摘要
煤矸石是一种固体废弃物，又是一种宝贵的资源。本文针对煤矸石的化学成分、物理特性和发热值等特点，介绍了现今煤矸石的直接利用和间接利用的技术方法和工艺流程，以及改善环境和培养新的经济增长点。
关键词： 煤矸石 利用 工艺流程 环境
1 概述
煤矸石是指在建井、开拓掘进、采煤和洗涤过程中排出的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生含碳量比较低，比价坚硬的岩石。煤矸石的露天堆放、长年日晒、淋雨、风化分解、产生大量的酸性水或携带有重金属的离子水。下渗损害地下水质，外流导致地下水体的污染。干旱季节煤矸石发生自燃产生大量SO2、H2S、NOX和CO等有毒有害气体，使周围的环境恶化。“十一五”期间中国煤炭工业大力发展循环经济，按照减量化，再利用，再循环的原则，重点治理。[ 1 ]煤矸石的综合治理是头等大事，由于煤矸石本身成分不稳定，必须
因地制宜科学地开发利用煤矸石资源，防止二次污染。
2 煤矸石的特点
各地煤矸石的成分（表1）[ 2 ]、热值（表2）[ 2]、重金属含量[ 3]的含量差别较大。应根据煤矸石的成分、性质选择科学合理的利用途径。
表1 煤矸石的化学组成
成分 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO2 | K2O+Na2O |
含量% | 52~65 | 16~36 | 2.3~14.6 | 0.4~2.3 | 0.4~2.4 | 0.9~4.0 | 1.5~3.9 |
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表2 煤矸石的热值以及建议合理利用途径
热值范围/KJ·Kg-1 | 合理利用途径 电视机天线制作 | 说明 | 燃煤助燃剂
＜2090 | 回填、修路、造地、制骨料 | 制骨料，以砂岩未然矸石为宜 |
2090~4180 | 烧内燃砖 | CaO含量＜5%为宜 |
4180~6270 | 烧石灰 | 渣可作混合料和骨料 |
6270~8360 | | 用于小型沸腾炉供热产生 |
腿包8360~10450 | 烧混凝土，制骨料，生产水泥 | 用于小型沸腾炉供热产生 |
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3 煤矸石的直接利用
3.1煤矸石制砖
煤矸石制砖使用煤矸石发热值一般在2090~4180 MJ /kg范围。我国利用煤矸石制砖，利用煤矸石自身的发热量提供的热能来完成干燥和焙烧的工艺过程，基本不需外加燃料，仅在煤矸石发热量较低时才向煤矸石中参入少量煤炭。只是煤矸石烧制砖的工艺比粘土制砖工艺增加了一道粉碎工序。风化后的煤矸石添加少量的胶结材料和激活剂生产的煤矸石砖，具有独特力学性质和抗冻性等优点均达到G B5101 – 85规定的100#标准。
3.2煤矸石制水泥
由于煤矸石和粘土的化学成分相近并且含一定量的炭和热量，可替代粘土作为生产水泥的原材料或作为混合材料直接掺入熟料中增加水泥的产量。煤矸石和粘土生产水泥工艺基本相同，是将矸石、石灰石、铁粉（或铝粉）磨细按一定的比例配制成生料，在回转窑中煅烧生成水泥熟料，在掺入石膏等原料进行磨制[ 4 ]。
生产工艺简单，技术要求低，经济效益高。减轻了煤矸石对生态环境污染，又节约了大量
的粘土资源，又消耗了大量的废弃物。用其生产低标号水泥前景是相当可观的。
3.3 煤矸石做工程回填材料
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，或用于回填煤矿采空区及废弃矿井。
煤矸石工程填筑是以获得高的充填密实度，使煤矸石地基有效高的承载力，并有足够的稳定性。要求煤矸石是砂岩、石灰岩或未经风化的新矸石，施工通常采用分层填筑法，边回填、边压实，并按照《工业与民用建筑地基基础施工规范》对填筑工程进行质量评价。[ 5 ]
3.4煤矸石水泥混凝土性能
华侨大学陈本沛、林雨生等人贵煤矸石混凝土的强度和变形性能进行了研究[6 ]，结果表明：（1）对于C20~C30的煤矸石混凝土，其轴心抗压强度与立体抗压强度的关系，与普通混凝土接近。（2）煤矸石混凝土的轴心抗拉强度，略低于普通混凝土，但可以满足规定的取值要求。
西南工学院的徐彬、张天石等人对大掺量煤矸石水泥混凝土的耐久性进行了研究[7 ]，结果表明：（1）大掺量煤矸石水泥混凝土与普通混凝土相比，具有较好的抗冻、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀和保筋性能。其原因在于大掺量煤矸石混凝土的结构较为致密，孔隙率低且有害孔所占的比例小，水泥水化产物中氢氧化钙的含量较低。（2）大掺量煤矸石水泥混凝土发生碱集料反应的可能性小于硅酸盐水泥混凝土。
3.5煤矸石复垦
煤矸石充填造地首先必须防止水土流失。在需要造地的地方先将熟化表土转移，然后垫铺岩石及自然矸石至一定的厚度，展压整平在将熟化土覆盖。如此这样分块逐年扩展，可造就大面积平地和台阶地，同时改良土壤和造就优质的农田。
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。当煤矸石复垦土地用途为建筑用地时，应采用分层回填，分层镇压方法充填矸石，以获得较高的地基承载能力和稳定性。
进行复垦后可针对当地煤矸石的理化性质和有毒有害物质进行检测，然后在针对具体情况
进行绿化种植。先以草灌植物为主，然后再种乔木树种，一般选择抗旱、耐盐碱、耐瘠薄的树种。对表层已风化成土的煤矸石复垦后，可以直接植树造林或开垦为农田。
3.6煤矸石的陶瓷和陶粒制品
传统的陶瓷制品是以石英、高岭石、长石三种原料为主。煤矸石的主要主成部分SiO2、Al2O3、K2O+N2O的含量和传统的陶瓷制品的含量差不多，达到了日用瓷原料的组成范围。
煤矸石陶粒制品石是一种新型建筑材料具有一系列优良的性能，由于质轻、保温、隔热、强度高而广泛用于高层超高层建筑及大跨度建筑工程。[ 8 ]不仅可以减轻建筑物的自重30%~40%,而且具有良好的抗震性能。
根据煤矸石陶粒生产的主要烧结设备，其生产工艺主要有回转窑的工艺、烧结机工艺和喷射炉工艺。主要工艺流程为：煤矸石及配料→破碎→磨碎→烘干→配料→成型→焙烧→陶粒。
3.7煤矸石制轻质集料
煤矸石轻质集料可分为煅烧轻集料和自然轻集料。由于煤矸石得人化学成分和制煅烧轻集料的要求的含量非常相近，符合制轻集料的要求是良好的煅烧煤矸石轻集料原料。煅烧煤矸石轻集料是由碳质泥岩和泥岩类煤矸石经破碎、粉磨、成球、烧胀、筛分而成。[ 9 ]磷化液配方自燃煤矸石轻集料是过火的煤矸石经筛分而得到轻集料。具体的生产工艺按JCPT541 - 94标准的要求进行。
3.8煤矸石铸造型砂
泥质岩石类煤矸石中的高岭石含量在40%以上时可以作为生产铸造型砂的原料。煅烧是生产铸造型砂的技术关键。煅烧窑炉通常采用立窑或倒焰窑。泥岩类煤矸石主要是通过人工手拣的方法从泥岩含量相对较多的洗煤矸石、煤巷矸石获得。[ 9 ]
4 煤矸石间接利用
4.1煤矸石发电
煤矸石发电是煤矸石综合利用中社会、环境、经济效益相统一的最有效途径，也是矿井发
展利用煤矸石的重头戏。根据当地煤矸石发热值和经济发展情况，通常采用流化床锅炉或循环流化床锅炉等较为先进的技术进行燃烧。使用煤矸石和劣质煤进行发电，自发自用。降低了开发煤炭的成本，节约了能源和创造了经济效益。煤矸石的发电减少了矿区的生态环境污染，还可以给选煤厂、矿井、生活区等地方供电。煤矸石发电后产生的灰、渣不会融化，具有一定活性，完全添加到水泥生产中去，做到了灰渣零排放和煤矸石的洁净燃烧。[ 10 ]
4.2煤矸石制备铝盐
煤矸石一般含有 16%～36%的氧化铝, 是制备Al (OH) 3、Al 2O3 、AlCl 3等铝盐很好的资源。由于煤矸石中的氧化铝活性差, 需将煤矸石进行活化处理。一般生产铝盐的主要工艺流程是：煤矸石经粉碎 →焙烧→ 细碎→ 酸溶 → 沉降 →过滤工艺处理后。异形[ 11 ][ 12]
在实际的制备铝盐的过程当中，需要根据制备相应的铝盐增加或减少相应的工序，然后在进行不同铝盐各自的制备流程。制备的氢氧化铝可作为塑性合成树脂，聚合物和合成橡胶等高分子材料的阻燃剂；可用作人造大理石、玛瑙、牙膏生产的填料；可生产的明矾、水化氯化铝净水剂；还可以生产抗胃酸药片等，其市场十分广阔。
4.3煤矸石制取水玻璃
由于煤矸石的主要成分是 Al 2O3和 Si O2，如果将其将其按照煤矸石制备铝盐的主要工艺流程进行处理，那么滤液中的氧化铝经过浓缩、结晶、热解、聚合、固化、干燥等过程，就可制成聚合氧化铝。滤渣中的二氧化硅与氢氧化钠反应就可制成水玻璃[ 13]。
4.4煤矸石制气
煤矸石可以制取煤气或水煤气，作为窑炉的热源或者给企业单位使用。还可以制取高温干馏煤气，其副产品可作橡胶补强剂或油墨等行业的原料。
4.5煤矸石冶炼硅铝合金
制取硅铝铁合金的两个技术关键是Si O2 、Al 2O3、Fe2O3的侵取和结晶，以及结晶物的热解。对于Fe2O3含量较高的煤矸石可以采用直流矿热炉冶炼硅铝铁合金。[ 13 ]
错位匹配
4.6利用煤矸石制取造纸涂料[ 14 ]
以煤矸石为原料生产涂料级煅烧高岭土 ,利用浸出除杂、 湿法超细磨、 煅烧除碳增白联合
方法处理煤矸石 ,可获得合格的涂料级煅烧高岭土产品 ,其产品性能符合国家铜版纸造纸涂料级标准。采用煤矸石制取造纸涂料具有煤矸石利用量大、 利用彻底的特点 ,为煤矸石的资源化利用开辟了一条新途径。
4.7煤矸石制备活性炭复合材料
为了能够充分利用煤矸石中的三种主要化学成分 (硅氧化物、铝氧化物和碳 ) 并且可以制备出具有活性炭的复合材料。制备出的活性炭复合材料具有孔的结构特征 , 具备沸石的亲水和活性炭的亲油吸附特征。可以制备吸附剂、除臭剂和气体分离、净化与废水处理行业。
4.8煤矸石制造墙体保温材料
煤矸石中含有各种金属氧化物及碳酸钙和硫铁矿等，它们在高温下都分解溢出气体是物料在塑性阶段产生膨胀，形成孔隙结构。煤矸石通过烧结机或回转窑可以煅烧成轻质骨料，轻质骨料具有容重轻，强度高，吸水率小等特点，可代替砂石、配制轻混凝土，用作墙体、保温吸湿效果好。[ 15 ]
4.9煤矸石制取生物肥料
以煤矸石和磷矿粉为原料基质，外加添加剂等可以制成煤矸石微生物肥料。煤矸石微生物肥料依靠所含六种微生物的生命代谢活动来完成固氮、解磷、解钾，是一种含内芯、外层、衣膜的两层一膜式三维结构的颗粒肥料。它通过防止模拟方法有效地创造了一个类似豆科作物根瘤的微生物活动为环境，使其施入土壤后不会受到土壤中庞大微生物系的影响。[ 16 ]科学合理的结构设计建立起固氮、解磷、解钾和煤矸石分解等各种微生物的共生机制，因采用多种独特的方式提高微生物活性，保证了肥料中有效菌的生命代谢活动。
煤矸石微生物复合肥料克服了使用化肥导致的环境污染、肥效不长、农作物品质下降等特点，具有无毒、无害、无污染、优质、高效等优点。
5 结束语
煤矸石的综合利用要坚持“因地制宜，积极利用”的指导思想。提高我国煤矸石综合利用技术水平，加强对各地煤矸石成分、结构、特性等基础研究，积极提高煤矸石综合利用的效率和科技含量，以及煤矸石的经济附加值和有效成分的综合利用率。减轻矿区的大气污染和地下水的污染，还可以减少对土地的占用，又能回收有价值资源。
