我国煤矸石固体废弃物在建筑与环境修复领域的资源化利用

邓颖兰，魏恺颉，赵迪斐，董云，顾东清

(1.中国矿业大学建筑与设计学院，江苏 徐州 221000；2. 中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221000；3.中国矿业大学人工智能研究院，江苏 徐州 221000；4.淮阴工学院建筑工程学院，江苏 淮安 223003；5.江苏省能源研究会， 南京 21009)

煤矸石是煤矿生产在挖掘、开采和清洗处理过程中产生的一种固体废弃物，是碳质、泥质和砂质的混合物，具有低发热值的特点，造成其在深度利用上存在劣势[1]。煤矸石固废在岩性上包含煤质、泥页岩和粉砂质泥页岩等类型，按照主要矿物含量，煤矸石固废可以进一步划分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类和铝质岩类等，它的主要化学成分是SiO2、Al2O3和C等，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O3、K2O、SO3和部分Ti、Co等微量稀有元素[2-3]。煤炭作为我国的主要能源，即便在碳中和和碳减排的背景下，仍然将作为我国能源经济的压舱石保持发展，仅2020年，中国煤炭产量达到了38.4亿t，排名世界第六，进口量约为3.04亿t ，位居全球第一[4-5]。煤矸石约占煤炭整体比例的10%～15%，煤炭资源的利用随之带来煤矸石废弃物占用大量土地堆放的问题，并因元素淋滤等造成对自然环境的危害，引发了部分煤炭资源产区的环境地质问题[6]。煤矸石的堆放也潜藏自燃引起火灾和雨季易发生崩塌滑坡等安全事故的风险，其含有的硫化物和重金属等逸出或浸出将会对大气、土壤和水体造成不可逆转的污染[7-8]。因此，对煤矸石废弃物的固废利用引起越来越多的关注，本文综合讨论煤矸石资源利用现状及存在问题，并重点分析其在装配式建筑快速成型技术等建筑与环境修复前沿领域的资源化利用前景。

1 我国煤矸石资源化利用现状

截至目前，我国煤矸石保有存量约为45亿t，主要分布在山西、陕西和黑龙江等重要煤炭资源开发利用地区，形成的煤矸石山约有2 600余座，资料显示，仅煤矸石一项，山西存量达到10亿t，据我国生态环境部公布数据显示，我国工业煤矸石年产量达3.3亿t，综合利用率为54.5%，综合利用量约为1.8亿t[9]。我国煤矸石主要由煤炭开采利用以及洗选业产生，在当前资源循环利用快速发展的背景下，煤矸石的利用率不断提高。

从煤矸石的资源化利用来看，煤矸石发电、化工产品制备、建筑材料化利用、农业环境及其他工业应用是煤矸石的主要利用方式，近年来，涌现了一系列煤矸石资源化利用的新技术、新方法，在建筑材料化利用以及化工利用方面尤为显著[10]。煤矸石内平均含有20%到30%的碳，可用于燃烧发电。目前，利用沸腾炉燃烧洗中煤和洗矸的混合物发电技术，发热量每千克可达约8 372 kJ。一般认为，发热量大于6 272 kJ/kg的煤矸石可直接用作锅炉的燃料，发热量在4 181～6 272 kJ/kg的煤矸石则需要混杂一定比例发热量较高的煤泥、中煤等才能进入锅炉，充分燃烧后产生的热量可用于发电。据统计，我国至少有1.4亿t/a的煤矸石被用于发电，其效果相当于节约3 800万t/a标准煤，煤矸石发电技术逐渐在完善，已取得较大的进步。但是煤矸石发热量低、灰分高、硬度大，会严重磨损锅炉，造成锅炉停机等问题，煤矸石发电技术仍然需要进一步深入研究。煤矸石中含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等多种化合物，利用煤矸石中富含的铝元素，可将其制成氯化铝、氢氧化铝、硫酸铝等化工原料。将这些元素通过化学手段合理的进行有效提取和利用，变废为宝，减缓其环境危害的同时，将极大提高煤矸石的利用价值[11]。煤矸石中含有的微量元素如Zn、Cu和B等，可以用于制作植物所需的肥料，将煤矸石用于土地复垦，作为土壤改良剂、生物肥料载体、复合肥料配料和吸附剂等，可有效改良土壤质量。煤矸石中含有多种农作物生长所需的微生物肥料成分，为开辟煤矸石的综合利用新途径，我国相关机构研究以煤矸石为基质的生物肥料生产菌种，并达到较好预期效果，产出肥料具有无毒、无害、优质和高效等优点。

煤矸石中含有丰富的SiO2、Al2O3、 Fe2O3和CaO，是天然的黏土质原料，可以代替黏土配料烧制普通硅酸盐水泥、特种水泥和无熟料水泥等建筑材料。此外，煤矸石还可以用作烧结制砖、生产混凝土的轻骨料和生产制造煤矸石微晶玻璃等。煤矸石代替黏土生产水泥，煤矸石和黏土的化学成分相近并能释放一定的热量，用其代替部分或全部黏土生产普通水泥能提高熟料质量，其生产工艺相似，但需对煤矸石进行脱硫处理，避免煤中的硫所带来的污染。用煤矸石烧砖可以利用煤矸石自身的发热量降低能耗，但是煤矸石中含油杂质及放射性材料也需要考虑，产品总体成本偏高；用煤矸石做轻骨料其碳含量不能过大，以10%以下为宜；用煤矸石生产空心砌块，以煤矸石作为主要原料，配合一定比例生石灰和石膏做胶粘剂，搅拌成型，对于建筑材料的运用大有前景。

2 煤矸石建筑与环境修复资源化利用前沿技术

2.1 采空/塌陷区回填、筑基修路、土地复垦新型材料

采用煤矸石回填采空区，既避免了露天堆放的煤矸石粉尘对自然环境的破坏，又能减轻采空区地表的沉陷，降低地质灾害发生的风险。从经济上考虑，就近回填处理可以减去运输等过程，减少生产成本，还具有保护生态环境的社会效益，在采空/塌陷区回填、筑基修路和土地复垦等领域具有广泛的应用意义。2021年以来，国家高度重视固体废弃物的治理利用问题，尤其是作为新材料在采空/塌陷区回填等领域的应用，国家发展改革委办公厅出台了《关于开展大宗固体废弃物综合利用示范的通知》，明确了以煤矸石、粉煤灰和尾矿(共伴生矿)等为主的大宗固体废弃物综合利用示范基地建设方向。

2.2 建筑装饰新材料及装配式建筑快速成型技术

Si、Al含量较高的煤矸石可作为原料用于生产建筑、装饰材料以及铝硅酸盐聚合凝胶材料，具体应用有煤矸石烧结砖、新型水泥、轻质骨料和混凝土砌块等。煤矸石是国内新型墙体材料制作的常见工业固体废弃物，以工业固废资源化利用制造的新型墙体材料具有较高的生态效率。煤矸石现可用于一些绿色高性能混凝土的制作，可将煤矸石掺入原料作为集料用于生产。此外，煤矸石还可用于替代部分自然资源原料生产硫铝酸盐胶凝材料，全固废制备硫铝酸盐基3D打印胶凝建筑材料应用到建筑快速成型技术是与绿色建筑理念相吻合的。装配式建筑在许多特定领域有适应性极好的应用场景，例如我国大量的村镇住房改建，针对其所存在的安全度低、节能率低、建筑效率低和建筑材料成本相对较高等问题，结合煤矸石建筑装饰新材料以及装配式建筑快速成型的新技术体系具有很好的应用前景，尤其是针对我国采矿地区的村镇住房改建，煤矸石建筑装饰新材料以及装配式建筑快速成型的新技术体系具有重要的应用价值和潜力，对于采矿区环境问题改善和人居环境改善可以起到积极作用。

2.3 煤矸石(混合)内能燃烧应用

含硫煤矸石在自然条件下容易发生自燃，利用煤矸石中的内能是煤矸石充分利用的一个重要类型。高热值煤矸石可以直接用于热能利用，低热值煤矸石在可控阴燃或作为混合利用等技术条件下，也可以实现对内能的提取[12]，或针对煤矸石进行洗选回收可燃组分用于发电等工业生产过程；但煤矸石作为内能燃料还存在内能提取残余物处理的问题，煤矸石内能提取残余物可以用于建筑材料、回填材料等。我国早期以沸腾炉煤矸石燃烧利用为主，但存在显著的能耗大等问题，循环流化床锅炉等技术的应用可以更好适应低热值燃料的燃烧发电，同时，对于燃烧废弃物的处理技术也逐渐成熟，煤矸石(混合)内能燃烧应用可以有效解决煤矸石堆放自燃造成的环境污染及碳排放问题，其内能提取残余物也可以作为建筑材料应用和环境化工应用的部分原材料。

2.4 以煤矸石为原料的建筑及环境化工应用

对于以煤矸石为原料的化工利用起步较早，近年来发展速度也较快，如以廉价煤矸石为原料制备分子筛及其它复合吸附材料、提取煤矸石中稀有元素(B、Zn、Cu、Co、Mo、Mn等)制备肥料、提取煤矸石有价值元素制备化工产品等利用方向。化工利用是煤矸石实现高附加值和规模化利用的主要发展方向，这些化工利用方向中，许多产品类型本身即可以用于建筑行业或开展环境治理，如用于废水处理的聚合硅酸铁铝硫酸盐(PFASS)和无机高分子水处理混凝剂等。

3 煤矸石建筑与环境修复利用现状及存在的问题

3.1 煤矸石建筑与环境修复利用现状

近年来，基于煤矸石利用技术的治理体系已经初步形成，不同地区、不同运营主体采用了不同的技术方案和利用方式，大大提高了我国煤矸石固废的利用效率和经济性，显著降低了对环境的不利影响，并形成了在建筑行业以及环境领域的两大重点利用方向。在建筑领域，以煤矸石作为建筑材料的案例不断丰富，已经成为领域内重要的原材料来源类型，但所占比例仍然不高，且利用方式相对单一，经济效益有限，煤矸石固废资源化利用的进一步发展进入瓶颈阶段。在环境修复领域，得益于煤矸石固废资源化利用近年来的迅速发展，煤矸石本身由于堆放和淋滤等导致的环境问题得到了较好的治理，以煤矸石作为原料的环境化工应用发展较快，产品类型日益丰富，逐渐成为采煤区产业链中的一个重要环节。在国家“双碳”战略背景下，煤矸石建筑与环境修复资源化利用迎来了新的发展机遇，但也需要克服这个新领域的一系列存在问题。

3.2 煤矸石建筑与环境修复资源化利用存在问题

目前，我国在煤矸石建筑与环境修复资源化利用领域取得了长足进展，但也存在很多需要进一步解决的典型问题，既包括技术发展程度、产业层次等需要从技术角度解决的问题，也包含管理、发展战略和经济性等需要从制度角度推动的问题。

(1)煤矸石在建筑与环境修复领域利用总体技术水平不高，产业层次低。主要表现为技术装备落后，对环境造成影响，利润空间少，企业规模小，产品竞争力弱。一些高技术含量的煤矸石利用还没有真正落地，产业链不完善，并且煤矸石的经济效益不能保证，在资金筹措和现金流上也存在问题，新的融资渠道还没有形成，企业资金筹措困难，给煤矸石扩大再利用带来不便。

(2)在煤矸石利用管理过程中依然存在很多的环境影响问题亟待解决。由于大量废弃的煤矸石堆积，是一个具有高势能的人造泥石流危险源，长时间堆放，不仅对环境造成污染，还有因堆放造成所需土地面积会越来越大，尤其是对耕种影响最大；而且因煤矸石低燃点，容易发生自燃，从而引发更大的危险灾害；其次，煤矸石可以通过水的淋溶、浸泡，对周围水体环境产生影响，如果按正常情况下大气降水呈酸性，酸性条件下淋溶析出的重金属含量超过生活饮用水标准，而且，碱性条件下除Cu、Zn、As外也超过地面水环境Ⅴ类标准。

(3)煤矸石利用存在地区发展不平衡、管理制度不规范明确的弊端。对于能源紧缺的地区，如东部地区和西南部地区，煤矸石的利用率比较高，技术发展较快，而在煤炭资源丰富的地区如山西、陕西和东北，煤矸石产业发展相对之后。目前，煤矸石电厂和一些煤矸石建材企业大多不是独立单位，很难依靠煤矸石作为单一经济来源，煤矸石往往都是以辅助的角色出现，其运转还不能适应市场需求，也需要时间验证。

(4)煤矸石无害化向资源化利用转变过程中的盈利能力问题需要持续改善。随着国家对生态环境保护的日益重视，煤矸石的合理治理和有效利用也逐渐得到关注，但煤矸石利用企业的盈利能力一直存在问题。传统上煤矸石的利用大多在发电、化工产品制备、建筑材料和农业肥料等行业进行，近年在建筑材料化利用以及化工利用方面涌现了一系列煤矸石资源化利用的新技术、新方法，有效提高了煤矸石的利用率及经济附加值，值得关注，是实现煤矸石无害化向资源化利用转变过程中盈利性质转换的重要潜力方向。

3.3 建筑与环境修复领域煤矸石固废资源化利用对策

基于对煤矸石固废在建筑与环境修复利用领域应用现状与存在问题的系统梳理和分析，表明目前我国建筑与环境修复领域煤矸石固废资源化利用研发、应用转化速度不断加快，但如何实现从煤矸石固废的“无害化”利用向“资源化”利用转型，仍然是领域关键痛点。从目前的利用方式来看，资源利用效率仍然相对低下，高附加值利用方式相对较少，以建筑或环境修复原料或简单加工产品为主要形式的利用方式，决定了煤矸石固废在跨区域应用、高效高附加应用上存在短板。从技术、产业、政策和发展战略等角度看，我国建筑与环境修复领域煤矸石固废资源化显然存在显著发展潜力：在技术上，大力发展深度利用、高附加值和环境友好固废利用技术，加速匹配煤矸石固废与装配式建筑快速成型技术等建筑、环境修复行业技术的融合，强化煤矸石无害化处理技术的低成本发展，从根源促进煤矸石固废从“无害化”利用向“资源化”利用转型；在产业结构上，促进高技术煤矸石固废利用技术落地，完善煤矸石固废资源化利用产业链，扩大煤矸石固废利用领域的融资渠道，打通上下游产业，促进跨区域、跨行业资源匹配与协同发展；在政策上，配合国家“双碳”战略，制定完善兼具环境意义与经济性的煤矸石固废产业优化扶持政策，建成完善行业标准与管理政策，促进行业规范发展；在发展战略上，进一步统合资源，缩小区域间产业技术发展差异，促进大规模、集成化的资源化利用，加速产业集聚。

4 结语

我国煤矸石固废资源化利用取得了长足进展，初步实现了从固体废弃物向环境治理对象再向资源利用的目标转换，形成了建筑行业以及环境领域的两大重点利用方向，形成了采空/塌陷区回填、筑基修路、土地复垦新型材料、建筑装饰新材料、煤矸石(混合)内能燃烧应用、建筑/环境化工应用等前沿技术方向，但也产生了总体技术水平不高，产业层次低，利用管理过程中存在环境影响问题、地区发展不平衡、管理制度不规范明确、盈利能力问题需要持续改善等痛点，亟待进一步发展。深度利用、高附加值和环境友好的固废利用技术，完善煤矸石固废资源化利用产业链，建成完善行业标准与管理政策，统合资源促进大规模和集成化的资源化利用集聚，这些技术、产业、政策和发展战略上的协同，将为国家“双碳”战略背景下煤矸石建筑与环境修复资源化利用的发展机遇提供科学的发展框架与指导。