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(kāi)采和洗選加工過(guò)程。其熱值一般低于6.3MJ/kg，含有Al2O3、SiO2和Fe2O3等無(wú)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(lái)了非常嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(wèn)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(lái)，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(lái)，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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(wàn)kW，加上在建機(jī)組，總裝機(jī)規(guī)模約達(dá)3500萬(wàn)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(wàn)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(kāi)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(wèn)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(kāi)發(fā)，研究學(xué)者曾利用不同的方法得到過(guò)該種材料。譚建冬等通過(guò)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(lái)提高原料的硅鋁比，并經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)，采用直流自焙電弧爐冶煉法，可以用來(lái)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(lái)制備甲醇。內(nèi)蒙古天時(shí)建環(huán)保科技有限責(zé)任公司利用HTCW高溫?zé)峤鈿饣夹g(shù)承擔(dān)了20萬(wàn)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(lái)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(lái)，煤矸石用作高分子材料填料的應(yīng)用也開(kāi)始活躍起來(lái)。王萬(wàn)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(lái)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。