煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望

煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望

桑颖慧、王嘉琦、李蓉、任志钧

山西省建筑科学研究院集团有限公司，山西太原，030001

摘要：煤矸石对周围环境的危害非常大，会引起污染问题。介绍了煤矿行业产生的固体废物及其危害，提出了针对固体废物采取的综合治理措施，尤其是针对矸石山的温度监测、矸石山的灭火、矸石山的加固改造、矸石山的绿化，有效改善了周围环境的污染问题。

关键词：固体废物;污染;生态环境;危害;防治;

煤矸石是煤矿在生产过程中产生的，包括了多种氧化物。目前，很多煤矿开采、生产区的煤矸石以露天堆积为主，长期堆积容易发生氧化反应，散发热量。热量积聚会自然排放有毒有害气体，导致环境遭到污染。煤矸石长期露天堆积，还会经过雨水浸泡之后使其中的化学成分渗透到地下水中，引发水土污染。

1 研究背景及意义

当前，我国的煤炭能源依然占比较大，中国作为以煤为主的大国，在煤矿生产中产生的大量煤矸石处理与再利用问题日益引起重视。在此基础上，本文通过调查研究提出了煤炭资源开发的新思路。当前，国内的煤矸石堆积量较大，因为过多堆积，造成大量土地资源被糟蹋，随着时间推移，这些堆积物经过风化作用，还会挥发有害气体，形成有害物质，对人民的生命安全构成极大威胁。所以，对煤矸石资源的合理开发与利用已成为我国的重要课题。

2 存在的问题

(1）利用能力参差不齐，存在区域问题。煤矸石主要集中在西部地区等煤炭基地，其产业发展相对滞后，利用率较为低下。如果将山西等地区的煤矸石运往东南等地区，从经济层面考虑并不可行，煤矸石综合利用存在严重的区域问题，且矸石利用产业发展极不平衡。

(2）利用规模小，处理处置利用不规范。煤矸石排放量大，其利用量小于产生量，导致矸石不断堆积，占用土地资源，污染生态环境。以山西省为例，经调研发现，许多煤炭企业面临矸石无处堆放、库容已满的严峻情况，同时用来堆存的土地审批困难，造成土地资源紧缺。

(3）利用技术落后，技术创新动力不足。我国对煤矸石利用方式主要采用低水平、低价值的利用技术，技术创新驱动力不足，严重制约矸石产业的发展。

(4）资金投入不足，鼓励机制和政策有待完善。缩小区域之间发展差距、研发新技术，需要足够的资金支持。煤矸石利用相关的税收、财政、土地供应等政策统筹力度不够，缺乏长效的鼓励机制，导致企业对矸石利用的内生动力不足。同时综合利用的整个研发和利用周期较长，产生效益的周期也较长。

3高值化利用方法

3.1 提取化工产品

煤矸石中含有丰富Si、Al和Ca等元素，还有少量的Ni、B、Be、Ti、Ga等稀有元素。煤矸石作为这些化工元素提取的廉价原料，可制备铝系、硅系等高附加值化工产品。当煤矸石中Al2O3含量大于35%时，可利用此类煤矸石代替铝土矿提取和制备铝盐类化工产品。目前提取铝系化工产品的方法主要有酸法和碱法两大类。酸法是利用酸浸将其中的氧化铝转化为铝盐溶液再利用；碱法是将CaCO3或CaO和NaON与煤矸石在一定温度下煅烧后，使用碱性溶液将其中的氧化铝溶出。酸法提取工艺相对于碱法来说，提取效率高、工艺简单，具有良好的应用前景。

煤矸石含有丰富的SiO2，当煤矸石中SiO2含量大于35%时，可作为硅系化工产品廉价的原料，合成工业水玻璃、碳化硅和白炭黑等，是煤矸石高附加值利用的途径之一。采用氟盐烧结法分离铝硅并制备白炭黑，样品煤矸石中SiO2的回收率可达75.25%，所得白炭黑中SiO2达到94.02%，SiO2回收率93.72%，白炭黑中的主要成分为无定型的SiO2，且符合我国白炭黑行业标准的相关要求。此外，从煤矸石提取的氧化铁产品纯度可达到97%，可广泛应用于颜料、建材、橡胶、塑料、磨料、 催化剂、传感、磁性材料。

3.2提取非金属矿物产品

高岭土是种金属矿物产品，具有良好的可塑性和耐火性。以煤矸石为原料，通过高温煅烧加工可获得煅烧高岭土，用于提取高岭土的煤矸石中高岭石含量应不低于80%。采用原矿-图像法-颚式破碎机-高速多功能粉碎机-超细粉碎机-筛分-磁选-干燥-煅烧方法提取高岭土，煅烧产品白度值由75.25%提高到95.06%。高温煅烧降低了TiO2和Fe2O3含量，有效提高了煅烧高岭土的白度标准。

此外，在煤炭洗选过程中，大量的硫铁矿向矸石中富集，因而煤矸石作为廉价的黄铁矿提取原料，可以解决黄铁矿资源不足的问题。通过浮选试验对黄铁矿进行综合回收。他们用硫酸调节矿浆的pH值，并以利用活化剂、起泡剂和捕收剂进行开/闭路试验，所得到的黄铁矿含量为83.96%，回收率45.15%，所得黄铁矿精矿达到国家优等品Ⅰ级标准，该方法为回收煤矸石中黄铁矿提供了技术支持。

3.3合成沸石分子筛

煤矸石富含的SiO2和Al2O3占比高达60%~90%，是制备沸石分子筛的天然原材料。目前工业上制备沸石分子筛的原材料主要以化学试剂为主，造价昂贵，难以被大面积推广使用。利用煤矸石合成沸石分子筛，即可达到变废为宝的目的。然而，煤矸石中还含有有机质、炭、铁、钛成分直接影响分子筛白度等性能，需要在制备过程中去除。利用混合酸浸出煤矸石中的铁物质，再使用不同络合剂络合除去铁。为了进一步简化工艺，任英杰将两步优化的除铁工艺进行整合，可以得到低铁杂质高白度的4A沸石分子筛，4A沸石产物中杂质铁质量分数为0.052%，除铁率为82.7%。此外，氯化铵固态焙烧除铁法，针对铁含量不高的煤矸石，可以取得较好的除铁效果。

4 未来发展方向

4.1 新型人造土壤

人造土壤不仅可以缓解土壤资源需求压力，还能扩大可用的土壤面积，提供更多的生态修复可能性。这样既能避免开挖和运输客土带来的问题，又能充分利用煤矸石资源，实现废物再利用，解决煤矸石堆存可能产生的问题，达到多重效益。适量添加煤矸石到土壤中可以促进植物生长，因为土壤具备为植物提供生长所需的水分、养分和其他生存条件的能力。将煤矸石与一定量的土壤混合，不仅能提供支持植物生长的条件，还能有效消耗和利用煤矸石，改善矿山生态环境。此外，煤矸石中含有多种农作物所需的微生物肥料成分，我国相关机构已进行了煤矸石为基质的生物肥料菌种研究，并取得了良好的预期效果。煤矸石还可以用于提取稀有元素制备肥料，并用于土地复垦、土壤改良、生物肥料携带、复合肥料调配和吸附剂等，有效改善土壤质量。

4.2 新型吸附材料

由于煤矸石资源种类繁多、物相组成复杂、含有丰富有价元素等特点，可利用物理、化学、生物等多种技术手段来提取有价成分。这些技术手段可根据固废的组分和结构特点，制备出环境友好型多孔吸附材料，如分子筛、净水剂等，为规模化高值化利用固废资源提供关键技术支持。例如，煤矸石是一种无机废物，可用于去除水中混合物中的重金属。然而，该吸附剂的单体吸附能力有限，因此制备海藻酸盐-煤矸石（ACCG）复合材料来提高重金属的吸附能力。另外，通过将煤矸石与残煤结合起来，直接转化为新型吸附剂“煤-铝矾复合”。经过水热碱活化处理后，改性煤负载在铝石表面增强了铝石的吸附能力，从而实现了重金属离子与复合材料之间的化学吸附。

5结语

我国煤矸石排放量大，其分布高度集中于煤炭资源丰富的地区，具有区域性、利用率低下等特点，存在利用规模小、产业链不完整、区域供需不均衡、前端分类预处理缺乏规范等问题。因此针对煤矸石利用存在的一系列问题，提出“源头减量-资源利用-无害处置”规模化处理整体方案，该方案适用于西部地区等煤炭基地，资源匮乏地区则适用高值化的利用方式。通过对煤矸石进行分类、分质、梯级利用，推动煤矸石的规模化和资源化利用，带来一系列社会、环境和经济效益，实现煤炭行业的绿色高质量发展。

参考文献

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