煤矸石的研究现状与应用

2019年10月煤矸石的研究现状与应用69煤矸石的研究现状与应用王世林牛文静张攀王婷+(银川能源学院化学与生物工程学院，宁夏银川750105)摘要:概述了煤炭资源开采过程中的固体废弃物煤矸石的来源、组成、特性及其危 害，介绍了煤矸石的改性方法，并论述了国内外煤矸石的应用现状。

关键词:煤矸石现状应用近几年，随着我国煤炭工业的发展，在煤炭资源的 开采过程中，伴随着一种固体废弃物煤矸石的产生，大 约占煤年产量的15% [1]。

大量的煤矸石的堆积不但会 造成水体、空气和土壤的污染而且还会侵占大量土地面积，另外,煤矸石中含有FeS 2，易自燃造成森林火灾 等自然灾害事故。

因此,煤矸石的综合利用已成为人 们所重视和研究的问题。

但是煤矸石在我国的利用率 又非常低，主要是用于发电、制砖、筑路等粗犷式的方 法。

因此，提高煤矸石的利用效率，解决我国的资源闲 置和浪费问题，是形势所需。

1煤矸石的研究背景1.1煤矸石的来源中国的煤炭开采量位于全球之首，随着我国煤炭 行业的发展，伴随着一种固体废弃物煤矸石的产生，如 建井时、改扩建矿井和原料煤洗煤时都会产生煤矸石。

在地下，沉积岩层所含的煤矸石量最多。

在中国，煤矸 石受到地理环境等因素制约，自然堆积的方式最为广 泛，通常堆放在煤炭开采的工业场所附近，如山坡、深 沟等废弃区域。

1.2煤矸石的组成煤矸石由粘土岩、砂岩、碳酸盐岩和铝质岩组成。

它主要是一种无机混合物，它主要由铝硅酸盐组成，含 有不同量的？^03和&1〇、]^0、1{20等无机物质。

煤 矸石是一种黑色固体。

燃烧后通常结构松散，呈淡黄 色。

由于各个岩石种类不同，其矿物组成具有一定的 复杂性，煤矸石主要由粘土矿物高岭石、伊利石、蒙脱 石、勃母石、石英、方解石、硫酸铁及碳质组成[2]。

煤矸 石的化学组成见表1。

1.3煤矸石的特性(1)多孔性:煤矸石中含有一定含量的碳,通过破 碎、粉碎、过筛后的的煤矸石在高温下煅烧后，表面会有孔隙，使得煤矸石的比表面积增大。

(2) 活性:煤矸石中还有大量的《02和A 1203，在天 然形成过程中S i -0和A I -0成键牢固。

通过焙烧改变煤矸石的物相组成和微结构，形成具有活性的Si 02 和A 1203，使煤矸石活性大大地提高[3]。

表1煤矸石的化学组成成分组成（％)Si 0255Al 2〇332Fe 203 5.2CaO 0.8MgO 1.86Ti 〇2 2.85K^O + N ^O2.13V 2〇50.01P 2〇50.151.4煤矸石危害近年来，随着我国工业经济的发展，我国环境问题 日益突出，已经影响和限制了我国各方面的发展，国家 有关部门也出台了一系列的相关政策措施，遏制环境 进一步恶化。

在工业固体污染物中，煤炭行业较为严 重。

煤矸石是与煤层伴生的一种含碳量较低的岩石， 由于长时间未能找到合理的利用途径，大量的堆放会 对水体、大气和土壤产生一定的危害，甚至会造成自然 灾害。

煤矸石是中除含有金属氧化物，还含有数量不等的有毒重金属离子，如Pb 2+、&3+、Hg 2+、As 2+等，煤矸 石长年累月风化后，经过雨水冲刷，这些有毒的金属离 子会通过淋滤作用，煤矸石中的可溶性重金属离子进 人地表水或地下水，造成水体污染[4]。

煤矸石排放量大，不但会造成占用土地面积，还会造成土壤重金属污染。

经研究表明，通过淋溶和浸泡作用，煤矸石中的无机盐和重金属会进人土壤，造成重金属在土壤中富集污染土壤[5]。

煤矸石中含有一定量具有可燃性物质，如果煤矸石在长期露天堆放中因氧化放热，热量无法散失，煤矸 石内部温度会不断提高[6]。

在有空气存在的情况下，作者简介:王婷(1983 -),女，湖南长沙人，讲师，主要从事功能材料和催化剂制备研究70江西化工2019年第5期煤矸石内部温度一旦达到着火点就会燃烧，释放出一 氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢和氮氧化合物等 有毒有害气体，二氧化硫释放量位居首位[7]。

2煤矸石发展现状煤矸石的用途多样化，但自古至今在我国的煤矸 石利用率都很低，绝大多数用于了工程应用，如回填铺 路，由于受到开发工艺不成熟的限制，煤矸石没有发挥 出潜在的利用价值。

煤矸石的大量堆放面临着占地和 生态环境破坏等严重问题，随着国家对煤矸石资源综 合利用的重视和科研水平的改进，以煤矸石为原料生 产出附加值较高的各类产品，应用于各行各业,实现了 变废为宝，推动煤炭事业可持续发展。

2.1煤矸石改性方法原料煤矸石结构紧密，高岭石等矿物结晶较好，有 序度高，其中的硅氧多面体之间排列紧密活性较低。

即使经研磨增大其比表面积,引起其部分晶格畸变，低 温下其内部大部分矿物仍具有稳定的组成和完整的晶 形，内部孔隙少，在化学反应上依然显示惰性，此时煤 奸石的吸附能力不强。

为了提高煤矸石的活性，增加 其吸附性能，必须对其改性。

煤矸石的改性方法如图1 所示。

m mI -------H高温处理I活化处理)•------叫 酸.碱、蒸汽&理煤矸的改性方法预处理[-------q氧化锌或碳酸盐等处理图1煤矸石的改性方法2.2煤矸石改性应用在我国，煤矸石的改性已经广泛应用于各个行业， 融人于生活中的方方面面，成为了不可或缺的原料。

如图2所示，改性煤矸石主要应用于发电、制造建材、 吸附剂和燃料等。

「—^用作吸i t 剂I用于发电 制造建材——| 芾彳乍燃钭一—|其它应甬------^生产石棉|------^生产水泥|-——^生产肥料—| .....>|生产恭玻璃]图2煤矸石改性的应用2.3国内利用煤矸石的状况随着煤炭的的増加，国内煤矸石的排出量逐年增加，截止2013年，煤矸石的排出量已经达到了 7. 5亿 吨，未开发的利用占总生产量40%,近几年，国家大力 提倡开发新能源，煤炭挖掘量受政府限制，开采量相比 往年有所下降，导致了煤矸石产量减少。

这几年来，国家加大了煤矸石科研力度,寻找了多条利用途径，如工 程上应用于公路路基和填充煤矿塌陷区，这些消耗的煤矸石量达2.6亿吨，占已经利用总量的60%。

目前已经开发了多种煤矸石的利用方法，具体用途见表2[8]。

表2煤矸石主要用途及应用领域虽然国内探索了多条煤矸石利用路线，但受到生 产技术不成熟的限制，利用煤矸石生产高附加值的产 品的消耗量较少。

大多数用于了建筑行业生产水泥和 用于铺路，虽然这些用途消耗的煤矸石量大，但附加值 不高，带来的经济效益也不高。

随着工业发展和产业 升级，我国水体已经暴露出不同的污染物。

我国水资 源短缺问题也愈发严峻，利用被遗弃的资源降解味精 厂废水中有毒有害的物质，使得废水经处理后达标排 放，这不仅解决了煤矸石大量聚集的问题，而且解决了 煤矸石占地和对生态环境和威胁人类健康的问题，同 时也解决了污水排放造成的污染问题。

这确实是一种 有效的措施，可以将废物变为财富，并将损失转化为利 润。

2.4国外利用煤矸石的状况煤矸石堆积如山，成为全球关注的焦点，生产高附加值的化工产品已经受到国外很多国家的重视。

国外 利用煤矸石最早起源于20世纪40年代，到上个世纪四 十年代，一些发达国家制定了相关的鼓励支持，提倡利用煤矸石。

到目前为止，国外较为成熟的利用技术是 生物复田，并且这项技术得到了世界推广和利用，实现 了煤矸石资源化利用[9]。

国外一些国家特别重视城市 生活垃圾的回收利用，做好城市环境综合整治的管理 和规划工作，在国外的一些国家他们主要除了工程应 用，如煤矸石来填井、做建筑材料、做有机材料、用作水 泥等。

还使用煤矸石中丰富的元素制备高附加值的化 学产物，如净水剂、碳化硅等产物，大大提升了煤矸石 的潜伏利用价值。

3煤矸石应用前景在我国，煤炭占据能源的主导地位。

煤矸石已经 成为一种排出量和储存量最大的工业废弃物。

如何解 决煤矸石堆积量大而利用率小的问题，成为我国有关类别主要用途农业主要用于作肥料基质和改良土壤。

建筑主要用于制砖、配置水泥和混凝土。

电力当热值< 12550kJ/kg,主要用于发电； 当热值4500 - 12550kJ/kg,主要用于粉 碎掺人煤泥发电或热电联产。

回收物质主要用于回收硫铁矿。

制取化工产品主要制取氯化铝、聚合铝、明矾、白炭 黑、水玻璃。

工程应用主要用作公路路基和复垦及回填矿井采空区。

其他主要用于烧制陶瓷、炼制硅铝铁合金、 作铸造型砂和墙体材料。

改性媒矸石的应甬2019年10月煤矸石的研究现状与应用71部门和科研人员的研究热点。

我国煤矸石利用程度低，生产出的高附加值产品占有率小，我国颁布了鼓励 利用煤矸石综合开发利用的举措，提高企业开发利用 废弃资源的积极性，以扩大合理开发利用和减少排出 量为宗旨，实现废弃资源的资源化[1°]。

我们应该响应国家政策的号召，因地制宜地生产 出经济效益高的产品，对现有成熟的工艺进行优化，在 保证市场需求的前提下，给企业带来最大的经济利润。

合理研究和开发新工艺，积极投人大量资金建设购置 先进设备。

煤矸石的合理开发利用不仅解决了煤炭企 业的难题，还减少环境污染，推动了煤炭企业可持续发 展和我国废弃物资源化利用[11]。

*基金项目：宁夏自治区大创项目(NXCY2017369)。

参考文献[1]朱包忠，谢永卫.煤矸石综合利用的研究进展[J].贵州大学学报（自然科学版）,2007(05) :520 -525.[2]王彦峰.论煤矸石综合利用现状[J].北方环境，2011,23(11)：52,[3 ]宫晨琛，宋旭艳,李东旭.煅烧活化煤矸石的机理探讨[J].材料科学与工程学报,2005, (01) :88 -91.[4 ]刘迪.煤矸石的环境危害及综合利用研究[J].气象与环境学报，2006,（03) :60 -62.[5]王新伟等.煤矸石堆放对土壤环境PAHs污染的影响[J].环境科学学报,2013 ,33(11) :3092 -3100.[6 ]樊金拴.煤矸石对环境的危害与开发利用研究[J].资源开发与市场，2〇〇8，（01):56 -59.[7] 李桂芬.煤矸石综合利用[J].煤炭技术，2006,(04) ：116-118,[8] 曹建军，刘永娟，郭广礼.煤矸石的综合利用现状[•!].环境污染治理技术与设备,2004,(01):19 -22.[9] 孙春宝等.煤矸石及其国内外综合利用[J].煤炭技术，2016,35(03) :286 -288.[10] 高宝玉等.用煤矸石制备聚合氯化铝铁絮凝剂的研究[J].环境科学，1996，（04):62 - 63.[11 ]煤矸石综合利用管理办法(2014年修订版）[J].砖瓦，2015,(02) :3 -5.Research Status and Application of Coal GangueWang Shi- lin Niu Wen- jing Zhang Pan Wang Ting*(College of Chemistry and Bioengineering^Yinchuan University of Energy^Ningxia Yinchuan750105) Abstract：This paper summarizes the source,composition,characteristics and hazards of solid waste coal gangue in the process of coal resource mining,introduces the modification methods of coal gangue,and discusses the application status ofcoal gangue at home and abroad.Key Words：coal gangue；current situation；application。