在煤炭开采、洗选和利用过程中,会产生煤矸石、粉煤灰、气化渣等煤基固废。这些固废因“规模处置难、综合利用效率低”成为行业痛点,地面堆存不仅占用大量土地资源,还可能引发大气及水土污染风险,与生态环境保护的要求形成突出矛盾。可谓是行业“苦”煤基固废久矣。

针对煤基固废,在2021年出台的《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中要求,到2025年,煤矸石、粉煤灰、尾矿(共伴生矿)等大宗固废的综合利用能力显著提升,利用规模不断扩大,新增大宗固废综合利用率达到60%,存量大宗固废有序减少。

行业痛点和政策要求同时激发了科研的力量。在中国煤炭科工集团所属中煤科工生态环境科技有限公司(以下简称“科工生态”)的实验室和项目现场,煤基固废正经历“华丽变身”,由曾经的“生态负担”逐步转化为可利用的资源。

突破规模化处置瓶颈:让煤基固废“井下安家” 

针对煤基固废地面堆存压力大、处置能力不足的问题,科工生态以“规模化井下处置”为切入口,研发的“煤矸石+改性气化渣+粉煤灰”全煤基固废膏体材料,以及纯矸石浆体材料,已成功应用于充填置换煤柱、离层注浆、老采空区垮裂带注浆及废旧巷道处置等场景。

据科工生态科创中心主任韩科明介绍,巷柱式膏体充填置换区段煤柱工艺及配套施工技术,创造性地将原煤柱空间转化为可充填空间。通过维护膏体充填体巷道稳定,实现了采煤工作面的正常回采,一举破解了矸石充填开采中“采、充分离”的行业难题,达成煤矸石年处置量100万吨、煤柱矸石置换比70%的工作成效,为煤基固废规模化处置提供了核心支撑。

在国家能源集团神东煤炭乌兰木伦煤矿,科工生态建成了集地面制浆、泵送输浆、充填辅助于一体的智能化地面矸石充填系统,通过“原位返井”处置模式,从源头减少了地面矸石堆存,有效解决了矸石堆存压占土地资源和煤矸石自燃引发的一系列生态问题。

图为乌兰木伦智能化地面矸石充填系统

实现高值化利用:让煤基固废成为“优质原料”

科工生态通过技术创新,积极探索煤基固废资源化新路径,推动其从“低值利用”向“高值转化”跨越。

科工生态技术团队通过对煤矸石等煤基固废有价组分深度分析,研发出悬浮煅烧、高温成球、隧道煅烧三套技术工艺及专用装备。其中,新型燃烧炉可实现发热量600—1000大卡的煤矸石自持燃烧,在完成高含碳材料脱碳与化学转变的同时,通过超细粉磨、定向分选等后续处理,制得偏高岭土、白炭黑、净水剂等高附加值化工产品及铝硅基产品,为煤基固废高值化利用提供了新技术解决方案。

图为煤矸石悬浮脱碳中试生产线

煤矸石分质分级利用技术也取得进展。通过建立高岭石粒度分布模型,采用光电分选和分级分质(粒度筛分+破碎解离+密度分选+分级循环)等技术,将高铝煤矸石分成了煅烧高岭土原料、偏高岭土原料和高热值矸石,为后续高值化利用奠定了基础。

在绿色低碳胶凝材料研发领域,科研团队通过煤矸石、煤气化渣等多元固废与电石渣、脱硫石膏等补充组分的协同效应,结合低温煅烧工艺创新实现了高活性玻璃相的定向重构,所获煅烧产物玻璃相含量突破80%,具备卓越水化活性,为建筑行业低碳转型提供了新型胶凝材料解决方案。同步探索煤基固废稀土元素的绿色提取技术,进一步揭示稀土元素的区域性分布规律,构建高效绿色的富集提取技术体系,有望为稀土资源供给提供补充渠道。由此形成的“固废资源化-材料低碳化-元素高值化”三位一体的循环经济技术创新体系,对推动建材行业碳中和目标达成及战略矿产资源保障具有双重实践价值。

拓展应用场景:让煤基固废融入“生态循环”

科工生态还将煤基固废的利用延伸至生态修复、资源补充等多元场景,构建起“全链条循环”模式。

 图为煤基固废生物基材料经济作物种植实验

在土壤改良方面,聚焦半干旱矿区矸石堆积、生态脆弱,客土土源不足、复垦低效等绿色发展痛点问题,以微生物技术为核心突破口,通过功能菌群活化煤矸石中的氮、磷、钾等有效养分、构建起植物与微生物协同共生的自维持生态系统。结合特色经济作物的引种与高效生产,实现了土壤重构-植被恢复-经济增效的链式发展,探索出了一条“固废减量-生态修复-作物增效”的矿区绿色发展新模式。基于该技术体系开发的煤矸石基人工土壤与微生物复合肥已在榆林大柳塔矿区复垦工程中得到应用,为资源型地区绿色矿山建设与乡村振兴战略的协同发展提供了示范。

科工生态通过“分质分级、梯级利用”的技术路径,不仅实现了煤基固废“吃干榨尽”,更推动其从“环境负担”转化为“经济资源”,生动诠释了“减污降碳协同增效”的生态理念,为煤炭产业升级注入了动力。面向“双碳”目标新纪元,科工生态将持续推动矿山全生命周期生态治理体系迭代升级,以科技之笔绘就“无废矿山”的生态图谱,为中国式现代化生态文明建设添砖加瓦。