我國(guó)工業(yè)固廢綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展

我國(guó)工業(yè)固廢綜合利用現(xiàn)狀與發(fā)展

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了顯著成效。但粗放型的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式并沒(méi)有根本轉(zhuǎn)變,資源約束矛盾日益突出,環(huán)境壓力越來(lái)越大。我們既面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇,也面臨來(lái)自各方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),其中最為突出的是資源、環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約。工業(yè)固體廢棄物是在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排出的采礦廢石、選礦尾礦、燃料廢渣、冶煉及化工過(guò)程廢渣等固體廢物。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的相關(guān)數(shù)據(jù),我國(guó)工業(yè)固廢年產(chǎn)生量逐年上升,近5年來(lái)更是以平均每年近10%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。而其中電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè),黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè),有色金屬礦采選業(yè),煤炭開(kāi)采和洗選業(yè),黑色金屬礦采選業(yè)等五大行業(yè)的固體廢棄物產(chǎn)生量占總量的近80%。我國(guó)已堆積的以及每年新產(chǎn)生的大量工業(yè)固廢不僅侵占了寶貴的土地資源,而且給土壤、水體和大氣帶來(lái)了不同程度的污染。大量的工業(yè)固廢對(duì)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅,同時(shí)作為“放錯(cuò)了地方的資源”,對(duì)其簡(jiǎn)單處理也是一種資源浪費(fèi)。因此,工信部將尾礦、煤矸石、粉煤灰、冶煉渣、副產(chǎn)石膏、赤泥等來(lái)自上述五大行業(yè)的固體廢棄物列為大宗工業(yè)固廢,作為《“十二五”大宗工業(yè)固體廢物綜合利用專項(xiàng)規(guī)劃》中的主要處理對(duì)象。1工業(yè)固良劑的產(chǎn)生1.1工業(yè)固廢產(chǎn)生量和綜合利用情況根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2009年我國(guó)工業(yè)固廢年產(chǎn)生量已經(jīng)超過(guò)20億t。預(yù)計(jì)到“十二五”末我國(guó)工業(yè)固廢年產(chǎn)生量將達(dá)到30億t。圖1是我國(guó)工業(yè)固廢產(chǎn)生量以及綜合利用情況的發(fā)展趨勢(shì)。從圖1中可以看出,近10年來(lái)我國(guó)工業(yè)固廢總產(chǎn)生量高速增長(zhǎng),但是平均綜合利用率處在60%以下,平均每年貯存和處置總量超過(guò)5億t,總堆積量已經(jīng)超過(guò)100億t。對(duì)比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)固廢高效利用水平,我國(guó)工業(yè)固廢資源化利用還有很大的提升空間。1.2固體廢棄物的產(chǎn)生量從近幾年統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看,工業(yè)固體廢棄物的組成相對(duì)穩(wěn)定,其中以尾礦和采礦、燃煤產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物最多,包括粉煤灰、尾礦、煤矸石、爐渣、赤泥等,占總量的80%左右。這與我國(guó)的礦物資源主要靠自我供給、開(kāi)采和冶煉量大、能源以煤炭為主有著密切的關(guān)系。表1是來(lái)自五大行業(yè)的固體廢棄物年產(chǎn)生量及所占比例。從表1可以看到,近幾年來(lái)五大行業(yè)的工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量一直保持在我國(guó)工業(yè)固廢總產(chǎn)生量的80%左右,且各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)生量比例相對(duì)穩(wěn)定,因此有針對(duì)性地對(duì)這些行業(yè)所產(chǎn)生的固廢進(jìn)行綜合利用和有效處理將是解決固廢問(wèn)題的重點(diǎn)。1.3大宗工業(yè)固廢資源統(tǒng)一集約利用水平較低,綜合利用率較低我國(guó)工業(yè)固廢主要產(chǎn)生地區(qū)集中在我國(guó)中西部,其中河北、遼寧、山西、山東、內(nèi)蒙古、河南、江西、云南、四川和安徽等10個(gè)省的工業(yè)固廢產(chǎn)生量占全國(guó)工業(yè)固廢產(chǎn)生量的60%以上。山西、內(nèi)蒙古、四川等資源豐富的省份和西部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū),煤炭資源和火電廠較為集中,大宗工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量尤其大,但是受價(jià)格、市場(chǎng)、政策等多方面因素的影響,這些地區(qū)的大宗工業(yè)固廢綜合利用規(guī)模較小,綜合利用率較低。而我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和中心城市的大宗工業(yè)固廢綜合利用水平較高,如江蘇、浙江、上海等地的工業(yè)固廢綜合利用率已達(dá)到95%以上。大宗工業(yè)固體廢物綜合利用的區(qū)域發(fā)展不平衡問(wèn)題非常突出。2一些典型的全球固定肥皂聯(lián)合使用技術(shù)現(xiàn)狀2.1粉煤灰水泥、涂料和礦粉煤灰是煤炭中的灰分經(jīng)分解、燒結(jié)、熔融及冷卻等過(guò)程形成的固體顆粒,主要由SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等氧化物組成,此外還含有鉬、銀、鉻等稀有金屬。粉煤灰表面呈球形,具有粒細(xì)、質(zhì)輕、比表面積大、吸水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)是全球第一粉煤灰排放大國(guó),但迄今為止粉煤灰的利用率僅為40%左右,粉煤灰(特別是電站粉煤灰)的綜合利用工作已迫在眉睫?，F(xiàn)在我國(guó)粉煤灰主要應(yīng)用于建筑、建材、交通和土壤改良等方面,在建筑、建材、交通方面的應(yīng)用占80%,農(nóng)業(yè)應(yīng)用占15%。應(yīng)用在建筑、交通等行業(yè),雖然能在短時(shí)間內(nèi)快速提高利用率,但均為低附加值產(chǎn)品,并未充分發(fā)揮其潛在的價(jià)值。充分利用粉煤灰的特性開(kāi)發(fā)和選擇創(chuàng)新性的技術(shù)工藝,其在制備高性能混凝土等建筑、建材方面的應(yīng)用也可以有更高的技術(shù)附加值。在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用主要是作為pH調(diào)節(jié)劑和無(wú)機(jī)肥,但其用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所存在的重金屬遷移等風(fēng)險(xiǎn)近年來(lái)引起了各界的重視。大力開(kāi)發(fā)粉煤灰的高附加值產(chǎn)品是今后粉煤灰資源化利用技術(shù)研究的主要方向。我國(guó)現(xiàn)在只有少部分粉煤灰用于工業(yè)、環(huán)保等高值利用領(lǐng)域,如制備白炭黑、沸石和用于稀有金屬回收等,其比重僅占總量的不到5%。此外,利用粉煤灰制造玻璃材料、廢水廢油固定劑、尾氣吸附材料、固氮微生物和磷細(xì)菌的載體等高值利用技術(shù)的研究逐漸深入,特別是利用粉煤灰作為吸附劑去除有毒離子的報(bào)道日益增多。在研究粉煤灰高值化利用技術(shù)的同時(shí),應(yīng)注意將技術(shù)成熟、投資少、工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益高的成果及時(shí)應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。2.2尾礦再利用技術(shù)尾礦是在當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,有用目標(biāo)組分含量低,選礦中分選作業(yè)已不宜再進(jìn)一步分選的產(chǎn)物。但隨著生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,有用目標(biāo)組分還可能有進(jìn)一步回收利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因受選礦技術(shù)水平、生產(chǎn)設(shè)備的制約,我國(guó)礦業(yè)生產(chǎn)的尾礦產(chǎn)生量巨大,并逐年增加。尾礦不僅占用大量土地,而且也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染和危害。目前,國(guó)際上包括我國(guó)的尾礦綜合利用手段主要有尾礦再選,將其經(jīng)過(guò)處理后摻入或用來(lái)生產(chǎn)水泥以及燒磚等建材產(chǎn)品,用作土壤改良劑和微量元素肥料,以及回填和復(fù)墾植被等。此外,我國(guó)也開(kāi)展了利用尾礦制取微晶玻璃、玻化磚、墻地磚、無(wú)機(jī)染料等研究,但多未能產(chǎn)業(yè)化。除了尾礦再選比較充分地利用了其價(jià)值,其他多數(shù)手段只停留在減量化和無(wú)害化的處理處置水平,不能真正將其資源化。尾礦的治理已引起了國(guó)家的高度重視。根據(jù)工信部頒布的《金屬尾礦綜合利用專項(xiàng)規(guī)劃(2010-2015)》要求,2015年全國(guó)尾礦綜合利用率應(yīng)達(dá)到20%,尾礦新增貯存量增幅應(yīng)逐年降低,已實(shí)現(xiàn)安全閉庫(kù)的尾礦庫(kù)50%完成復(fù)墾;攻克一批具有原創(chuàng)性、前瞻性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的尾礦綜合利用重大共性關(guān)鍵技術(shù),在尾礦綜合利用各重點(diǎn)領(lǐng)域建成一批具有帶動(dòng)效應(yīng)的示范項(xiàng)目。這一系列目標(biāo)的達(dá)成將改善我國(guó)的尾礦綜合利用情況。2.3鋼鐵循環(huán)利用爐渣是鋼鐵、鐵合金及有色重金屬冶煉和精煉等過(guò)程的重要產(chǎn)物之一,主要成分是CaO、FeO、MgO、SiO2、P2O5、Fe2O3及Al2O3等氧化物,此外,經(jīng)常含有硫化物和少量金屬。以電爐渣為例,如今我國(guó)電爐渣的利用主要有內(nèi)部循環(huán)、建筑和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)3個(gè)方面。在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的循環(huán)利用包括電爐渣返回高爐、用作煉鋼返回渣、用于鐵水預(yù)處理等途徑。電爐渣用作建筑材料,主要用于生產(chǎn)鋼渣水泥、鋼渣白水泥,作筑路材料、地基回填材料及其他建筑材料(鋼渣磚、小型空心砌塊等)。根據(jù)化學(xué)組成特點(diǎn),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面主要用于生產(chǎn)鋼渣磷肥、硅肥以及作為土壤改良劑等。在高值利用方面,近年來(lái)用爐渣制備的水處理材料、煙氣脫硫劑、微晶玻璃、陶瓷、礦渣棉和巖棉、筑路用保水材料、多彩鋪路料等高附加值產(chǎn)品逐漸投入市場(chǎng),但尚未形成規(guī)模。從各國(guó)電爐渣利用情況來(lái)看,許多先進(jìn)國(guó)家的電爐渣基本可以達(dá)到排用平衡,即全部利用,除了利用爐渣生產(chǎn)水泥等建材外,還能生產(chǎn)陶粒、陶片、硅膠等材料,以及作為水處理材料。相比之下,我國(guó)對(duì)電爐渣的治理和綜合利用在深度和廣度上還不夠,主要體現(xiàn)在對(duì)爐渣余熱及有價(jià)金屬?zèng)]有高效利用和所生產(chǎn)的爐渣產(chǎn)品附加值較低兩方面,因此爐渣綜合利用的任務(wù)還很艱巨。2.4工業(yè)副產(chǎn)石膏量大,總量含量逐年增加工業(yè)副產(chǎn)石膏是指工業(yè)生產(chǎn)中因化學(xué)反應(yīng)生成的以硫酸鈣為主要成分的副產(chǎn)品或廢渣,也稱為化學(xué)石膏或工業(yè)廢石膏。主要包括脫硫石膏、磷石膏、檸檬酸石膏、氟石膏、鹽石膏、味精石膏、銅石膏、鈦石膏等,其中脫硫石膏和磷石膏的產(chǎn)生量約占全部工業(yè)副產(chǎn)石膏總量的85%。根據(jù)《工業(yè)和信息化部關(guān)于工業(yè)副產(chǎn)石膏綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中的數(shù)據(jù),目前工業(yè)副產(chǎn)石膏累積堆存量已超過(guò)3億t,其中脫硫石膏5000萬(wàn)t以上,磷石膏2億t以上。工業(yè)副產(chǎn)石膏經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理,完全可以替代天然石膏。當(dāng)前,工業(yè)副產(chǎn)石膏的綜合利用主要有2種途徑:(1)用作水泥緩凝劑,約占工業(yè)副產(chǎn)石膏綜合利用量的70%;(2)生產(chǎn)石膏建材制品,包括紙面石膏板、石膏砌塊、石膏磚、石膏空心條板、干混砂漿等?，F(xiàn)在我國(guó)超高強(qiáng)α石膏粉、石膏晶須、高檔模具石膏粉等高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)及裝備都在開(kāi)發(fā)過(guò)程之中,低能耗磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥、制硫酸鉀副產(chǎn)氯化銨、磷石膏轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)硫酸鉀、環(huán)保型磷石膏凈化、利用低質(zhì)磷石膏生產(chǎn)低成本高性能的礦井充填專用膠凝材料、利用工業(yè)副產(chǎn)石膏改良土壤等關(guān)鍵技術(shù)也都在研發(fā)階段。2.5赤泥綜合利用技術(shù)赤泥是以鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中產(chǎn)生的極細(xì)顆粒強(qiáng)堿性固體廢物,每生產(chǎn)1t氧化鋁,產(chǎn)生赤泥0.8~1.5t。我國(guó)是氧化鋁生產(chǎn)大國(guó),根據(jù)2010年工信部和科技部聯(lián)合印發(fā)的《赤泥綜合利用指導(dǎo)意見(jiàn)》,2009年我國(guó)生產(chǎn)氧化鋁2378萬(wàn)t,約占世界總產(chǎn)量的30%,產(chǎn)生的赤泥近3000萬(wàn)t。目前我國(guó)赤泥綜合利用率僅為4%,累積堆存量達(dá)到2億t。預(yù)計(jì)到2015年,赤泥累計(jì)堆存量將達(dá)到3.5億t。目前,赤泥綜合利用仍屬世界性難題,國(guó)際上對(duì)赤泥主要采用堆存覆土的處置方式。我國(guó)赤泥綜合利用工作近年來(lái)得到各方面的高度重視,開(kāi)展了跨學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合利用技術(shù)研究工作,如赤泥提取鐵等有價(jià)金屬、配料生產(chǎn)水泥、建筑用磚、礦山膠結(jié)充填膠凝材料、路基固結(jié)材料和高性能混凝土摻合料、化學(xué)結(jié)合陶瓷(CBC)復(fù)合材料、保溫耐火材料、環(huán)保材料等。但這些研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段,還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。3全球煤炭開(kāi)采和工業(yè)化3.1煤石分類煤矸石是一種與煤炭伴生的堅(jiān)硬巖石,包括煤礦的手選矸石、巷道掘進(jìn)矸石和洗煤廠的洗選矸石等,煤矸石產(chǎn)量約占原煤產(chǎn)量的10%~15%。要綜合利用煤矸石必須考慮煤矸石的碳含量和礦物組成,因此可以根據(jù)含碳量和礦物學(xué)特征對(duì)煤矸石進(jìn)行分類。不同來(lái)源的煤矸石含碳量變化較大,根據(jù)含碳量可以分為4類:一類,含碳量小于4%(發(fā)熱量低于1300kJ/kg);二類,含碳量在4%~6%之間(發(fā)熱量在1300~2000kJ/kg之間);三類,含碳量在6%~20%之間(發(fā)熱量在2000~6500kJ/kg之間);四類,含碳量大于20%(發(fā)熱量大于6500kJ/kg)。煤矸石與煤系地層共生,是多種礦巖組成的混合物,屬沉積巖。煤矸石也可根據(jù)其礦物學(xué)特征分為粘土巖、砂巖、碳酸巖、鋁質(zhì)巖等。在煤矸石的綜合利用中,主要考慮煤矸石中Al2O3含量和Al2O3/SiO2比值等參數(shù)。3.2煤石山失穩(wěn),危害大煤矸石作為固、液、氣三害俱全的“工業(yè)廢料”,其長(zhǎng)期堆放占用了大量土地,部分有毒物質(zhì)的浸出污染了水源和土壤,一些堆放的煤矸石發(fā)生自燃污染空氣,煤矸石山失穩(wěn)引起地質(zhì)災(zāi)害,各類危害嚴(yán)重影響了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí),對(duì)可以進(jìn)一步利用的矸石進(jìn)行簡(jiǎn)單的堆放和填埋也是一種巨大的資源浪費(fèi)。近年來(lái),由于煤矸石利用技術(shù)發(fā)展快速,許多地區(qū)出現(xiàn)將已經(jīng)填埋的煤矸石重新挖掘出來(lái)銷售的現(xiàn)象。3.3煤石應(yīng)用于土地、混凝土、功能型材料等高值利用技術(shù)的應(yīng)用煤矸石中的碳含量是選擇其工業(yè)利用方向的一項(xiàng)主要依據(jù)。含碳量較低的一類、二類煤矸石可作為水泥的混合材、混凝土骨料和其他建材制品的原料,也可用于復(fù)墾采煤塌陷區(qū)和回填礦井采空區(qū)。三類煤矸石可用作生產(chǎn)水泥、磚等建材制品。發(fā)熱量較高的第四類煤矸石一般宜用作燃料。對(duì)于含硫量較高的煤矸石,如果其中的硫以合適的形態(tài)存在,則可采用洗選的方式回收硫精礦。目前我國(guó)對(duì)煤矸石的綜合利用途徑主要有:煤矸石發(fā)電或供熱,沸騰爐燃料,煤矸石復(fù)墾及回填礦井采空區(qū),用作路基填筑物,以及制磚、水泥、輕骨料、砌塊等建材。在確定煤矸石中有害元素不超標(biāo)的前提下,煤矸石也可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,如改善土壤環(huán)境、制作有機(jī)復(fù)合肥料或者開(kāi)墾為農(nóng)田。近年來(lái),利用煤矸石制備高性能混凝土、新型耐火材料、新型功能材料等高值利用技術(shù)有了較大的發(fā)展。煤矸石作為摻合配料制作高性能的水泥產(chǎn)品的研究和工藝創(chuàng)新發(fā)展迅速。在控制煤矸石摻入比例的條件下所生產(chǎn)的混凝土既節(jié)約了成本,又提高了部分性能。特別是摻入粉煤灰、硅灰、煤矸石等工業(yè)固廢生產(chǎn)的活性粉末混凝土,作為新近開(kāi)發(fā)的一種超高強(qiáng)、高韌性、極低滲透性的新型混凝土,擁有良好的發(fā)展前景。王海霞等用熱蝕變活化的煤矸石與高爐礦渣、脫硫石膏等固體廢棄物為主要原料,制備了新型膠凝材料,該材料展現(xiàn)出優(yōu)良的性能。馬剛等以煤矸石為主要原料,充分利用其中的硅鋁成分和還原性有機(jī)組分,在一定氣氛條件下合成了一系列SiAlON復(fù)相耐火材料,在特定環(huán)境下具有比普通耐火材料更為優(yōu)越的抗熱震性、抗渣性等性能。張繼香等利用煤矸石為主要原料,加入發(fā)泡劑和其他添加劑,采用凝膠注模成型工藝,制備出高頻吸聲性能優(yōu)越的多孔吸聲材料。利用硅質(zhì)煤矸石燒制硅酸鋅結(jié)晶釉、利用高鋁質(zhì)煤矸石制備高品質(zhì)Al(OH)3粉末和絮凝劑等高值利用技術(shù)的試驗(yàn)研究進(jìn)展迅速。由于利用煤矸石等工業(yè)固廢生產(chǎn)的產(chǎn)品具有一定的特殊性,其與市場(chǎng)上的現(xiàn)有產(chǎn)品采用同一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀增加了其產(chǎn)業(yè)化的難度,同時(shí)在成本和地域的制約下,我國(guó)煤矸石高值利用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。因此,在開(kāi)發(fā)煤矸石高值利用技術(shù)的同時(shí),需要研發(fā)一系列針對(duì)煤矸石等工業(yè)固廢產(chǎn)品的檢測(cè)方法并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),以推動(dòng)工業(yè)固廢綜合利用行業(yè)的發(fā)展。4對(duì)工業(yè)固廢作用資源量的初步開(kāi)發(fā)今后大宗工業(yè)固廢綜合利用技術(shù)應(yīng)按兩種思路發(fā)展:(1)遵循減量化原則,推廣用量大、成本低、