煤矿“三废”利用

煤矿“三废”的资源化探讨 煤矿在生产过程中将产生众多的污染源，诸如矿坑水、煤矸石、矿井废风、粉尘、噪声 及地表沉陷等，而其中又以“三废” （即废水、废矸、废风）带来的污染问题更为突出。 煤矿生产中所产生的“三废” ，除对环境将造成一定的污染这一负面效应外，如果能在 努力实现“减量化”的同时，充分挖掘其潜能，变“废”为宝，使之资源化，便可充分体 现出“三废”为人们造福的正面效应。 1 矿坑水的资源化 矿坑水是煤矿排放量最大的一项废水。全国煤矿年排放量约为 20 多亿 m3，大部分矿 区的吨煤排水量约为 24m3。这些废水如果不加处理对外任意排放，不仅浪费宝贵的水 资源，而且将对矿区及其附近区域产生严重的污染。然而，据统计我国约有 70的矿区水 资源匮乏，这种“排”与“需”的矛盾十分突出，为此矿坑水的资源化就是解决这一矛盾 的必由之路。 由于矿坑水的来源不同，其水质也有很大差别，为使其资源化，可遵循“清污分流、 分质处理、分级应用”的原则，采用不同的处理方式，派上不同的用场1。 1）洁净矿坑水。对基本未受污染的矿坑水（如奥灰岩、太原组灰岩、茅口灰岩等地下 水） ，一般水质呈中性，硬化度与浊度较低，基本不含有毒、有害离子，可在井下涌水水源 附近拦截汇聚，然后通过专用的管道引至井底，再经水泵排至地表，不用处理（或稍作消 毒处理）即可直接用于生活用水（如邢台煤矿、后所煤矿等）12。 2）含悬浮物的矿坑水。此类矿坑水的主要污染物为悬浮物（SS） ，其含量多在 100400mg/l，一般含少量的有机物及细菌，通常可采用混凝土、沉淀、过滤及消毒杀菌 处理工艺。经处理后的矿坑水，可作为生活饮用水及井上、井下工业用水（如平项山矿区、 门头沟煤矿） 。 3）高矿化度矿坑水。此类矿坑水，除通常含有一定程度的悬浮物外，其含盐量还大于 1000mg/l。水中的含盐量主要来自 Ca2+，Mg2+，Na+，SO42-，Cl-，HCO3-等离子，水质多 偏碱性，带苦涩味，其硬度往往也较高。对该类矿坑水的处理通常分两步：第一步为混凝、 沉淀的预处理，主要去除悬浮物及杂质；第二步通常以电渗法脱盐。处理后的矿坑水一般 可作工业用水，有的还可作饮用水（如西北、中原、华东等部分矿区） 。 4）酸性矿坑水。pH 值小于 5.5，具有较强的腐蚀性，一般含有大量的 Fe（Fe2+，Fe3+） ，SO42-，Cl-，HCO3-等离子，目前我国大多采用酸碱中和法进行处理。由 于酸性矿坑水水质一般较复杂，若将其处理为生活饮用水，其成本较高，经处理后的酸性 矿坑水，一般可作为某些工业用水或达标后外排用于农业灌溉（如涟邵、资兴、长广、梅 田等矿区） 。 5）含特殊污染物在矿坑水。含重金属、放射性元素、氟化物等，由于它们对环境的污 染和对人体的健康危害性较大，且处理工艺较复杂，成本也较高，按常规方法处理后一般 很难满足生活饮用水及工业用水的标准，通常只要求达标排放，仅用于农业灌溉（如砚台， 阜新矿区） 。 2 煤矸石的资源化 井下开采产生的煤矸石，主要来源于岩巷、半煤岩巷、井筒、硐室掘进和巷道、采场 的局部冒顶，以及煤层中的夹矸等。矿井矸石排放量一般为原煤产量的 820，平均 约为 12。我国每年生产的原煤在 10 亿 t 以上，年排矸量约为 1.5 亿 t 左右，迄今为止， 全国累计堆放的煤矸石已达 30 亿 t，这些固体废弃物已成为矿区的一大污染源。 煤矸石在地面上堆放要占用大量的土地，我国现存的煤矸石占为 8000hm2，年增矸石 量约 1.52.0 亿 t，年增占地面积 117hm2；有的煤矸石具有自燃性，自燃时将排出大量的 煤尘（STP）及 CO，CO2，SO2，H2S 等有害气体，对矿区环境造成严重污染；有些矿区的 煤矸石富含硫铁矿，甚至还含有某些重金属或放射性元素，其淋溶水将对生态环境造成不 同程度的污染；暴雨有可能导致矸石堆（山）崩塌，甚至形成泥石流，危害极大。 在矿井设计基建及生产过程中，应尽量控制井下煤矸石的生成量，并使之资源化。 2.1 井下就地消化 1）采用宽巷掘进工艺。在较薄的煤层内掘巷时，可采用宽巷掘进工艺，将掘进所出矸 石就近堆砌于巷道一侧或两侧作巷旁支护用，即解决了矸石不出井，又改善了巷道的维护， 同时还实现了无煤柱护巷，有利于提高资源回收率。这里要解决的主要问题是如何实现砌 筑工作机械化。 2）在煤柱内开掘储矸巷道或硐室。在井下某些永久性煤柱的煤体内开掘储矸巷道或储 矸硐室，将井下其它巷道掘进所出矸石作为充填材料存放于煤体内的这些巷道或硐室空间， 即消化了井下矸石又提高了资源收率。 3）充填采空区。将巷道掘进所出的矸石作为充填材料直接用于采空区的充填。对急倾 斜煤层来说可采用自重充填；对缓倾斜煤层可考虑采用压气译、膏体充填。利用废矸对采 空区进行充填，不仅避免了矸石的外排，还可有效减轻地表的沉陷，有利于保护地面建筑 物，有效控制地质灾害。 4）作巷旁支护的骨料。当井下采用沿空留巷时，可利用井下废矸作为巷旁支护时高水 充填或膏体充填的骨料。 2.2 出井矸石的综合利用 煤矸石虽然属于一种固体废弃物，但其中也包含了若干有用组分，因此从另一个角度 看，它又是一种可利用的资源。 1）煤矸石发电。鉴于煤矸石中通常都含有一定数量的可燃物（如残煤、硫铁矿、炭质 页岩等） ，固定炭的含量一般在 1030，发热量高者可达 12000kJ/kg 以上，低者约为 6000kJ/kg3。对于发热量较高的煤矸石，可以直接或掺和少量原煤用于发电。如江西丰城 矿务局矸石发电厂仅两年时间，就燃用煤矸石 33.2 万 t，创产值 4425 万元，经济效益、环 境效益十分显著。 2）煤矸石制砖、制水泥。低发热量的煤矸石可用于制砖，如丰城矿务局先后建成了 3 个矸石砖厂，年耗煤矸石 12 万 t 以上，年产值 720 万元。 若利用煤矸石代替粘土作生产水泥的熟料生产普通硅酸盐水泥时，对 1000t/d 熟料水 泥生产线，每年可消耗煤矸石 7.5 万 t，若以 3000t/d 规模建厂则年耗矸石量可达 22 万 t 以 上。 3）煤矸石生产肥料。对于富含腐植酸的煤矸石，可应用生物工程原理，以 70的煤 矸石粉为主要原料，再加入适量的生物菌种、磷铁粉、淀粉等原料配制成肥料，具有较好 的肥效。根据洼里煤矿的生产资料，若以每年生产肥料 2 万 t 计，可创利税约 600 万元， 年耗矸石量可达 1.4 万 t 左右。 4）充填塌陷区、复垦造地或筑路。我国有不少矿区在采动影响下，地表出现范围不等 的移动盆地塌陷坑、裂隙带，可利用废矸对上述区域进行充填复垦造田，以弥补由开采带 来的农产损失，缓解矿、农矛盾。 煤矸石的用途十分广泛，除上述用途外，尚可根据其有用组分成生产氯化铝、聚合氯 化铝等净水剂，回收硫铁矿作为制作硫酸的原料，用于制作陶器的原料等等。 3 矿井废气的资源化 从井下排至地面的废气中，含有 CH4,CO,CO2，NOx，H2S 等有害气体，当井下空气中 CH4 的含量达到一定程度后，将有爆炸或燃烧的危险；当含有上述有害成分的矿井废气 （废风）排至地表，则会污染矿区及其附近的空气，给矿区的生态环境及人们的健康带来 危害。矿井废气是一种污染源，而其中所含的甲烷则是一种可贵的自然资料，既可用作高 质量的燃料，又可作化工原料。虽然在矿井废气中有用成分（主要是 CH4）的含量很低， 然而这种废气的产生量即很大，如果能使之资源化，其意义十分重大。 3.1 对煤层瓦斯实施抽放并使之资源化 在我国相当多的煤矿区都富含煤层气（CH4） ，根据统计我国陆上埋藏在 2000m 以上的 煤层气资源量达 321012351012m3，约与我国天然气的蕴藏量相当4。 煤层中所含 的甲烷，在煤层的开采过程中有相当多随矿井废风而排放大气。据统计，1990 年国有重点 煤矿的高瓦斯矿井和低瓦斯矿井通风排出的瓦斯分别约为 33 亿 m3 与 11 亿 m3。据初步估 算：1m3 的 CH4 所产生的热效率约相当于 5kg 的标准煤。如此众多的 CH4 气体资源白白地 排放大气实属可惜。 我国不少高瓦斯矿井，根据本矿井煤层瓦斯的赋存特征，相应采用了瓦斯的本煤层抽 放、顶板或底板钻孔抽放、采空区抽放等，抽出的高浓度瓦斯直接作为发电或民用的洁净 的高热值燃料。 我国目前在 CH4 资源化方面存在的主要问题是抽放率低、利用率低。据统计，我国 2001 年煤矿井下瓦斯的抽放量近 10 亿 m3，其抽出率仅为 20左右，这在很大程度上与 我国各矿区煤层的透气性普遍低有关。为提高抽放效果，应在加大抽放资金投入、增强抽 放力度、进一步完善抽放系统的同时、不断改进抽放方式，对低透气性的煤层，可考虑采 用高压细射流、液压压裂、向煤层注氮、实行本煤层的长钻孔抽放及高压钻进技术等。 关于抽出瓦斯的综合利用率，我国各矿区也有很大差异。据近期的统计资料介绍，我 国抽出瓦斯的综合利用率约为 30，其主要原罪有的矿区抽出的瓦斯浓度偏低，有的则由 于缺乏相应的奖金投入，或因设备不配套，或现有用户方需求量低于抽放量等。为此应采 取相应的措施，不断提高抽出瓦斯综合利用率。 3.2 矿井废风的利用 在矿井的回风流中，O2 通常仍有较高的比例（约为 20左右） ，同时还含有一定数量 的可燃组分（CH4） ，对高瓦斯矿井来说一般接近 1，由此可见仍具有相当大的利用前景。 1）CH4 富集后加以利用。所谓 CH4 的富集，是指通过某种工艺，将低浓度的 CH4 变 高浓度 CH4，从而提高其利用价值。鉴于活性炭具有多孔性，拥有较好的吸附性能，可对 矿井废气中的 CH4 进行吸附，然后加以解吸，从而提高 CH4 的浓度。原苏联曾在这方面做 了一些有益的尝试，可以借鉴。另外，我国西南化工设计研究院采用变压吸附技术处理矿 井煤层气，有效地提高了 CH4 的浓度及利用价值5。 另外鉴于废风中 CH4 的密度比 N2，O2 小，易浮于废风流的上层，可考虑将矿井排出 的废风经扩散器扩散后引入专用的气流通道，然后对浮于气流上层并汇聚于瓦斯聚集的高 浓度 CH4 加以分离，回收及利用。 2）直接利用矿井废气作燃料 a作辅助燃料或助燃剂，如澳大利亚有的公司就利用井下抽出的高浓度瓦斯作为内燃 发电机的主要燃料，而用矿井回风流作辅助燃料进行发电或作为坑口电站燃煤锅炉的助燃 剂，可节约 10的燃料，并同时降低了向大气排放的 CH4 量6。 b.作主要燃料，如美国、瑞典、加拿大等国的一些公司所开发的热流转换反应器、催 化流反应器，就是直接将矿井废风引入上述反应器，使废风中的 CH4 燃烧生成一定的热量， 然后加以回收利用，作为发电或燃煤锅炉的主要燃料，目前上述装置已投入工业运行6。 4 结语 矿井生产过程中产生的“三废” ，给矿区及其附近地域造成