煤矸石资源化利用途径研究进展

煤矸石资源化利用途径研究进展

摘要：我国是全球煤炭开采量最大的国家，煤矸石是煤炭的一种共伴生矿物，产生于煤炭的开采和洗选加工过程。含有Al2O3、SiO2和Fe2O3等无机灰分，总含量达到煤矸石总量的60%～95%，因难以利用成为我国积存量和年产量最大、占用堆积场地最多的一种工业废弃物，随着煤矸石的产生和堆存量也会逐年增加，也对生态环境造成了严重危害，加大煤矸石的资源化利用是进一步解决其带来的社会、环境和经济等问题的必要途径。

引言

煤矸石是煤炭工业产生的废弃物，我国对其利用率较低，只有其年产量的50%左右，这些堆积的煤矸石占用土地、污染环境。本文介绍了本研究总结了目前煤矸石的资源化利用途径,以便煤矸石资源更好的资源化利用。

1 矿物组成

煤矸石主要有粘土岩类、砂岩类、碳酸岩类、铝质岩类等岩石种类。粘土岩类主要矿物组分为粘土矿物，其次为石英、长石、云母、黄铁矿、碳酸盐等。此外还含有丰富的植物化石、有机质、碳质等。粘土岩类在煤研石中占有相当大的比例;砂岩类矿物多为石英、长石、云母、植物化石、菱铁矿结核等，并含有碳酸岩的粘土矿物或其它化学沉积物;碳酸岩类矿物的组成为方解石、白云石、菱铁矿、并混有较多的粘土矿物、陆源碎屑矿物、有机物、黄铁矿等;铝质岩类均含有高铝矿物三水铝矿、一水软铝石、一水硬铝石等，此外还常含有石英、玉髓、褐铁矿、白云母、方解石等矿物。

2 煤矸石的化学性质

煤矸石的主要化学组成为无机质，有机质仅占极少的部分。无机质主要为矿物质和水，一-般由无机化合物转化为氧化物组成，并含有极其微量的的稀有金属(Ti、V、Co等)同，而煤矸石中含有的有机质主要以煤为主，并随着含煤量的增加而升高，主要包括C、H、O、N、S等元素，通常情况下，含C量越高，煤矸石的发热量越大。由于煤矸石含有较多的活性物质，其在一定条件下，会发生水解，形成板体。煤矸石的化学性质一般呈中性或偏碱性，但是某些含水量较高的煤矸石，会呈强酸性，这是因为煤矸石中含有的一部分活性物质水解造成的。

3 煤矸石利用途径分类

煤矸石的化学元素组成及含量决定了其用途和工业价值。一般，烧蚀量大的热值高，常用于发电；硅含量高的可用于生产建材、陶瓷或微晶玻璃等；铝含量高的可用于提取氧化

铝，生产结晶氯化铝、硫酸铝或铝系絮凝剂。

我国煤矸石的发热量多在6.3 MJ·kg−1以下，其中3.3～6.3 MJ·kg−1、1.3～3.3 MJ·kg−1和低于1.3 MJ·kg−1的煤矸石各占30%，高于6.3 MJ·kg−1的占10%。各地的煤矸石热值差异很大。目前我国煤矸石的综合利用途径主要根据碳含量和发热量的大小来选择。四类煤矸石含碳量大（＞20%），热值较高，常用于发电和供热；二类和三类煤矸石仍含有一定含量的碳，可以在制备建材时利用其部分热值，如煤矸石烧结砖；一类煤矸石碳含量低，难以利用其热值，对其主要采用填埋、铺路等无害化处理。

4 煤矸石资源化利用途径

4.1 回收煤炭

含煤15%以上的煤矸石，可以发电、炼铁、烧锅炉、烧石灰等。回收煤矸石中的煤炭资源，是煤矸石能源利用和其他资源化再生利用必需的预处理工作。目前，回收煤炭的洗选工艺主要有水力旋流器分选和重介质分选。国内外从矸石中回收煤炭方法之一是建立简易选煤厂，采用淘洗选煤方法回收，其商品煤灰也不高，一般作为动力燃料；方法之二采用斜槽分选机，其分选效率高于浮选槽，而且煤矸石还可以作为很好的造煤添加剂。

4.2 制作水泥原料

煤矸石中主要成分是SiO2和Al2O3，它是天然的黏土原料，可以替代黏土进行配料，作为水泥Si和Al质组分的主要来源。可掺入水泥作混合材料，按比例与石膏和熟料混合、磨细用于生产硅酸盐水泥等。利用煤矸石和尾矿代替黏土制备水泥熟料，将煤矸石、尾矿、低钙石灰石按一定的配方配制生料，在1350～1400℃即可完成熟料的烧结过程，可以制备出抗压强度高的水泥。

4.3 制砖

煤矸石制砖既利用了其中的粘土矿物又利用了热量，是大宗利用煤矸石的途径之一。煤矸石制砖工艺技术成熟，已经能够做到用100%煤矸石做原料，不外投任何燃料制取空心砖。采用、消化吸收先进制砖技术和设备，生产煤矸石承重多孔砖、非承重空心砖及外承重装饰砖、广场砖、道路砖等既是利用煤矸石的重要途径，也是国家鼓励的,很有前景。

4.4 用作填筑材料

煤矸石作填筑材料主要是指充填沟谷、采煤塌陷区等低洼区的建筑工程用地,或用于填筑铁路、公路路基等,以及用于回填煤矿采空区及废弃矿井。可利用煤矸石充填采煤塌陷区和露天矿坑复垦造地造田，复垦种植技术。对处于开发早期,尚未形成大面积沉陷区或未终

止沉降形成塌陷稳定区的矿区，可采用预排矸复垦。应推广利用煤矸石充填沟谷等低洼地作建筑工程用地、筑路等工程填筑技术。矸石复垦土地作为建筑用地时，应采用分层回填,分层震压方法充填矸石，以获得较高的地基承载能力和稳定性。利用煤矸石作为复垦采煤塌陷区的充填材料,既可使采煤破坏的土地得到恢复，又可减少煤矸石占地,减少煤矸石对环境的污染。

4.5 制备微生物肥料

煤矸石矿物中含有大量的氮磷钾元素,但在土壤中未解离而不能被植物吸收。利用微生物的降解能力,将氮磷钾元素解离为可被植物吸收的碱解氮、有效磷、速效钾,是微生物肥料的作用所在。目前煤矸石制备微生物肥料所用的微生物菌种主要是巨大芽孢杆菌和硅酸盐细菌两种,巨大芽孢杆菌具有解磷功能,硅酸盐细菌具有解钾和一定的固氮功能,将煤矸石与菌液混拌后,在一定的体系条件下,可生产微生物肥料。细菌接种量、煤矸石的目数、体系的温度、体系的pH值、培养时间等因素会影响肥料中氮磷钾元素的释放量,可结合实际生产条件进行综合考察。除单一菌种外,还可将两种菌种联合使用,以合适的比例制备微生物肥料。在煤矸石制备微生物肥料时,还可以加入一定的矿物混拌,如钾矿、磷矿等富含营养元素的矿物。新型菌种的筛选可以作为煤矸石制备微生物肥料的研发方向。

4.6 其他方面的利用

除上述用途外,煤矸石还可以用于铸造造型砂、粉;用酸浸或树脂富集酸浸溶液等方法来提取镓、锂、钪等稀有金属元素;部分企业还使用煤矸石进行造纸,煤矸石经高温熔融后制成超细无机纤维,制备新型纸张;利用煤矸石还可以制备增白和超细高岭土;另外,煤矸石浆液可用作燃煤烟道气的脱硫剂,其中的硫铁矿可处理含Cr(Ⅵ)废水,活化的煤矸石也可以用来处理废水等。

5 结语

煤矸石的综合开发利用对于节约资源、改善环境、实现可持续发展具有重要意义。我国煤矸石利用技术和水平不高,相对于巨大的煤矸石产生量,现有的产业化利用途径难以满足实际处理需求。依据煤矸石的化学和矿物成分进行分类应用,基于新产品、新技术的高值利用对进一步提高资源利用水平和利用率有重要意义,是煤矸石综合利用的重要发展方向。

参考文献：

[1]李学军,李珠,赵林,王占峰.免烧结煤矸石透水砖的试验研究[J].新型建筑材

料,2019,46(1):72-74.