“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。堆存和填埋需要占用大量的土地资源，图1就是一个由煤矸石堆积成的山，“蔚为壮观”，这种处理方式有时还会产生扬尘影响空气质量，重金属等如果渗透到土壤中还会造成土壤污染。

为此，2021年3月国家发展和改革委员会联合九部门发文提出：到2025年，新增大宗固废综合利用率达到60%，存量大宗固废有序减少。煤基固废属于最为普通和典型的大宗固废，解决好煤基固废处置的问题，对未来环境可持续发展意义重大。

图1 煤矸石山（图片来源：山西新闻网）

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。

燃料化：煤基固废大规模利用的有力武器

煤基固废的燃烧利用可以实现碳的利用，可用于产生蒸汽或者发电，实现煤的替代，目前已经实现了规模化的利用。我国将煤矸石作为燃料进行发电的历史始于20世纪70年代，早期的煤矸石发电技术主要通过沸腾炉进行燃烧，但存在燃烧效率低、能耗高和污染严重的问题。

随后，由于具有极强的煤种适应性和污染物排放低等特点，循环流化床燃烧技术在我国迅速发展。2002年，由中科院工程热物理研究所循环流化床实验室开发的130t/h燃用煤矸石循环流化床锅炉在甘肃窑街投运，成功解决了煤矸石的高效燃烧问题。近几年，我国每年至少有1.4亿吨煤矸石被用于发电，绝大部分都是通过循环流化床燃烧技术实现的，其效果相当于每年节约3800万吨标准煤。

但当前煤矸石发电仍然面临着诸多挑战：一方面是经济效益不高，部分煤矸石电厂甚至还处于亏损状态；另一方面是煤矸石发电会产生大量的粉煤灰需要处理，其产量大约是普通火电厂的2~3倍，给煤矸石电厂带来了巨大的环保压力。

材料化：煤基固废资源化的终极法宝

燃烧处置可以实现无害化，但仍会残余大量无机灰分，还需要进一步的处置。而材料化利用，才是煤基固废资源化的终极法宝。除了脱碳后作为建材简单利用外，根据煤基固废中灰的组分不同，煤基固废材料化利用的方式可以分为如下几类，如图2所示：1）含有一定有机物的，它们是携带固氮、解磷、解钾等微生物的理想基质和载体，可以用于微生物肥料和复合肥料等生产农业肥料；2）主要由金属氧化物组成的，具有抗压耐温等特点，通过烧结等工艺可以制备水泥、陶粒和玻璃纤维棉等建工建材；3）含有大量的稀有元素的，如镓、硒和钛等，可以通过化学提纯的方法进行提质利用。4）富含硅铝成分的，可以用于制取碳化硅、分子筛、白炭黑以及聚合氧化铝等含铝硅基产品。

图2 煤基固废的材料化利用

燃料化和资源化结合，将煤基固废变废为宝

目前，在中国科学院战略性先导专项和国家自然科学基金的支持下，中科院工程热物理研究所循环流化床实验室团队正在开发煤基固废资源化利用技术，包括流态化焚烧碳利用和熔融高值化利用两个关键技术，通过两个关键技术的结合，实现了碳的燃烧/气化利用和无机组分的铝硅基产品高值化利用。

技术路线如图3所示，煤基固废中的碳组分通过活化改性后实现高效燃烧，产生蒸汽或电；无机组分通过熔融矿相重构，进一步实现高值化利用，制取铝硅基产品。目前流态化焚烧碳利用技术已经应用于气化灰渣焚烧发电，实现了单台焚烧炉处理量500t/d的工业示范，效益显著；熔融高值化利用技术已经完成了技术的中试验证，正在开展工程示范。

图3 煤基固废燃烧资源化利用技术

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。

来源：中国科学院工程热物理研究所