第十届“挑战杯”山西省煤矸石综合利用(xu)

F．参赛作品打印处

山西省煤矸石综合利用适应性分析和效益分析

摘要：山西是个产煤大省，煤炭储量大、分布广，开发历史久远。产生的煤矸石数量巨大，大量堆存对周围环境和居民健康构成一定的威胁。本文在对国内外的煤矸石的综合利用情况的了解的基础上，搜集了山西省六大煤田代表煤矿的煤矸石资料，对其特性和化学成分进行了分析，得出了适合其特性的主要使用途径--发电、制砖和生产水泥、制取无机高分子絮凝剂、制取高岭土等；同时又对各种不同的使用途径，分别进行了经济效益分析和环境效益分析；结合山西目前的经济状况和环境状况分析，最后得出符合山西省产业政策的煤矸石的最佳利用途径—发电和生产建筑材料。

关键字：煤矸石 综合利用 经济效益 环境效益

前言

山西全省国土面积15.7万m2，含煤面积5.7万m2，占近40%。煤炭品种齐全，煤质优良，拥有14个牌号的煤种，尤其是大同的动力煤，阳泉、晋城的无烟煤，离柳、乡宁的稀有炼焦煤，其储量大、分布广，开发历史久远。

煤矸石是来源于洗煤厂的洗矸，煤炭生产的手选矸，采煤掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石一起堆放的煤系之外的混合物,通常占采煤量的5%～20%。这些煤矸石数量巨大，长期堆积形成的较大的矸石山不仅影响自然景观，而且还侵占大量耕地、林地、居民地和工矿用地，埋压或破坏了原地貌植被，对周围环境和居民健康构成了很大的威胁：对于一些长期堆放的矸石山,由于风化严重,颗粒粉碎, 在一定的风速下,细小颗粒可通过风的作用进入大气中, 增加了大气中的总悬浮颗粒物，长期生活在这种环境中的居民,鼻咽炎、上呼吸道感染等发病率很高；煤矸石自燃所释放出的大量的CO、CO2 、SO2 、H2S和NOx等有害气体（其中以SO2 为主）,降低了矸石山周围的环境空气质量,影响了周围的生态环境,使树木生长缓慢、病虫害增多,农作物减产、甚至死亡；正在燃烧的矸石山,若恰逢雨水浇淋,产生温度效应,可立即引起爆裂,由温度差形成的气浪可使不同粒径的破碎矸石以抛物线的形式四面喷射,影响公众安全；再者，煤矸石在露天堆放情况下,经受风吹、日晒和雨淋等风化剥蚀作用,其中的铅、镉、汞、砷、铬等有毒重金属元素有可能通过雨水淋溶进入地表水域或渗入土壤,进而通过土壤渗入浅层地下水。进入土壤中的重金属不能被微生物分解,却可被生物富集,给矿区居民带来较大的潜在危害；还有，矿区矸石山多为自然堆积而成,结构疏松,稳定性较差,极易发生崩塌、滑坡和泥石流。

随着科学技术的进步，各种煤矸石的利用途径和技术方法应运而生，煤矸石成为一种可利用的宝贵资源。但比起华东、西南等能源相对短缺的地区，山西煤矸石综合利用率不高，仅为27％，与产煤大省地位不符。故对煤矸石分布、特性进行系统研究和分析，寻求最佳的资源化利用途径，更有效地利用煤矸石资源，是十分必要的。

一、国内外煤矸石的利用概况 （1）国外煤矸石综合利用情况

煤矸石的处理和利用，在国外日益受到重视。60年代以来，法国、巴西、德国、日本、美国等就已经对煤矸石的开发利用开始了较全面的研究，现已进入了成套技术的推广应用。利用煤矸石生产建筑材料已成为一种趋势，是一种成熟的利用技术。采用高新技术发展煤矸石烧结砖是世界大多数发达国家采用的方法，英国、法国、比利时、加拿大、德国和荷兰等许多国家利用煤矸石制砖，利用数

13

量较大，其中以法国的技术最为先进；日本利用煤矸石生产耐火材料和陶瓷；英国利用煤矸石生产砌块；许多国家还大力发展煤矸石轻骨料，利用煤矸石生产水泥、生产加气混凝土和铸石。

（2）山西省煤矸石综合利用情况

我国很早就开始了煤矸石综合利用的研究和生产，并取得了一定的经验和效果。比如煤矸石用于沸腾炉燃烧来供热、发电；用于生产矸石砖，把煤矸石作为生产水泥的原料；从煤矸石中回收硫，生产硫酸等化工产品。

山西省2005年煤矸石产生量占全省工业固体废物产生量的35.1%，综合利用量为1191.98万吨，占煤矸石产生量的30.4％，占全省各种固体废物综合利用总量的23.8%。综合利用量较高的地区依次为太原市（30.1％）、临汾市（19.7％）、晋中市（14.3％）（见图1），这三个城市占全省煤矸石综合利用总量的64.0％。煤矸石综合利用主要集中在煤炭采选、石油加工等行业，其中煤炭采选业和石油加工及炼焦业分别占2005年的综合利用量的84.7％和14.3％。由图1可以看出，山西省煤矸石综合利用量呈明显上升趋势。

错误！链接无效。

图1 “十五”期间各主要城市煤矸石综合利用量变化趋势图。 二、山西煤矸石特征

1．数量巨大：山西煤矸石数量巨大,截至到2005年末，总量已达到10亿吨，占地20余万亩，而且每年以约1亿吨的数量递增。煤矸石每年给全省造成的直接经济损失高达5.6亿元。如山西潞安矿业集团每年生产的煤矸石要占地200多亩，为处理这些煤矸石，每年要花4000万～5000万元。

2．分布广：全省118个县级行政区中94个县地下有煤，91个县有煤矿。共分大同煤田、宁武煤田、太原西山煤田、沁水煤田、霍西煤田和河东煤田六大煤田。煤矿的开采必然导致煤矸石的生成。

3．放射性元素含量不超标：从山西省部分有代表性的煤矿煤矸石放射性强度检测结果得，山西省从北到南的几处具代表性的煤矿所产煤矸石，无论是内照射指数，还是外照射指数均小于l，其产销与使用范围将不受限制。

三、山西煤矸石化学组成

表1 煤矸石的化学成分（%） SiO2 30～60 Al2O3 15～40 Fe2O3 2～10 CaO 1～4 MgO 1～3 K2O 1～2 C 20～30 Na2O 1～2 煤矸石是由碳质泥岩、碳质砂岩、泥岩、粘土等组成的混合物, 不同地区的煤矸石由不同种类的矿物组成,其含量相差也很悬殊,一般煤矸石主要由高岭石、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁等组成。随着不同产地，不同层位，不同开采方式，煤矸石的化学组成变化很大，但一般在一定范围内浮动（见表1）。其化学成分主要是SiO2、Al2O3 和C , 其次是Fe2O3 、CaO、MgO、Na2O、K2O、SO3 、P2O5 、N 和H 等。此外,还常含有少量稀有金属Ｔi、V、Co 和Ga 等金属元素。其中的C、H、O 是燃烧时能产生热量的元素,煤矸石的发热量一般为4.19～12.6MJ/kg,烧失率一般大于10%。如朔州市朔城区杨涧煤矿9#、11#煤锗含量为0.3～0.47g/t，镓含量为11.9～20.7 g/t，且同一矿区的同一煤层，煤矸石的化

14

学成分一般相对稳定。

为了更好地了解山西煤矸石的特性，对原煤进行筛分实验，实验结果如表2所示。从表2可见，+50mm原煤可见矸石产率为7.907％。同时为了使分析结果具有典型性和代表性，分别从六大煤田选取代表煤矿煤矸石作为原始资料，部分煤矿煤矸石成分如表3所示。从表3中可以看出，除个别外，绝大部分煤矿SiO2含量高，一般均在40%～60%之间，Al2O3含量低，大部分在20%左右，Fe2O3变化幅度较大，沁水煤田的煤矸石其Fe2O3含量明显比霍西煤田的低。

表2 代表煤矿原煤自然级筛分所得煤矸石成分表（%） 产率 质量 Qgr.v.d(MJ／kg) 粒级 (mm) 质量(kg) 占全样 筛上累计 Ma Ad Std >100 100～50 396.4 356 4.166 3.741 9.742 19.837 0.39 0.6l 76.75 77.70 1.92 1.02 4.08 4.13 表3 山西省各地区代表煤矿煤矸石成分一览表[1] [2] [3]（%） 来源 红杏煤矿 贺西煤矿 裕公坑煤矿 斜沟煤矿 西山西铭矿 官地煤矿 长河峪煤矿 大同矿区 王台铺煤矿 泽州古洞瑶煤矿 阳城皇联煤矿 高平川起煤矿 沁水永安煤矿 晋城天户煤矿 高平唐安煤矿 潞安常村煤矿 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 1.54 1.54 0.70 1.54 0.44 0.81 CaO 1.95 1.95 0.59 1.95 0.26 1.55 1.17 0.58 2.14 2.28 0.24 0.13 0.44 0.20 0.40 0.52 MgO 0.71 0.71 0.36 0.71 0.53 0.19 0.15 0.67 0.98 0.40 0.40 0.10 0.32 0.23 1.37 SO3 1.46 1.46 0.07 1.46 0.09 0.30 0.84 0.40 0.08 0.48 0.18 0.04 Na2O 1.23 1.23 2.24 0.46 0.00 0.50 0.52 0.89 K2O 0.19 0.19 1.16 0.24 0.00 0.14 0.52 0.49 LOI 16.02 16.05 14.59 12.68 49.65 14.44 56.53 23.9 49.94 20.61 6.32 59.4 26.61 6.30 51.21 25.08 4.82 59.4 26.61 6.32 57.70 36.35 3.25 57.19 33.53 3.72 54.70 27.73 10.52 0.65 42.28 39.37 0.33 37.35 19.81 8.95 53.29 21.48 3.65 26.32 21.74 0.53 45.74 36.22 2.52 21.03 18.02 0.79 40.27 32.61 0.61 40.13 27.78 1.38 50.30 26.36 2.64 0.09 0.50 0.88 0.30 0.27 0.35 0.30 0.50 0.80

四、决定煤矸石综合利用途径的主要因素

决定煤矸石综合利用途径的主要因素有如下几个方面：

1．铝硅比值(A12O3／SiO2)：铝硅比值大于0.5的煤矸石，铝含量高、硅含量较低，矿物成分以高岭石为主，含有少量的伊利石、石英，粒径小，可塑性好的可作为煅烧高岭土、高级陶瓷及分子筛的原料。

2．碳含量：含碳量大于6％、发热量低于2090 kJ／kg的煤矸石可用作水泥的混合材、混凝土骨料和其它建材制品，也可用于复垦采煤塌陷区和回填矿井采空区；含碳量为6％～20％、发热量介于2 090～6 270 kJ／kg的煤矸石可以生产水泥、砖等制品；含碳量大于20％、发热量为6 270～12 550 kJ／kg的矸石一般用于燃料。

3．硫含量：含硫量大于5%的煤矸石即可回收其中的硫精矿。含硫量小于5%

15

的煤矸石即可根据其利用方向不同可进行脱硫后再利用。 五、山西煤矸石的主要用途： (1) 利用煤矸石来发电和采暖供热

由表2可看出,在所研究的煤矿中,除晋城高平川起和天户煤矿、西山西铭矿和官地等个别矿外,大部分煤矿煤矸石A12O3含量均小于30％,SiO2含量较高，铝硅比低于0.5，不属于优质黏土岩范围。但经过选矿、除砂、除碳等工艺后，SiO2含量降低，A12O3含量升高，将成为质地较好的高岭石黏土岩。其中除西山铭矿、官地等矿含碳质较少外，其他煤矿，尤其是晋城的代表煤矿,其炭质和水分含量较高，一般达10％～40％左右，可以用他们来发电及采暖供热。热值在400kJ／kg以上的煤矸石，可用作沸腾炉的燃料直接燃烧，用作矿区供热或发电。 （2）用煤矸石来生产建筑材料

在煤矸石的开发利用中，目前大量的用于建筑材料。据有关资料介绍，居民所接受的辐射剂量，约40%来自建筑材料，30%来自土壤的天然放射性和宇宙射线，另外的30%来自X射线诊断照射及其他射线波。在个人所接受的剂量中，建筑材料占有很大比重[4]。

从山西省部分有代表性的煤矿煤矸石放射性强度检测结果得，煤矸石的利用将不受其放射性元素的制约。

煤矸石能否烧制砖,需视其物化特性, 主要看其化学成分是否能满足烧制砖的要求[5]。表4列出了对原料主要化学成分含量的要求。据分析,山西省大多数煤矿区(以潞安矿区常村煤矿、晋城区大部分煤矿为代表)的煤矸石的主要矿物成分是粘土矿物, 它们的化学成分基本上符合制砖所需的要求,是制砖的好材料。此技术比较成熟，砖的质量性能指标优于传统生产的黏土砖。

表4 制砖对煤矸石化学成分的要求（%） SiO2 55～70 Al2O3 15～25 Fe2O3 2～8 CaO ≤2 MgO ≤3 SO2 ≤1

如果用来烧制空心砖，其所得砖质轻，同体积的重量比实心砖要轻17%以上，可降低建筑物基础承载负荷，降低基础造价。加之孔洞的存在使砂浆嵌人增强了墙体的整体强度，其抗折强度比实心砖墙体提高20%左右，因此有较好的抗震性。同时它又是很好的建筑节能材料，具有良好的隔热保温性能，还可降低建筑物在冬季取暖和夏季空调使用的能源消耗约25%。

表5分别为水泥生料用黏土和各地区矸石山上的混合煤矸及洗煤矸石的化学成分特征表。从数据类比中不难发现, 只要在选料和配料时使所配生料的化学成分与各率值满足生产水泥熟料的要求，注意限制原料中的有害成分。山西大部分地区的煤矸石可以用来代替粘土烧制硅酸盐水泥熟料。

表5 水泥生料用黏土和各地区混矸化学成分对比表 来源 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 黏土 大同混矸 阳泉混矸 太原混矸 盂县清城混矸 40～60 48.80 45.85 46.90 45.71 10～25 13.52 22.67 20.46 36.89 2～8 3.72 3.80 5.29 0.47 2～10 0.41 3.17 1.14 0.24 0～5 0.63 1.39 0.44 0.35 0～3 1.22 3.01 0.65 （3）用煤矸石制备无机高分子絮凝剂

16