煤矸石是煤炭的一種共伴生礦物，是一種含煤高嶺土，產(chǎn)生于煤炭的開采和洗選加工過程。其熱值一般低于6.3MJ/kg，含有Al2O3、SiO2和Fe2O3等無機(jī)灰分，總含量達(dá)到煤矸石總量的60%～95%，因難以利用而成為一種工業(yè)固廢。一般地，每生產(chǎn)1t原煤會(huì)產(chǎn)生0.15～0.2t煤矸石。煤矸石的大量堆放帶來了非常嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。大量土地的占用，造成耕地、林地等面積的減少;因自燃產(chǎn)生SO2、NOx等有毒有害氣體，有毒有害元素也會(huì)隨著雨水淋溶和滲濾而污染地下水體和土壤，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害;而且，煤炭企業(yè)每年還需要投入大量資金用于解決煤矸石土地的征用、矸石山的污染以及應(yīng)對(duì)山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害等問題。煤矸石的產(chǎn)生及堆存引起國(guó)外各大產(chǎn)煤國(guó)的關(guān)注。

煤矸石綜合利用的途徑很多，但因受到技術(shù)條件和外部因素的限制，實(shí)際上正在實(shí)行的項(xiàng)目不多。煤矸石的傳統(tǒng)利用途徑主要為回填煤礦采空區(qū)、鋪路、土壤改良、做建筑材料和發(fā)電等。

1 回填煤礦采空區(qū)

煤矸石回填煤礦采空區(qū)就是將煤矸石用于礦井回填，用煤矸石置換出煤炭，可以采用煤矸石不出井的采煤方式，直接填充采空區(qū)，減少煤矸石的排放量和地表下沉量。利用煤矸石作塌陷區(qū)充填原料，可大量地消耗煤矸石，是目前最好的煤矸石處理方式之一。

2 鋪路

法國(guó)道路公路技術(shù)研究部和道路橋梁實(shí)驗(yàn)中心的研究表明，煤矸石可以作為很好的建筑充填材料。將煤矸石分層鋪成35cm左右厚的路基，壓實(shí)后密度可達(dá)1.8t/m3，這樣路基就具有良好的防透水性。法國(guó)北部所有的載重車道路都是使用這種材料做路基。近些年來，以煤矸石作為路基材料，廣泛用于城市鄉(xiāng)村道路、輕重型汽車道路、鐵路路基、人行道、公園小路和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地等。徐豐公路龐莊礦區(qū)段塌陷區(qū)1.2km長(zhǎng)路段的路基，全部采用煤矸石填筑，使用性能良好。

3 土壤改良

近年來，以煤矸石為載體生產(chǎn)有機(jī)復(fù)合肥和微生物有機(jī)肥料等的技術(shù)發(fā)展很快。利用煤矸石制備有機(jī)復(fù)合肥料，主要是利用煤矸石中含有的植物生長(zhǎng)所必須的元素，如N、P、K、B、Cu、Zn、Mo、Co等。以煤矸石和磷礦粉為原料基質(zhì)，外加添加劑等，可制成煤矸石微生物肥料，這種肥料可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、種植業(yè)等。研究表明，煤矸石中的有機(jī)質(zhì)含量越高越好。有機(jī)質(zhì)含量在20%以上，pH值在6左右的碳質(zhì)泥巖經(jīng)粉碎并磨細(xì)后，按一定比例與過磷酸鈣混合，同時(shí)加入適量添加劑，攪拌均勻并加入適量水，經(jīng)充分反應(yīng)活化并堆漚后，即成為一種新型實(shí)用的肥料。錢兆淦等利用碳含量較高的煤矸石作為主要原料制成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料，在陜西渭南地區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)表明，蘋果施用煤矸石肥料比施用等養(yǎng)分含量的摻合化肥和市售蘋果專用肥增產(chǎn)效果明顯，平均增產(chǎn)19%～37%。

4 建筑材料

由于煤矸石具有一定的可塑性和燒結(jié)性，在經(jīng)過均化、破碎、凈化和陳化等工藝加工處理后，可用于制磚。目前，煤矸石制磚已成為煤矸石利用最為普及的一個(gè)方面，應(yīng)用地區(qū)廣，生產(chǎn)工藝成熟。我國(guó)每年生產(chǎn)煤矸石磚約130億塊，生產(chǎn)廠家超過1000個(gè)，種類包括燒結(jié)實(shí)心磚、空心磚、多孔磚、免燒磚、內(nèi)燃磚、釉面磚、高檔瓷磚等。利用煤矸石制空心磚，實(shí)現(xiàn)了制磚不用粘土，燒磚不用燃料，其社會(huì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益均超過了粘土實(shí)心磚。

5 煤矸石燃燒發(fā)電

煤矸石發(fā)電廠是指利用煤矸石作為燃料的發(fā)電廠。煤矸石發(fā)電，其常用燃料熱值應(yīng)在12550kJ/kg以上，可采用循環(huán)流化床鍋爐，產(chǎn)生的熱量既可以發(fā)電，也可以用作采暖供熱。將煤矸石用于在沸騰爐中燃燒發(fā)電或者供暖，這種方法不但可以節(jié)省一部分能源消耗，而且燃燒后的灰渣還可以作為生產(chǎn)水泥等建筑材料的原料來使用，一舉兩得。攀枝花煤業(yè)集團(tuán)將燃燒后的粉煤灰用于水泥摻合料，粉煤灰的添加量達(dá)到40%。目前，煤矸石等低熱值煤發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，為國(guó)家的節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，全國(guó)煤矸石等低熱值煤發(fā)電裝機(jī)已約達(dá)3000萬kW，加上在建機(jī)組，總裝機(jī)規(guī)模約達(dá)3500萬kW。雖然煤矸石發(fā)電裝機(jī)在全國(guó)煤電總裝機(jī)中占比不到4%，但年可燃用煤矸石、煤泥、中煤等低熱值燃料1.35億t，相當(dāng)于4000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)代替了上千臺(tái)礦區(qū)供熱小鍋爐，對(duì)保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境起到了重要作用。

6 煤矸石的高效利用

在我國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期，煤炭產(chǎn)業(yè)面臨調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化重組，延伸產(chǎn)業(yè)鏈、尋求戰(zhàn)略合作的新格局。煤矸石的充分利用，多元開發(fā)市場(chǎng)，與下游產(chǎn)品企業(yè)對(duì)接合作，不失為一條發(fā)展之路。煤矸石其化學(xué)組成主要為SiO2和Al2O3等，可以作為下游精細(xì)加工業(yè)的原料，以此來提高煤矸石的附加值。其終端產(chǎn)品的市場(chǎng)分布在陶瓷、耐火材料、橡膠工業(yè)、涂料、塑料、4A分子篩、鋁硅鐵合金等十多個(gè)行業(yè)。

(1) 分離有用成分根據(jù)煤矸石中不同的化學(xué)元素，從煤矸石中提取的化工產(chǎn)品包括：①鋁系化工產(chǎn)品，如氧化鋁、氫氧化鋁、硫酸鋁和結(jié)晶氯化鋁等。任根寬等以煤矸石和石灰石為原料，采用煅燒活化方法制備得到的Al2O3，鋁的提取率可以達(dá)到90%以上。②硅系化工產(chǎn)品，利用煤矸石中的硅元素可以生產(chǎn)SiC、Na2SiO3、SiCl4等多種硅系化工產(chǎn)品。③碳系化工產(chǎn)品，如白炭黑、硅鋁炭黑等。④其他化工產(chǎn)品，如鈦白粉和鎵等。由于部分煤矸石中含有Ti、Ga等稀貴金屬元素，同樣也可以采用適當(dāng)?shù)姆椒◤拿喉肥谢厥誘iO2和金屬Ga等。

(2) 生產(chǎn)水玻璃煤矸石中的鋁硅礦物主要以高嶺石為主，研究者通常側(cè)重于用酸法提取其中的氧化鋁，而對(duì)酸渣的合理利用較少涉及。事實(shí)上，煤矸石提取氧化鋁后的渣量是煤矸石的70%以上。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)煤矸石酸解渣可用來制備水玻璃，二氧化硅的浸提率可達(dá)80%以上。

(3) 合成耐高溫陶瓷材料由于煤矸石的主要成分是SiO2、Al2O3和MgO等，這些氧化物是合成堇青石和莫來石的主要成分。以煤矸石、用后滑板磚和用后鎂鈣磚為原料，采用石墨、淀粉和復(fù)合添加劑為造孔劑，可以制備出多孔堇青石材料。該材料氣孔率為44.9%，熱膨脹系數(shù)為2.14×10-6K-1，荷軟點(diǎn)為1290℃，具有優(yōu)良的高溫使用性能。以50%的煤矸石，50%的純相氧化物(Al2O3、MgO、SiO2)為原料，在1150～1250℃煅燒3～5h可以得到顆粒狀堇青石陶瓷粉體。近幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)煤矸石高溫氮化反應(yīng)合成Sialon復(fù)相材料的研究越來越多。以煤矸石和炭黑為原料，采用二次氮化法制備了b-Sialon材料，最后分別以不同量的SiC取代a-Al2O3粉，可以制備不同復(fù)合比例的b-Sialon-SiC復(fù)合材料。

(4) 生產(chǎn)建筑用節(jié)能保溫材料利用廢棄煤矸石生產(chǎn)保溫磚，既利用固廢、保護(hù)環(huán)境，又能促進(jìn)新墻材的應(yīng)用，推進(jìn)建筑節(jié)能，有巨大的綜合效益。以煤矸石為原料生產(chǎn)的多孔保溫磚的氣孔率為45.7%，導(dǎo)熱系數(shù)小，為1.49W/(m2?K)，用作墻體磚時(shí)，比普通墻體磚所需的保溫材料大幅減少。

(5) 生產(chǎn)多孔陶瓷煤矸石中含有較多的Al2O3、SiO2，再加上其本身的理化性能，可以用來制備多孔陶瓷材料吸附或者吸聲等。秦巧燕等將煤矸石進(jìn)行高溫焙燒再硫酸活化后用來吸附含鉻廢水，去除率可達(dá)99%以上。張繼香等以煤矸石為主要原料，加入造孔劑和其他外加劑，采用凝膠注模工藝制備得到高頻吸聲性能優(yōu)越的多孔吸聲材料，其孔隙率可達(dá)81.6%。隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展，研究者們不僅可以利用煤矸石制備出SiAlON、堇青石、莫來石、SiC等陶瓷材料，而且他們希望將制備得到的陶瓷材料微納米化、多孔化。微米級(jí)多孔陶瓷是擔(dān)載型微孔陶瓷膜的支體，同時(shí)也是各種催化劑的載體。侯新梅等以煤矸石、滑石為原料，以活性炭粉為造孔劑，合成的堇青石多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度為29.1MPa，顯氣孔率為39.8%。

(6) 生產(chǎn)分子篩同樣地，煤矸石中含有大量的SiO2和Al2O3，這些組分也正是合成分子篩的主要原料。以煤矸石制備分子篩不僅解決了分子篩合成的高成本問題，而且又能提高煤矸石制品的附加值。楊建利、孔德順、王茜等分別研究制備了4A型、P型和X型的分子篩。

(7) 生產(chǎn)分子篩-活性炭復(fù)合材料以煤矸石為原料，對(duì)于分子篩/活性炭復(fù)合物的開發(fā)，研究學(xué)者曾利用不同的方法得到過該種材料。譚建冬等通過往煤矸石和瀝青組成的混合原料中加入白炭黑作為硅源補(bǔ)充來提高原料的硅鋁比，并經(jīng)過炭化、活化及水熱晶化成功合成出了X型分子篩活性炭復(fù)合物。Ma等將煤矸石原料經(jīng)過K2CO3浸漬，隨后在800℃下進(jìn)行活化，水熱反應(yīng)后可以得到條狀活性炭/A型分子篩復(fù)合材料。本課題組以富含石英的煤矸石為主要原料，經(jīng)氫氧化鈉堿熔活化、水熱反應(yīng)合成出13X型分子篩-活性炭復(fù)合材料。

(8) 煤矸石制備鋁硅鐵合金通常情況下，研究者都是先將煤矸石中的鐵元素去除后再進(jìn)行其他產(chǎn)物的提取與合成。若將煤矸石成分中這一部分鐵元素也利用起來，采用直流自焙電弧爐冶煉法，可以用來制備鋁硅鐵合金。

(9) 煤矸石制備甲醇除上述應(yīng)用途徑之外，含碳量較高的煤矸石可以用來制備甲醇。內(nèi)蒙古天時(shí)建環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司利用HTCW高溫?zé)峤鈿饣夹g(shù)承擔(dān)了20萬t煤矸石制甲醇示范項(xiàng)目。也可以先將煤矸石熱解氣化，產(chǎn)生的煤氣用來發(fā)電，剩余的粉煤灰采用合適的方法分離出氫氧化鋁和硅系化合物，然后用煤氣發(fā)出的電用于氫氧化鋁電解鋁的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)煤矸石的綜合利用。

(10) 其他國(guó)內(nèi)外最新應(yīng)用方向煤矸石富含石英、高嶺石和碳等，還可作為高分子復(fù)合材料填料。近年來，煤矸石用作高分子材料填料的應(yīng)用也開始活躍起來。王萬軍等采用沉降提純、漂白、粉粹和煅燒等工藝處理煤矸石，獲得了白度達(dá)到76.3%的微米粉體，用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性后作橡膠填料，獲得了與炭黑相當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)效果。另外，由于污水處理對(duì)廉價(jià)絮凝劑、吸附劑的巨大需求以及煤矸石富含硅、鋁和鐵的成分特點(diǎn)，近年來對(duì)煤矸石制備復(fù)合絮凝(混凝)劑和吸附劑進(jìn)行了許多研究，隋智慧將煤矸石焙燒(700℃)后與硫鐵礦燒渣配合，再經(jīng)酸浸、高壓堿溶與聚合，制備了聚硅酸鋁鐵，產(chǎn)物對(duì)造紙綜合廢水具有明顯的處理效果。