利用總數(shù)的33%左右，在這發(fā)電的煤矸石中含有煤矸石總產(chǎn)量的21%和可入低熱值燃料爐的21%，煤矸石用于發(fā)電具有很大的發(fā)展空間，其次，將煤矸石用于填埋、以及筑路和充填采空區(qū)、燒磚等是最主要的處理方式，占到總處理量的50%~80%之間，占到煤矸石生產(chǎn)總量的30%左右，而煤矸石用在建材方面的處理能力是比較低的，僅僅占總處理量的13%左右，每年煤矸石的仍然以8%的速度增長，其堆存數(shù)量仍再繼續(xù)增大。這些研究表明，目前煤矸石的資源利用比較低，此外，目前主要以煤炭企業(yè)的處理和消納煤矸石為導(dǎo)向，煤矸石的資源化利用水平不高，煤炭企業(yè)對此承受著巨大的負(fù)擔(dān)。
造成這些問題的主要原因是各種利用途徑的產(chǎn)業(yè)鏈短，利潤小。開發(fā)高附加值利用技術(shù)，不僅可以擴(kuò)展煤矸石利用途徑，還能提高煤矸石的利潤空間，充分調(diào)動非煤企業(yè)的投資，進(jìn)一步提高煤矸石利用的社會化比例，是讓“無害化”向“資源化”轉(zhuǎn)變的方法，此外，進(jìn)一步提高煤矸石的綜合利用率以及利用水平，使煤矸石資源利用的重要切入點(diǎn)。
煤矸石是在一種可以利用的資源，如果不能良好的利用不僅會對環(huán)境造成污染也是一種對資源的浪費(fèi)，對煤矸石有以下幾種利用途徑。
1.根據(jù)煤矸石的熱值的差異用于能量系統(tǒng)，熱值大于8.36 MJ/kg的用于發(fā)電、供熱，熱值在(6.27~8.36)MJ/kg的可用于電廠發(fā)電，熱值在4.18~6.27MJ/kg的可用于回收低熱值煤做燃料。
2.根據(jù)生產(chǎn)利用系統(tǒng)可以用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)，在農(nóng)業(yè)上用于煤矸石的復(fù)墾，農(nóng)作物種植、園林綠化。在工業(yè)上可用于制磚瓦、水泥、空心砌塊等建筑材料。
3.根據(jù)工程利用系統(tǒng)可用于平鋪路、充填采空區(qū)、充填塌陷區(qū)，能夠充填壓實(shí)穩(wěn)定路基，減少地表下沉，充當(dāng)工程材料。
4.根據(jù)回收系統(tǒng)可以用化工方法和直接分離法，化工上可以用于提取氯化鋁、明礬和一些稀有元素，可以利用直接分離法直接分離出優(yōu)質(zhì)煤、劣質(zhì)煤和黃鐵礦，優(yōu)質(zhì)煤可用于鍋爐燃料、劣質(zhì)煤可用于建筑材料、黃鐵礦可用于化工原料。
5.根據(jù)工藝?yán)孟到y(tǒng)可將煤矸石加工利用生產(chǎn)陶制工藝品。
此外，還可以將煤矸石用于制造水泥，既節(jié)約能源又保護(hù)環(huán)境，通過研制煤矸石能量觸發(fā)劑，可以制成內(nèi)能燃料，還能將其制成高強(qiáng)度的水泥砂漿，還能將煤矸石與過氧化氫、氫氧化鋁和陶土粉制成復(fù)合型阻燃發(fā)泡劑，還能制成粉狀煤矸石發(fā)泡劑，煤矸石的利用方向和方法很多，在很多方向都有著廣闊的前景。
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