煤企煤矸石副产品再利用方法研究

沈阳环境科学研究院 陈朝中

一、引言

近年来，国家对于工业固体废物的综合利用领域越来越重视，随着2018年5月国家工信部发布《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》和《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》，该办法旨在建立科学规范的工业固体废物资源综合利用评价机制，引导企业积极主动地开展工业固体废物资源综合利用。该政策制度的实施推进了国内开展工业固体废物综合利用工作的实施，为相关工业固体废物的综合利用产业发展提供了有力支持。

我国是全球煤炭开采量最大的国家，2017年原煤产量35.24亿吨[1]，一般地，每生产1吨原煤，会产生0.15-0.2t煤矸石[2]，据此可知2017年煤矸石产生量为5.52-7.37亿吨。目前，我国有大量煤矸石露天堆放，已经形成2600余座煤矸石山，累积堆存量达50多亿吨，占地20余万亩[3]。

目前，我国煤矸石的主要利用方式包括煤矸石综合利用发电、充填采空区、井下充填开采、沉陷区治理和土地复垦、生产利废建材、填坑造地筑路等。这些利用方式在一定程度上提高了我国煤矸石的综合利用率，但由于这些利用方法大都存在成本高、技术应用范围受限等问题，多依赖于国家政策的补贴支持，随着国家产业政策调整，这样的利用方式容易受到冲击，风险较大，致使产业发展稳定性不足。

现阶段我国煤矸石综合利用技术研究主要包括制备建筑材料、絮凝剂、土壤改良剂和高性能材料微晶玻璃等方面，其中煤矸石制备高性能材料技术是目前研究的热点。文章梳理了以上各类技术的优缺点和适用性，以期为我国煤矸石综合利用技术的研究提供参考。

二、煤矸石综合利用技术研究概述

（一）煤矸石制备建筑材料

1.煤矸石制砖

煤矸石是制砖较好的原料之一，将其经过破碎分选，去除有害颗粒后，根据发热量进行原料配比，得到的原料发热量应达到1680-2100kJ/kg，塑性指数应达到10~13[4]。该技术流程如下，煤矸石经破碎分选和配料达到以上要求，筛分、陈化堆放，由箱式供料机送入高细碎对辊机进一步破碎，经双轴搅拌机进入双级真空砖机进行造型，经过切条机、自动码坯机，进入隧道窑进行干燥和烧成，烧成工艺需要严格按照烧成曲线来控温，以保证焙烧的成品率。

煤矸石制砖技术的优点是消耗废渣量大，缺点是成品主要为烧结砖，工艺污染性大，资源消耗多，工人作业空间危害较大。

2.煤矸石制水泥

煤矸石可以代替一些粉煤灰作为水泥原料使用，从而降低成本，提高经济效益。煤矸石一般具有较好的活性，当其中三氧化二铝和二氧化硅的含量之和达到70%，即可用来制备水泥熟料[5]。

煤矸石制备水泥的过程如下：将煤矸石进行预均化，然后加入生料进行配料，调节三氧化二铝的适当比例，采用低发热量的煤矸石，并严格控制掺加量，其掺加量比例主要考虑窑的结皮量和阻力因素，一般要将煤矸石的含硫量控制在0.8%以内[5]。

3.煤矸石制陶粒

煤矸石可以作为制备陶粒的原料使用，陶粒是一种球形体，具有蜂窝结构，性能优越，表面积小，孔隙率高，广泛应用于石油化工、耐火材料等领域。

煤矸石制备陶粒的步骤包括配料、成核、成球、横辊筛分、烧结成型等。将煤矸石与原料按一定比例配比后，用螺旋输送机运送至均化仓，然后分别进入成核机、成球机进行成核、成球，最后经皮带系统和筛分处理后进入烧成窑，得到的陶粒可作为轻骨料使用[6]。

（二）煤矸石制备絮凝剂

煤矸石中含有较高含量的三氧化二铝和二氧化硅，是最适合制备絮凝剂的原料之一，也是当前人们研究的热点，主要技术研究情况如下。

1.利用煤矸石生产高效混凝剂技术

将煤矸石与原料配比后，进入焙烧炉进行活化，控制温度在550℃-850℃，然后再进行酸性浸出，控制温度为100℃-140℃，然后对酸浸液加铁盐，调整温度为100℃-120℃，生产出铝铁多核混合配体的高效混凝剂，该产品优于聚羟基氯化铝，其中三氧化二铝与三氧化二铁含量之和为30.2%[7]。

2.利用煤矸石生产氯化铝和白炭黑技术

将煤矸石与原料配比后，利用碳酸钾在700℃-1000℃下与煤矸石或粉煤灰的混合物进行煅烧，使其形成易溶于酸的钾霞石，经硫酸浸取后形成含硫酸铝和硫酸钾的酸浸液（氧化铝溶出率90%以上），进一步形成硫酸铝钾而结晶，可制备结晶氯化铝并副产硫酸钾肥，酸浸过程中形成的尾渣为含高活性非晶相氧化硅，易溶于碱制备水玻璃，并进一步加工成白炭黑，氧化硅含量为91%以上[8]。

3.利用煤矸石生产聚合双酸铝技术

将煤矸石与原料配比后，将煤矸石粉碎、煅烧、酸浸、第一次过滤、聚合、第二次过滤，得到液体聚合双酸铝，酸浸后的废渣经二次酸浸生产白炭黑，氧化硅含量超过85%[9]。

4.利用煤矸石生产聚合氯化铝、聚合双酸铝及白炭黑技术

采用煤矸石选择性破碎、混合酸浸、滤渣碱浸酸浸等组合技术，将煤矸石选择性破碎，提高分选原料的氧化铝和二氧化硅含量，采用盐酸、硫酸混合酸对原料进行酸性浸出，提高了铝提取率并降低于酸耗，得到聚合双酸铝，纯度为98.2%；对滤渣进行碱浸、酸浸制取白炭黑，纯度为90.1%；对原料进行酸性浸出，对浸出液加入碳酸钠调整溶液盐基度80%，得到液体产品聚合氯化铝，纯度为99.1%[10]。

（三）煤矸石综合利用其他技术

1.煤矸石制备土壤改良剂

将煤矸石和草木灰改性制备土壤改良剂也是煤矸石综合利用的重要技术之一，将煤矸石活化后，加入草木灰进行焙烧，利用草木灰催化活化煤矸石中的二氧化硅，使其中的硅元素更容易被植物吸收，为植物提供矿物质，同时草木灰含有的钾元素也是植物所需的营养元素，将其与有机肥或风化煤混合搭配，制备土壤改良剂，可有效改善土壤孔隙结构，提高土壤肥力[11]。

2.煤矸石制备微晶玻璃

将煤矸石和铁尾矿作为主要原料制备微晶玻璃是近年来煤矸石综合利用热点技术之一，王长龙等人研究了以上两种原料制备CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃，当原料中煤矸石含量为66%，原料中铁尾矿含量为13%，Ca含量为11%，MgO含量为10%时，加入助溶剂CaF2（含量2%）和澄清剂（含量3%），在马弗炉内1500℃下煅烧并保温5h，得到熔融浆体，将其倒入晶化炉内，在650℃下保温5h，降温后，在马弗炉中，697℃内保温2h，在分别几个不同的温度点下保温2h，冷却后获得微晶玻璃，该微晶玻璃最佳条件下，抗弯强度为 216.49 MPa，耐酸性腐蚀为99.21%[12]。

三、结论

文章对煤矸石综合利用技术进行了梳理，分析了煤矸石制备建筑材料、絮凝剂、土壤改良剂和高性能材料微晶玻璃等技术的原理和优缺点。其中煤矸石制备絮凝剂、微晶玻璃等技术具有较好的技术效果，也是当前的研究热点，但仍然处于初期研究阶段，在未来一段时期内，还需要进行更加深入的研究，尤其是针对煤矸石的特性和配比方面要多下功夫。