山西省建筑科学研究院集团有限公司,山西太原,030001
摘要:煤矸石对周围环境的危害非常大,会引起污染问题。介绍了煤矿行业产生的固体废物及其危害,提出了针对固体废物采取的综合治理措施,尤其是针对矸石山的温度监测、矸石山的灭火、矸石山的加固改造、矸石山的绿化,有效改善了周围环境的污染问题。
关键词:固体废物;污染;生态环境;危害;防治;
煤矸石是煤矿在生产过程中产生的,包括了多种氧化物。目前,很多煤矿开采、生产区的煤矸石以露天堆积为主,长期堆积容易发生氧化反应,散发热量。热量积聚会自然排放有毒有害气体,导致环境遭到污染。煤矸石长期露天堆积,还会经过雨水浸泡之后使其中的化学成分渗透到地下水中,引发水土污染。
1 研究背景及意义
当前,我国的煤炭能源依然占比较大,中国作为以煤为主的大国,在煤矿生产中产生的大量煤矸石处理与再利用问题日益引起重视。在此基础上,本文通过调查研究提出了煤炭资源开发的新思路。当前,国内的煤矸石堆积量较大,因为过多堆积,造成大量土地资源被糟蹋,随着时间推移,这些堆积物经过风化作用,还会挥发有害气体,形成有害物质,对人民的生命安全构成极大威胁。所以,对煤矸石资源的合理开发与利用已成为我国的重要课题。
2 存在的问题
(1)利用能力参差不齐,存在区域问题。煤矸石主要集中在西部地区等煤炭基地,其产业发展相对滞后,利用率较为低下。如果将山西等地区的煤矸石运往东南等地区,从经济层面考虑并不可行,煤矸石综合利用存在严重的区域问题,且矸石利用产业发展极不平衡。
(2)利用规模小,处理处置利用不规范。煤矸石排放量大,其利用量小于产生量,导致矸石不断堆积,占用土地资源,污染生态环境。以山西省为例,经调研发现,许多煤炭企业面临矸石无处堆放、库容已满的严峻情况,同时用来堆存的土地审批困难,造成土地资源紧缺。
(3)利用技术落后,技术创新动力不足。我国对煤矸石利用方式主要采用低水平、低价值的利用技术,技术创新驱动力不足,严重制约矸石产业的发展。
(4)资金投入不足,鼓励机制和政策有待完善。缩小区域之间发展差距、研发新技术,需要足够的资金支持。煤矸石利用相关的税收、财政、土地供应等政策统筹力度不够,缺乏长效的鼓励机制,导致企业对矸石利用的内生动力不足。同时综合利用的整个研发和利用周期较长,产生效益的周期也较长。
3高值化利用方法
3.1 提取化工产品
煤矸石中含有丰富Si、Al和Ca等元素,还有少量的Ni、B、Be、Ti、Ga等稀有元素。煤矸石作为这些化工元素提取的廉价原料,可制备铝系、硅系等高附加值化工产品。当煤矸石中Al2O3含量大于35%时,可利用此类煤矸石代替铝土矿提取和制备铝盐类化工产品。目前提取铝系化工产品的方法主要有酸法和碱法两大类。酸法是利用酸浸将其中的氧化铝转化为铝盐溶液再利用;碱法是将CaCO3或CaO和NaON与煤矸石在一定温度下煅烧后,使用碱性溶液将其中的氧化铝溶出。酸法提取工艺相对于碱法来说,提取效率高、工艺简单,具有良好的应用前景。
煤矸石含有丰富的SiO2,当煤矸石中SiO2含量大于35%时,可作为硅系化工产品廉价的原料,合成工业水玻璃、碳化硅和白炭黑等,是煤矸石高附加值利用的途径之一。采用氟盐烧结法分离铝硅并制备白炭黑,样品煤矸石中SiO2的回收率可达75.25%,所得白炭黑中SiO2达到94.02%,SiO2回收率93.72%,白炭黑中的主要成分为无定型的SiO2,且符合我国白炭黑行业标准的相关要求。此外,从煤矸石提取的氧化铁产品纯度可达到97%,可广泛应用于颜料、建材、橡胶、塑料、磨料、 催化剂、传感、磁性材料。
3.2提取非金属矿物产品
高岭土是种金属矿物产品,具有良好的可塑性和耐火性。以煤矸石为原料,通过高温煅烧加工可获得煅烧高岭土,用于提取高岭土的煤矸石中高岭石含量应不低于80%。采用原矿-图像法-颚式破碎机-高速多功能粉碎机-超细粉碎机-筛分-磁选-干燥-煅烧方法提取高岭土,煅烧产品白度值由75.25%提高到95.06%。高温煅烧降低了TiO2和Fe2O3含量,有效提高了煅烧高岭土的白度标准。
此外,在煤炭洗选过程中,大量的硫铁矿向矸石中富集,因而煤矸石作为廉价的黄铁矿提取原料,可以解决黄铁矿资源不足的问题。通过浮选试验对黄铁矿进行综合回收。他们用硫酸调节矿浆的pH值,并以利用活化剂、起泡剂和捕收剂进行开/闭路试验,所得到的黄铁矿含量为83.96%,回收率45.15%,所得黄铁矿精矿达到国家优等品Ⅰ级标准,该方法为回收煤矸石中黄铁矿提供了技术支持。
3.3合成沸石分子筛
煤矸石富含的SiO2和Al2O3占比高达60%~90%,是制备沸石分子筛的天然原材料。目前工业上制备沸石分子筛的原材料主要以化学试剂为主,造价昂贵,难以被大面积推广使用。利用煤矸石合成沸石分子筛,即可达到变废为宝的目的。然而,煤矸石中还含有有机质、炭、铁、钛成分直接影响分子筛白度等性能,需要在制备过程中去除。利用混合酸浸出煤矸石中的铁物质,再使用不同络合剂络合除去铁。为了进一步简化工艺,任英杰将两步优化的除铁工艺进行整合,可以得到低铁杂质高白度的4A沸石分子筛,4A沸石产物中杂质铁质量分数为0.052%,除铁率为82.7%。此外,氯化铵固态焙烧除铁法,针对铁含量不高的煤矸石,可以取得较好的除铁效果。
4 未来发展方向
4.1 新型人造土壤
人造土壤不仅可以缓解土壤资源需求压力,还能扩大可用的土壤面积,提供更多的生态修复可能性。这样既能避免开挖和运输客土带来的问题,又能充分利用煤矸石资源,实现废物再利用,解决煤矸石堆存可能产生的问题,达到多重效益。适量添加煤矸石到土壤中可以促进植物生长,因为土壤具备为植物提供生长所需的水分、养分和其他生存条件的能力。将煤矸石与一定量的土壤混合,不仅能提供支持植物生长的条件,还能有效消耗和利用煤矸石,改善矿山生态环境。此外,煤矸石中含有多种农作物所需的微生物肥料成分,我国相关机构已进行了煤矸石为基质的生物肥料菌种研究,并取得了良好的预期效果。煤矸石还可以用于提取稀有元素制备肥料,并用于土地复垦、土壤改良、生物肥料携带、复合肥料调配和吸附剂等,有效改善土壤质量。
4.2 新型吸附材料
由于煤矸石资源种类繁多、物相组成复杂、含有丰富有价元素等特点,可利用物理、化学、生物等多种技术手段来提取有价成分。这些技术手段可根据固废的组分和结构特点,制备出环境友好型多孔吸附材料,如分子筛、净水剂等,为规模化高值化利用固废资源提供关键技术支持。例如,煤矸石是一种无机废物,可用于去除水中混合物中的重金属。然而,该吸附剂的单体吸附能力有限,因此制备海藻酸盐-煤矸石(ACCG)复合材料来提高重金属的吸附能力。另外,通过将煤矸石与残煤结合起来,直接转化为新型吸附剂“煤-铝矾复合”。经过水热碱活化处理后,改性煤负载在铝石表面增强了铝石的吸附能力,从而实现了重金属离子与复合材料之间的化学吸附。
5结语
我国煤矸石排放量大,其分布高度集中于煤炭资源丰富的地区,具有区域性、利用率低下等特点,存在利用规模小、产业链不完整、区域供需不均衡、前端分类预处理缺乏规范等问题。因此针对煤矸石利用存在的一系列问题,提出“源头减量-资源利用-无害处置”规模化处理整体方案,该方案适用于西部地区等煤炭基地,资源匮乏地区则适用高值化的利用方式。通过对煤矸石进行分类、分质、梯级利用,推动煤矸石的规模化和资源化利用,带来一系列社会、环境和经济效益,实现煤炭行业的绿色高质量发展。
参考文献
[1] 姚苏琴,查文华,刘新权,等.萍乡废弃煤矸石理化特性及热活化性能研究[J].硅酸盐通报,2021,40(7):2280-2287.
[2] 田莉,于晓萌,秦津.煤矸石资源化利用途径研究进展[J].河北环境工程学院学报,2020,30(5):31-36.
[3] 李启辉.煤矸石的性质及综合利用研究进展[J].应用化工,2023,52(5):1576-1581.