“富煤、贫油、少气”的能源资源特点决定了我国以煤炭为主的能源结构，煤炭为国民经济发展提供基础。
但是，在煤炭开采利用过程中会产生固体废弃物，比如：在煤炭开采过程中产生的煤矸石、在煤炭燃烧利用中产生的粉煤灰、在煤炭化工转化过程中产生的气化灰渣等等。这些固体废弃物统称为煤基固废，目前对其处置主要以填埋堆存为主，煤基固废的累计堆存量已经达到数百亿吨，而且还保持着每年新产生15亿吨的高速增长。
随着“双碳”目标的逐步推进，消纳利用工业固废已成为我国探索绿色低碳发展之路上一道绕不开的坎。
如何实现固废资源综合高效利用、让其巧变行业“新宠”，山西进行了诸多有益的探索和实践。
01
煤基固废的属性
煤基固废中残存一部分碳，而且灰中富含铝硅基化合物，煤基固废具有燃料属性和原料属性。
煤基固废的两种主要属性，决定了其主要处置方式从碳的燃烧利用和灰的材料化利用两个方面开展。但是煤基固废中的碳含量较低、热值低、挥发分超低，属于难燃燃料，燃烧利用的难度大。而且灰中的杂质成分复杂，含有重金属等毒性物质，无机组分利用工艺复杂，能耗高。这些特点都限制了煤基固废的大规模利用。
近些年，研究人员开展了大量的研究工作，在煤基固废的资源化利用方面取得了许多重要的突破。
02
新技术将煤基固废变废为宝
我们走访多家煤企发现：过去，采煤产生的煤矸石、矿井水等废物，随着技术提升、“双碳”理念深入，逐渐变废为宝，绿色收益皆可观！
煤基固废处置和利用的产业链布局模式
“以前处理1吨煤矸石需要25元运费、25元处置费。”山西某煤矿生产主任陈先生介绍说，现在通过新技术，可以把煤基固废变废为宝，不仅节约了运费和处置费，还增加了新的收入增长点。
传统煤矿，正在经历一次“脱胎换骨”，焕发新机。
03
煤基固废在建筑材料中的应用
在煤炭的开采和洗选过程中，必然要产生大量的煤矸石，目前煤矸石累计堆积量已经超过70亿吨，矸石山超过2000座，2020年我国原煤入洗率达到74.1%，到“十四五”末，原煤入洗率将达到85%以上，煤矸石堆存问题将更加突出，仅2020年就产生了7.95亿吨煤矸石，并以每年约5亿～8亿吨的增加量逐年增加，以煤矸石为代表的煤基固废合理处置及资源化问题，已经成为影响矿区环境的制约因素之一。
填埋法是目前煤矸石最主要处理方式之一。该方式不仅在运输和堆放过程中易造成大气污染，填埋后，煤矸石中有害物质渗透到土壤中造成水源和土壤污染，而且占用了大量的土地资源，会对整个矿区生态环境和安全造成严重的伤害。
除此之外，由于煤矸石中含有部分可燃的碳质和黄铁矿经过氧化，热量集聚到可燃质的燃点就会发生自燃现象，直接对周围居民的生活环境造成严重破坏。所以煤矸石应坚持分类利用，高附加值利用，变废为宝，将经济效益、社会效益和环境效益有机统一。
目前煤矸石在综合利用方面，主要利用途径有生产化工产品、改良土壤、发电和应用在建材领域等方面，特别在建材领域方面，2015年，煤矸石综合利用量为6.1×108t，其中在建材领域利用方面约占16%。
煤矸石作为煤炭行业排放的废弃物，在建材领域有一定的发展潜力，例如，在二十世纪六十年代，日本利用煤矸石烧结造轻质骨料用于建筑领域，应用结果表明，建筑物重要减轻20%，取得了良好的效果，由于煤矸石自身的特性，煤矸石在建材领域应用的前景非常好。
陶瓷
煤矸石中含有大量的氧化铝和二氧化硅，这是制备陶瓷的原料。
发泡陶瓷，作为一种新型无机建筑材料，具有轻质、不燃、保温、隔热、防水防潮的特性。利用煤矸石制作陶瓷，这也是煤矸石资源化利用的一种途径。
砖
目前，煤矸石砖年产量已达200亿块，年综合利用煤矸石约5000万吨，利用煤矸石部分或全部代替粘土生产烧结砖是煤矸石综合利用的主攻方向之一。
煤矸石制砖具有自身的优势，煤矸石本身含有少量的碳，在烧制过程，可以节省外部能量消耗。
水泥
煤矸石的化学成分与粘土极为相似，能够部分或全部代替粘土用于生产水泥，经过热活化后的煤矸石作为混合材料，生产水泥掺量可以到30%，并且可以进一步的提升水泥的性能，改善水泥生料的易烧性，有利于热工制度的稳定，提高水泥熟料的质量。
但是不同地区的煤矸石成分和热值一般差别巨大，使用前需要调整工艺参数以及配料方案。利用煤矸石制水泥，既节约成本，降低能耗。
混凝土
煤矸石经处理加工后可以作为骨料添加到混凝土中，但与传统制备混凝土的骨料石英以及碎石相比还是有许多缺点，比如强度低、密度小、层状和片状类较多，所以需要对煤矸石进行预处理。目前预处理方式有直接破碎、筛分两种方式。只有将煤矸石预处理后以及按照最佳掺料比混合，才能既保证混凝土的质量安全又能将煤矸石的剩余价值利用起来。
由于受到煤矸石物理化学性质的影响，煤矸石制备混凝土在不同应用上仍然存在问题，例如制备生态混凝土应用到边坡工程上，就需要保证具有一定的透水性和孔隙率，同时也要有一定的强度，这是制约生态混凝土应用的关键因素之一。因此要结合不同煤矸石的特性，分类利用，并开发煤矸石制混凝土专用添加剂。
化工产品
1)制备铝盐。
当煤矸石中Al2O3质量分数为30%～50%时，可以有效替代铝土矿加以利用，即可利用其中的铝元素生产氧化铝、聚合氯化铝、硫酸铝等20多种铝系产品。
2)制备白炭黑。
采用煤矸石制备白炭黑，煤矸石酸浸后滤渣与碱液反应制备水玻璃，连续通入二氧化碳和空气混合气体，冷却抽滤即可。白炭黑常被当作橡胶补强剂和塑料填充剂广泛用于制药、橡胶、塑料、日用化学产品等各个领域。
3)煤矸石制备工业填料碳化硅。
用高硅煤矸石与烟煤作原料，用Acheson工艺合成碳化硅为煤矸石的资源化利用提供了新的途径，合成材料具有耐高温、高导热率、高耐磨和耐腐蚀的特点，减少了原来碳化硅在生产过程中产生的废气、废液对环境的污染。
4)煤矸石制备4A分子筛。
用煤矸石等矿物原料通过碱处理而合成分子筛具有极强的竞争力，将煤矸石煅烧成为活性高岭土，经过加碱成胶、陈化、晶化合成、过滤和干燥即可。
5)煤矸石生产复合肥料。
煤矸石中含有大量丰富的植物生长所必须的有机物质和微量元素，同时也是携带固氮、解磷、解钾等微生物的理想原料基质和载体。将煤矸石破碎、磨细，与过磷酸钙混合，加入适量添加剂使矸石充分反应活化，堆沤即成为有机复合肥料；将煤矸石与磷矿石分别破碎、烘干、粉磨、按比例掺加次淀粉混合后，经过喷施生物菌剂、成球造粒、烘干、挂膜等工序后即得到微生物肥料。
（6）新材料
以煤矸石、粉煤灰等制备高档耐火材料、多孔陶瓷材料、耐磨材料、吸声材料、微晶玻璃等新型材料是近年来的研究热点。煤矸石、粉煤灰是矿物成分类似粘土的资源，在适当的高温条件下，能煅烧成为具有致密而坚硬的烧结料。
采用煤矸石、粘土混合料在1400℃左右烧结所制得的熟料，耐火度在1600℃以上，抗压强度达21.7MPa，可作为耐火材料、陶瓷的原料；采用高温还原氮化工艺，促使煤矸石中的Al2O3和SiO2全部或大部分转化为赛隆以及它们与氧化物的复合材料，塞隆材料被誉为最有应用前景的耐火材料和陶瓷材料之一；以煤矸石与废弃耐火材料在1320～1420℃反应合成，保温2～6小时后冷却，即得纯度较高的堇青石-莫来石复相材料，也是一种具有更高价值得高纯度硅酸铝耐火纤维新品。
以煤矸石、粉煤灰为主要原料，适当添加玻璃工业常用原料，用烧结法制备β-硅灰石主晶相微晶玻璃装饰材料，其外观纹理清晰、色彩鲜艳、高强耐磨，在建材领域有良好的应用前景，为煤基固废高品质利用提供了新途径。
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结语
煤基固废的资源化利用是煤电-化工有色-材料-新能源循环经济新模式的重要支撑，可促进大型煤-电-化能源基地与周边化工、新材料等产业有机融合，进而实现煤炭及其伴生资源在本地区内高效循环利用，降低固废及其产品长周期堆存和跨地区运输对生态环境的影响。
因此，实现煤基固废的规模化和资源化利用势在必行，有利于构建我国绿色循环经济。
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