榆林煤矸石的综合开发利用

殷海荣， 陈 平

(陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引言

塞外明珠榆林位于陕北黄土高原北部，是典型的盖沙黄土丘陵地貌.区内广泛发育侏罗纪煤田，是国内最大的优质动力煤生产基地.每个榆林人坐拥的地下财富达1 300万元，被誉为“中国科威特”.区内的煤炭资源以探明储量大、地质结构简单，煤层稳定，煤质优，埋藏浅为特征.适合于作为发电、工业锅炉、窑炉、冶金喷吹及气化用煤.煤矸石是煤炭开采加工时所排放的固体废弃物，榆林矿区煤矸石排放量不低于600万吨/年，每年以10%～15%速度在增加，煤矸石的大量堆放，侵占着大量的农田资源，危害生态环境.对煤矸石进行资源化利用，可以减少对环境的污染，节约土地，改善产业结构、促进煤炭工业的可持续发展，产生更大的社会效益和经济效益.因此治理煤矸石，科学地开发和利用是当务之急.

1 煤矸石的性质

延安组是区内主要的含煤地层[1]，煤层结构简单，主煤层5-2含1层夹矸，局部含2层夹矸.夹矸厚0.02～0.7 m，岩性主要为泥岩、炭质泥岩及砂质泥岩.煤矸石化学组成的分析结果见表1，泥岩型矸石的SiO2为40%～45%，A12O3为35%～38%，MgO、CaO、Fe2O3、TiO2含量低.矿物成分为高岭石、伊利石，少量的碳质、方解石、黄铁矿及石英、长石等.炭质泥岩型矸石的SiO2为30%～45%，A12O3为11%～20%，SiO2、A12O3含量明显偏低，Fe2O3与CaO含量偏高，矿物成分为高岭石、伊利石、石英、菱铁矿、方解石和长石，含碳10%～20%.砂质泥岩型矸石SiO2为40%～43%，A12O3为20%～22%，矿物成分为高岭石，次之为碳质、石英和少量长石；细砂岩型矸石的SiO2为60%～70%，A12O3为15%～20%，Fe2O3、Na2O+K2O含量较高.主要矿物成分为高岭石、石英、长石、伊利石、菱铁矿和少量金红石、褐铁矿、黄铁矿等.煤矸石的主要物理和力学性能分析见表2.

表1 煤矸石化学组成分析

表2 煤矸石主要物理和力学性能分析

2 煤矸石加工利用途径

煤矸石已成为我国积存量和年产量最大的一种工业废物.随着技术的进步，煤矸石不再是一种简单的废弃物，而是可以利用的二次资源.煤矸石的应用可分为直接利用型、提质加工型和综合利用型3大类.

2.1 煤矸石的直接利用

2.1.1 煤矸石发电

榆林煤矸石的灰分达40%～70%，发热量为3.55～6.13 MJ/kg.充分利用其热值进行发电和采暖供热，提高资源利用率，是目前煤矸石利用的主要途径.矸石发电经过多年发展，在锅炉燃烧技术、环境保护技术等方面已经取得了长足的进步，发电技术已趋于成熟[2].循环流化床锅炉处理能力已达240 t/h，热效率提高5%～15%，连续运行时间超2 000 h，脱硫率85%～90%.按循环流化床锅炉平均脱硫率90%计算，每燃烧1 000万吨煤矸石，可少排放SO224～38万吨、少占地300亩.目前，榆林已建成煤矸石发电厂近20座，总装机容量超过4 000万kW，国内单机容量最大的“府谷清水川煤矸石发电厂”已投入运行，发电厂共有两台135万kW的发电机组，是由神华神东电力公司与榆林阳光电力公司共同出资1 142亿元建设的，电厂以煤电转化，清洁安全为目标，以周边的煤矸石为原料，变废为宝.“十二五”期间，榆林计划建设的煤矸石电厂有：榆横电厂、店塔发电项目等十余个，统计结果见表3，新增装机1 500万kW.

表3 榆林计划建设的煤矸石发电厂

2.1.2 煤矸石筑路、工程应用

煤矸石的主要矿物为高岭石、伊利石、蒙脱石、石英、长石等，因此，煤矸石具有较高的强度、适宜的粘性、很好的耐腐蚀性.含碳量较少的煤矸石用于填坑和用作水库大坝、河堤及铁路、高速公路路基材料.煤矸石作为修筑公路、铁路路基或其他建筑物地基的材料是大量处理矸石的一种主要途径.目前，国外低碳煤矸石利用率超过90%[3,4]，美国在宾夕法尼亚州利用“红矸石”整修道路面；法国北部公路网；德国Ruhr地区公路网；英国Nottingham公路干线及Gateshead高速公路、Croydon铁路编组站，Victor-Brighne铁路；荷兰的水库大坝、海岸护堤、运河河堤，停车场地基、软弱地基处理等都应用了煤矸石.国内煤矸石作筑路材料，特别是在青藏高寒冷地区的研究已获成功，但应用的规模并不大，其原因在于企业普遍存在技术装备水平低、规模小、竞争力弱等弊端.神东徐丰公路庞庄矿区段塌陷区1.2 km长路段的路基，全部采用煤矸石填筑，使用性能良好.横山县煤矿做到了有专用矸石堆放场所，矿井废料处理率达60%以上，通过设立煤矸石堆放场、矸石用作铺设矿区路基、垫路、路面处理等多种方式，使煤矸石综合利用率得以提高.

2.1.3 煤矸石井下分层回填处置

近年来，榆林神东矿区在矿井设计和建设阶段考虑和实施了矸石井下处理新技术[5].井下矸石处理技术就是将生产过程中产生的矸石就近排至联巷、排矸巷、施工巷、以及其它废弃的巷道内.采用井下分层回填处理技术，确保了复垦建设中必要的土质基础，解决建筑物下的煤柱回采、巷道维护、复杂顶板管理及自然煤层的开采问题，达到矸石不升井就地消化的目的.这项新技术为各矿每年可节省排矸费上百万元.神东马家塔露天矿设计开采面积2 177亩，采取边剥离边回填的采煤方式，分层回填，矸石在下，表土在上，开采回填总面积1 980亩，回填后形成台地复垦区1 700亩，其效益尤为明显.

2.1.4 矿区的复垦

榆林矿区原始植被种类单调，植被覆盖率仅3.11%.神东矿区针对复垦区的具体特点，实施了一系列新技术，包括复垦改良技术、抗旱保水技术、植被重建技术、水净化与利用技术、复用技术、防尘技术等[6].大柳塔煤矿投入环保资金3.26亿元，将复垦区就地平整，从附近山地拉运粘性较大的红泥或黄泥，垫厚20 cm，与原有土壤反复耕翻混合，增强土壤的粘度，形成土壤的团粒结构，恢复土壤特有的理化性质.复垦区经改良后，种草700亩，栽植灌木10万株，乔木2万株，种植蔬菜、玉米、土豆、葵花、荞麦等，长势良好.目前，矿区生态建设面积达123平方公里，是开采面积的376%，绿化覆盖率达80%，较开采前提高15.8倍，复垦区建成了旅游生态区，建有旅游宾馆、水域活动区、经济林、优质牧草、大棚蔬菜、种植基地及猪、牛、羊、鱼养殖场.矿区生态系统趋于完善,人造生态园已基本形成.

2.2 煤矸石提质加工利用

2.2.1 利用煤矸石生产肥料

煤矸石中主要由碳质泥岩、碳质页岩和含炭粉砂岩，有机质含量在15%～25%，并含比一般土壤中的含量高出2～10倍的B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素.这种煤矸石适宜于生产肥料[7]，煤矸石中的有机物是携带固氮、解磷、解钾等微生物最理想的原料基质和载体，成为生产微生物肥料重要的原料.煤矸石微生物肥料是一种广普性的微生物肥料，适用于各个地方的各种植物；制作工艺简单，投资节省10%左右，能耗减少5%～10%；整个生产过程不排渣.煤矸石有机复合肥料可增加土壤疏松、透气性，改善土壤结构，提高土壤肥力，达到增产的目的.生产煤矸石有机复合肥一般用化学活化法.选用含有机质较高的破碎煤矸石粉与过磷酸钙混合，加入适量的活化添加剂，堆沤活化即成.还可在活化后掺入N,K和微量元素等制成全养分矸石肥料.利用煤矸石生产农用肥料，在美国、俄罗斯施用，农作物产量提高10%～40%.我国开发的全养分矸石有机一无机复合肥料，在西瓜、苹果等经济作物施用后，增产15%～20%.据不完全统计，全国有微生物菌肥厂50余座，年生产能力40多万吨，获得了显著的经济效益和社会效益.

2.2.2 从煤矸中回收共伴生组分

煤矸石中含有Al、Fe、S、As、Ga等多种元素，当其含量达到一定的富矿含量时，可回收利用[8].富镓煤矸石是指金属镓含量大于30 g/t的煤矸石.煤矸石中镓的浸出可采用高温煅烧浸出和低温酸性浸出两种方法.富碳煤矸石中往往混入发热量较高的煤.可以采用适当的加工方法回收煤，提高其品位，使其作为燃料使用.国外如美、英、法、日、波、匈等国都建立了从矸石中回收煤的工厂.富硫煤矸石是国内硫铁矿的主要来源，我国在高硫煤矿区南桐、天府等相继建设了硫精矿回收车间，回收硫铁矿，使资源得到合理利用，减少硫磺进口.富钛煤矸石可以用于生产钛白粉.用硫酸和生产水玻璃的残渣对富钛煤矸石进行酸解反应，经脱水转化煅烧，粉碎后即得钛白粉.从煤矸石中回收共伴生组分，使二次资源得到了综合利用，经济效益和社会效益明显.

2.2.3 煤矸石生产化工产品

根据煤矸石的成分特点，矸石可以生产氢氧化铝、氧化铝、硫酸铝、聚合氯化铝等20多种铝系化工产品和碳化硅、沸石、硅合金、硅酸钠、四氯化硅等多种硅系化工产品[9].

(1)制备氢氧化铝和氧化铝

富铝煤矸石中含有20%～35%的氧化铝，是制备氢氧化铝和氧化铝的优良资源.将煤矸石粉碎、煅烧，用硫酸浸取，生成的硫酸铝液相用氨水中和，产生氢氧化铝沉淀，过滤提纯干燥，即生产出氢氧化铝.氢氧化铝经高温煅烧，得到氧化铝.

(2)合成SiC

硅质煤矸石的主要组分是SiO2和C，这两种组分具有纳米粒状和纳米层状结构.以硅质煤矸石和部分弱粘煤代替石英砂和焦炭或无烟煤合成SiC，这种方法可提高产率、降低生产成本，是开发煤矸石综合利用，实现废弃物资源化和控制污染的途径之一.

(3)合成沸石

沸石具有独特的矿物结构、选择吸附性和阳离子交换性等特点.用煤矸石为原料合成的沸石以A型居多.以废弃的煤矸石为原料，经粉碎，高温煅烧，使其完全转化为活性白土，然后在碱液中胶化，经过剪切高碰撞水化破碎，最后晶化、洗涤、干燥，得到高活性纳米级洗涤助剂4A沸石.此外，煅烧后的活性白土，白度大于86时，可直接作为造纸涂料使用.

(4)制备白炭黑

白炭黑是一种白色无定形、质轻多孔的细粉状无机化工产品.将煤矸石煅烧、酸浸、过滤.滤渣和碱液反应制得未经浓缩的硅酸钠溶液，调整其密度，抽滤除去水解产物，将滤液加热，通入二氧化碳和空气混合气体，冷却抽滤，滤饼烘干，即得纳米级的白炭黑.

(5)生产工业填充辅料

煤矸石粉用烷氧基型钛酸酯偶联剂进行表面改性处理后，可以明显提高在橡胶中的分散程度，增强橡胶的强度和耐磨性.利用煤矸石作为主要原料，通过表面改性等加工处理，生产出有机高分子聚合物的填料，具有良好的社会效益.

2.3 煤矸石综合加工利用

2.3.1 生产墙地砖

根据煤矸石的物化性能，结合榆林其它原料的特点，对煤矸石进行了墙地砖坯体应用试验.结果表明, 煤矸石添加量可大于60%,烧成温度为1 130～1 180 ℃，瓷质-细瓷制品的抗弯强度在35.1～38.3 MPa，吸水率小于3%，性能指标大大高于国家标准(GB/T4100.2-2006),可降低其生产成本25%～29%.这一试验的成功使煤矸石整体综合利用水平得以提高,不仅产生了可观的经济效益，而且减少了环保治理费用，并解决了部分就业问题.榆林煤矸石不仅在墙地砖坯中大量使用，也可在釉面砖、烧结型玻璃马赛克、玻璃饰面砖、玻璃人造大理石等生产中大量使用[10].

2.3.2 制备石油压裂支撑剂陶粒

陶粒压裂支撑剂是一种低密度的陶瓷颗粒产品，具有很高的压裂强度，主要用于油田井下支撑，增加石油天然气的产量.利用煤矸石制备石油压裂支撑剂陶粒，引入煤矸石50%、粘土20%、铝矾土20%，辅以少量的化工原料，经配料→球磨→干燥成型→烧成等工艺过程，于1 300 ℃物料之间经高温作用，产生固相反应，形成了中强度的支撑剂陶粒.其主要性能指标为闭合压力破碎率(69 MPa)7.25%，视密度2.79 g/cm3，体积密度1.56 g/cm3.

2.3.3 制备微晶玻璃

利用煤矸石生产的微晶玻璃是一种理想的建筑装饰材料.把58%煤矸石、42%其它原料加入到Al2O3质坩埚内，在高温电炉中进行玻璃熔化，加料温度1 250 ℃，熔化温度1 450 ℃，熔化时间5 h，之后水淬.把水淬后的玻璃烘干，经过筛分和研磨，取不同粒度比例，装入涂有脱模剂的磨具中，然后在晶化炉内加热晶化处理，加热温度为650～800 ℃，晶化时间4～6 h.然后让玻璃按照退火温度曲线进行冷却退火到室温，获得SiO2-Al2O3-Fe2O3-R2O-RO系统微晶玻璃.其性能完全符合行业JC/T 872-2000标准.通过烧结法，利用煤矸石代替玻璃原料来生产建筑微晶玻璃材料，理论成立，方法可行，工艺可靠，生产成本低，达到了整体利用的目的，实现了煤矸石的资源化.

2.3.4 制备微晶泡沫玻璃

榆林煤矸石在1 180～1 220 ℃可熔成玻璃发泡体，可利用其熔点比较低、烧失量较小的特点研制泡沫玻璃和泡沫陶瓷.选用废玻璃60%和煤矸石25%(质量分数)的配比，以3%的TiO2作为成核剂，添加8%的发泡剂碳酸钠，4%稳泡剂硼砂，用烧结法，可以制出主晶相为透辉石CaMg(Si2O6)和硅灰石CaSiO3的泡沫微晶玻璃.该材料密度0.4～0.6 g/cm3、导热系数0.9～0.12 w/(m·K)、抗压强度5～9 MPa，并可一次烧结上平滑微晶玻璃釉面、凸凹花岗岩效果釉面、裂纹效果釉面等，装饰效果独特，与其他无机墙体材料相比，煤矸石泡沫玻璃具有密度小、强度高(可高出50%以上)、导热系数小、吸水率小，抗冻性能好、防火、防腐、防蛀、施工快捷方便，和相应主墙体材料相复合可达到一定的节能要求.

2.3.5 制备水泥

在水泥制作的原料中，加入20～40%(wt)的煤矸石，石灰石的用量也可适当减少，烧成温度比普通水泥降低40～50 ℃.以煤矸石、石灰石、石膏为主要原料，辅以少量萤石和重晶石，经粉磨、煅烧(1 300 ℃)可烧成富含C2S的阿利特-硫铝酸盐水泥可熟料，主要矿物为β-C4A3S、C2S、C3S、少量C3A和C4AF.β-C4A3S、C2S结晶良好，矿物含量较多，形状较规则；同时形成呈板状或长柱状的A矿(C3S).经测定，阿利特-硫铝酸钡钙水泥水化性能好、强度高，抗折强度(7d)为7.3 MPa．抗压强度(7d)为45.5 MPa.实践证明，煤矸石作为原材料在水泥中进行资源化利用是切实可行的.

3 结论

(1)榆林煤矸石结构简单，层位稳定，岩性主要为泥岩、炭质泥岩及砂质泥岩等三种类型，主要组成矿物为高岭石、伊利石、石英、碳质，少量的方解石、黄铁矿、长石等.

(2)煤矸石可直接采用井下分层回填处理技术处置，可用来发电和采暖供热，提高资源利用率；用于矿区复垦和工程应用，用作水库大坝、河堤及路基材料；通过提质加工手段应用于生产肥料、回收有用组分、生产化工产品；可综合应用于生产建筑装饰材料、压裂支撑材料、制备水泥等方面，使煤矸石二次资源得到合理的开发利用.

(3)加强煤矸石资源的综合利用，增强环保意识，提高经济效益，节约、集约资源，是现代煤矿可持续发展的必然选择.

[1] 陈陇刚.陕北侏罗纪煤田神府矿区含煤地层及煤层的重新厘定划分[J].陕西地质,2005,23(1)：70-78.

[2] 常建鸿.神东煤炭集团循环经济发展模式[J].陕西煤炭,2010,29(2)：11-13.

[3] M.Roberts.State laws for 1993 reflectng trends[J].World Wasters,1994,37(3):34-36.

[4] T.D.Vence,D.L.Powers.Resource recovery systems,Part.1.Technological Comparison Solid Wasters Management[J].Resource Recovery Journal,1990,29(5)：26.

[5] 牛瑞芳.神东矿区井下无岩巷布置与矸石处理技术[J].陕西煤炭,2008,27(5)：83-84.

[6] 王 安.神东矿区生态环境综合防治体系构建及其效果[J].中国水土保持科学,2007,5(5)：83-87.

[7] 曾 丽.重视煤矸石的再生利用[J].边疆经济与文化,2010,77(5)：38-39.

[8] 左鹏飞.煤矸石的综合利用方法[J].煤炭技术,2009,28(1)：186-188.

[9] 李 超.煤矸石深加工新技术的探讨[J].矿业快报,2008,472(8)：92-93.

[10] 张福成.神东矿区特大井田开采煤矸石处理与利用技术[J].煤矿安全,2008,39(10)：63-65.