王淇 张丽娜 闵鑫 吴小文 刘艳改 黄朝晖 房明浩
摘 要：煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土，是在采煤和洗煤过程中排放出的一种固体废物。我国煤资源产量巨大，因此伴有大量的煤矸石固废排放，其高附加值综合利用对经济、环境和社会具有重要的意义。本文主要从提取有价元素、能源化利用、建筑材料化应用、尾矿填充和土地复垦等方面综述其无害化处理的现状，同时结合其元素赋存特征从固废高值材料化利用方面介绍其研究进展，提出煤矸石综合利用提供新的技术思路。
关键词：煤矸石 无害化 高值化 综合利用 现状与进展
中图分类号：X75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0046-03
我国是全球煤炭开采量和使用量最大的国家，2016年煤炭产量占全球煤炭总产量的46.1%。煤炭在我国能源机构中也占有极大的比例，在2016年为62%[1]。煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土，是在煤资源的开采和清洗等处理过程中排出的固体废物，其含碳量约为20%～30%，其他主要成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3、P2O5和稀有元素等微量成分[2]。在采煤过程中排放的大量煤矸石排放若弃置不用，将占用大量土地，自燃引发火灾，逸出或浸出硫化物造成环境污染，雨季崩塌、淤塞河流导致自然灾害，同时也会给企业造成较大经济负担，因此，对于煤矸石的处理与综合利用愈来愈得到人们高度重视[3]。目前，我国在煤矸石处理、无害化应用、高值化综合利用与环境保护等方面的工作主要集中在以下几个方面。
1 煤矸石的再选和有价组分提取利用
煤矸石的矿物组成主要包括高岭土、长石、伊利石、方解石、水铝石、黄铁矿、蒙脱石、云母、绿泥石类以及少量的稀有金属矿物，其中高岭石含量高达60%以上[4]。通过对其进行再选可进一步回收煤矸石固廢中残留的有用矿物，是提高资源利用率、大量处理堆存尾矿的重要措施。例如：通过一些选洗方法，得到铁矿石等有用矿物。张晋霞等[5]通过磨细河北某地含硫5%矸石，以石灰为抑制剂、硫酸调整pH，硫酸铜为活化剂、丁基黄药为捕收剂，2#油为起泡剂，经浮选、粗选和细选，获得回收率为82.50%的精黄铁矿。同时，还有部分研究通过物理、化学方法来提取或利用尾矿中的有用组分。例如：使用盐酸浸取法得到结晶氯化铝、氯化铁可用于生产氧化铝、氧化铁，而浸取后的残渣主要成分为二氧化硅，可作生产橡胶的填充料以及生产水玻璃的原料。董玲等[6]选取霍州三交河煤矿，确定了在110℃下，HCl浓度为12mol/L、浸润时间为150min下，得到溶出率为65.67%的Fe2O3。夏举佩等[7]以贵州盘县煤矸石为原料，酸矸质量比为1.4，170℃下反应4h，氧化铝的浸取率为98.47%，极大地提高了煤矸石利用率。此外，剩余母液内还所含的少量稀有、贵重元素，如锗、镓、钒、铀、钛等，也可视含量通过富集的方式决定其提取价值。夏举佩等[8]以贵州盘县煤矸石为原料，经过机械活化、微波酸浸提取Ti，在酸矸比为1.5，微波功率800W、溶解温度为75℃下加热90min，得到提取率为79.85%、以Ti（SO4）2为主要形式的钛。孙亚乔等[9]分别对韩城产煤矸石进行BCR可交换态及碳酸盐结合态提取法和Tessier连续分级提取法的对比研究探索，得出对于提取Cr、Mn、Ni、Pb、Zn等元素BCR法优于Tessier法，对煤矸石有价组分提取利用又有了新的方法。
2 煤矸石的能源化利用
对于含碳量超过20%的煤矸石，也可用于火力发电，这是实现煤矸石能源化利用的主要方式。经过多年的发展，采用洗中煤和洗矸混烧发电技术已经成熟，而炉渣还可用于生产炉渣砖和炉渣水泥，粉煤灰还可进行提铝和提硅等进一步生产应用。煤经过30多年的发展，全国煤研石等低热值煤发电装机已达到约3000万kW，加上在建机组总装机规模约达3500万kW。研石等低热值煤发电装机规模不断增长，为国家节能减排做出巨大贡献。虽然煤研石发电装机在全国煤电总装机中占比不到4%，但对煤矸石的消耗量占比约为30%，年可燃用煤研石、煤泥、中煤等低热值燃料1.35亿t，相当于节约4000万t标准煤[10]。保德选煤厂[11]改矸石分级回洗顺序、并末矸掺入原煤中，经过技术改造，降低运行成本，提高了矸石燃烧可用率，实现了节能降耗的目的。神华集团[12]对循环流化床（CFB）发电技术，尤其是牵头研究的超临界CFB技术进行研究探索，对大规模清洁利用煤泥、矸石等低热值煤的绿色使用有了新的拓展。
3 煤矸石的建筑材料化利用
煤矸石由于硅、铝组分含量较高，可用于制备建材和装饰材料以及铝硅酸盐聚合凝胶材料等的基础原料，这也是煤矸石综合利用中最广泛的途径之一。在建材应用中，煤矸石可用于制备煤矸石烧结砖、水泥、和轻质骨料等。
在制备烧结砖的过程中，煤矸石可代替粘土作为原料。吕德生等[13]取乌鲁木齐煤矸石与沙漠砂制备粘土烧结砖，烧结温度为1000℃烧结2h可制得抗折强度为3.79MPa、抗压强度为31.52MPa的高性能、低成本多孔砖。
煤矸石还可以部分或全部替代粘土成分用于生产普通水泥，自燃或人工燃烧过的煤矸石具有一定活性，可作为水泥的活性混合材料生产普通硅酸盐水泥（掺量小于20%）、火山灰质水泥（掺量20%～50%）和少熟料水泥（掺量大于50%），还可直接与石灰、石膏以适当的配比磨成无熟料水泥，可作为胶结料与沸腾炉渣做骨料或以石子、沸腾炉渣作粗细骨料制成混凝土砌块或混凝土空心砌块等建筑材料[14]。李燕等[15]在硅酸盐水泥中加入15%安徽产高温活化煤矸石、15%高炉矿渣后干燥收缩率较小，抗压强度较大，并且煤矸石和矿渣的利用率较高，很好地解决了煤矸石大宗使用问题。孙道胜等[16]以煤研石作为硅铝质原料制备水泥时，按熟料理论率值KH=0.95，IM=1.55，SM=2.55配制生料，在1450℃下锻烧，制备的水泥3天净浆抗压强度为45.3MPa，28天净浆抗压强度为95.3MPa，性能优良，造价低廉。
煤矸石还可用于制备烧结轻质骨料，用于建造高层楼房；也可用于制备陶瓷，或用于铺路等领域。刘静静等[17]以煤矸石、高铝矾土和少量工业氧化铝为原料，添加锯末为造孔剂，造粒成球后在1450℃保温3h，制备的莫来石轻质骨料体积密度为1.31g/cm3，显气孔率为57%，耐压强度为14.5 MPa，300℃的导热系数为0.394W/m·K-1，该方法也能对煤矸石的资源化利用有着不可或缺的作用。
4 尾矿填充和土地复垦
利用煤矸石生产的建材产品的附加值比较低，并不适合用于远距离运输，因此，大部分煤矸石都是就近消耗处理。其中，矿山采空区充填能使煤矸石不出矿井的情况就被使用，直接填充采空区，从而从源头杜绝煤矸石的排放，减少地表的下沉，降低发生地质灾害的风险，这是直接利用煤矸石最行之有效的一种途径，具有较高的技术优势、经济优势和环境优势。宁建国等[18]通过煤矸石与水泥共用，降低了填充成本，提高了填充体结构性能，能在确保安全生产的情况下，将矸石等废弃物填充，达到固体废弃物的高效利用和对地面空间的有效节约。
此外，矿山的复垦工作是指在煤矸石库上复垦或利用煤矸石在适宜地点覆土造田和种植农作物等，不仅能避免尾矿流失，污染江河，还能增加农业耕种面积，也可种草造林美化环境，目前我国对这方面的研究较多。朱江等[19]研究了不同配比的煤矸石添加量、不同的配比方式对水稻秸秆、水稻籽中重金属含量，对煤矸石土壤复垦有了新的研究并提出新的要求。
5 煤矸石的高值材料化利用
除上述无害化利用以外，利用煤矸石固废生产高值工业新材料也是提高煤矸石附加值的一种有效途径，主要包括利用煤矸石制备白炭黑、分子筛、陶瓷、耐火材料等。方莉等[20]以煤矸石提铝废渣为原料，以碳分法制备白炭黑产品，其产品粒径≤4.5μm，最小可达2.77μm，产品具有良好的分散性、疏水性，可以用作聚合材料的填料，具有较好的应用前景。郭振坤等[21]蒙古准格尔煤田煤矸石为原料，450℃下碱溶活化，在晶化温度50℃下晶化12h，生产出立方体状、晶粒约为2μm的高晶化程度的4A分子筛，并有很好的吸附能力。张长森等[22]以煤矸石和城市污泥两种废弃物原料，创新性地在1120℃、保温1h下制得多孔陶瓷，对有害元素得到有效固化，对固体废弃物的有效利用提出新方法。
Al2O3-SiC复相材料是重要的高溫陶瓷复相材料，它同时具有Al2O3与SiC材料二者的性能，表现出较好的抗折强度、断裂韧性、硬度、高温抗热震性、耐腐蚀和耐磨性能等优异特性和广泛的应用前景。其中，利用煤矸石碳热还原方法制备Al2O3-SiC复相材料已经成为较为成熟的合成方法，将煤矸石与焦炭或炭黑等碳质材料进行混合并在高温下进行碳热还原反应即可原位合成得到Al2O3-SiC复相材料。该方法工艺简单，易于操作，既不需要高纯纳米级原料，也不需要高温高压的制备条件，生产成本低廉，是一种可进行产业化生产的方法。同时，类似的碳热还原方法还可以推广到其他低品味矿物的综合利用上，是一种大宗低品味矿石提高产品附加值的有效实现方法。
6 结论与展望
近些年，煤矸石综合应用研究方面已经从过去的以火力发电、矿坑复填、烧制耐火砖、水泥等，逐渐转变为以提取有用元素、分选有价矿物、高值材化等为主的综合、高效利用方案。在生态文明建设背景下，面对资源约束趋紧、环境污染严重和生态系统退化的严峻形势，煤矸石这类固体废物的处理与综合利用将占据越来越重要的地位。
在煤矸石的综合利用中应当因地制宜科学地开展工作，稳妥有序推广。在国家强化政策和经济支持的前提下，加大开展煤矸石处理与综合利用科技研发工作的粒度，实现煤矸石利用的最大化。既关注回收有用组分，提高矿产资源利用价值，也需要关注其大宗量的利用，实现矿山无尾矿工艺生产，逐步构建“资源节约型、环境友好型”的绿色美丽矿山开采与生产体系；必须根据煤矸石矿物和元素组成以及物理化学特性，开发利用煤矸石基新型材料，拓展尾矿利用范围，实现尾矿高附加值利用。
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