促進(jìn)煤基固廢高值化利用技術(shù)創(chuàng)新加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)

張永鋒

內(nèi)蒙古自治區(qū)具有獨(dú)特資源優(yōu)勢(shì)和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，國(guó)家將自治區(qū)定位為“國(guó)家能源重化工基地”、“國(guó)家綠色農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)加工基地”、“國(guó)家重要的稀土、新材料、有色金屬深加工基地”、“我國(guó)北方重要的生態(tài)屏障”。隨著國(guó)家“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施和煤化工產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，內(nèi)蒙古自治區(qū)將產(chǎn)生大量的粉煤灰、煤矸石、煤化工廢渣和煙氣脫硫石膏等煤基固廢。目前，煤基固廢仍以少量生產(chǎn)建材和大量堆存為主，使得我區(qū)煤基固廢中特有的鋁、鎵、硅及空心微珠等寶貴資源成為環(huán)境負(fù)擔(dān)。如何依靠科技創(chuàng)新，大力開(kāi)發(fā)煤基固廢的多種資源分級(jí)提取和協(xié)同利用途徑，化害為利，是內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大課題。

針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)煤基固廢的資源特性，自治區(qū)發(fā)改委依托內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)組建了煤基固廢高值化利用工程實(shí)驗(yàn)室，旨在以非晶科學(xué)技術(shù)研發(fā)為核心，以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合為紐帶，不斷孵化新材料和節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，利用煤基固廢的成分結(jié)構(gòu)特征和物相轉(zhuǎn)化來(lái)生產(chǎn)各種高附加值產(chǎn)品，并應(yīng)用于化工、冶金、污染控制與生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域，建立有內(nèi)蒙古自治區(qū)特色的煤基固廢高值化利用戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

一、煤基固廢高值化利用工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期以煤炭為主的格局不會(huì)改變。在煤炭開(kāi)采與加工利用過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石、粉煤灰、煤氣化灰渣、煤液化殘?jiān)蜔煔饷摿蚴嗟让夯虖U的年排放量超過(guò)10億噸，占我國(guó)工業(yè)固體廢棄物年排放總量的50%以上。

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭資源豐富，鄂爾多斯盆地已查明的煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)的39%，蘊(yùn)藏的能源資源約占全國(guó)的35%以上。隨著西部煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用和國(guó)家“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，內(nèi)蒙古中西部已成為國(guó)家重要的電力能源基地，托克托電廠(chǎng)、岱海電廠(chǎng)、豐鎮(zhèn)電廠(chǎng)、海渤灣電廠(chǎng)、豐泰電廠(chǎng)和準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)等多個(gè)大型火力發(fā)電廠(chǎng)已經(jīng)建成發(fā)電，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)將成為本世紀(jì)我國(guó)最重要的能源生產(chǎn)供應(yīng)基地，為我國(guó)未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)提供重要的能源支撐。

煤燃燒是我國(guó)煤炭利用的主要方式，火力發(fā)電、供熱、居民生活、煤炭氣化等工業(yè)過(guò)程每年燃燒約25億噸煤炭資源，占我國(guó)年煤炭消費(fèi)量的80%，排放約5億噸灰渣。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外粉煤灰綜合利用仍未突破以建材和建工為主的格局，我國(guó)東部地區(qū)粉煤灰綜合利用率較高，普遍將粉煤灰作為商品灰出售，但西部地區(qū)因“西電東送”粉煤灰排量巨大，而應(yīng)用市場(chǎng)有限，不僅大量占用土地，也是構(gòu)成大氣顆粒物的主要來(lái)源，環(huán)境危害嚴(yán)重，其綜合利用任務(wù)十分艱巨。

在粉煤灰、煤矸石等大宗煤基固廢領(lǐng)域，發(fā)達(dá)國(guó)家逐步加強(qiáng)了相關(guān)基礎(chǔ)研究和高值化利用技術(shù)的研發(fā)，正由傳統(tǒng)的建材為主向多資源協(xié)同提取、制備復(fù)合材料、污染控制與生態(tài)復(fù)填等領(lǐng)域發(fā)展。如歐洲一些國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)了粉煤灰、煤矸石提取氧化鋁、氯化鋁副產(chǎn)建筑材料的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)；日本利用合成的新型硅酸鈣粉體研制出不燃紙和高填料超級(jí)壓光紙，并開(kāi)展了工業(yè)化應(yīng)用。我國(guó)高度重視粉煤灰、煤矸石的資源化利用，在建材建工、礦井充填、煤矸石低熱值發(fā)電等領(lǐng)域取得了一定成效。近年來(lái)，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的利用氧化鋁含量大于40%的粉煤灰提取氧化鋁和冶煉鋁硅合金技術(shù)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。但是，我國(guó)粉煤灰、煤矸石等煤基固廢總體上高值化利用率很低，因此，粉煤灰、煤矸石等煤基固廢從傳統(tǒng)的低值利用向多種資源分級(jí)提取和協(xié)同利用是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

目前，內(nèi)蒙古中西部火力裝機(jī)容量迅速增加，煤鋁鎵共生礦產(chǎn)資源主要作為火力發(fā)電的燃料燃燒，燃燒發(fā)電產(chǎn)生的巨量高鋁粉煤灰大量排放與堆積。高鋁粉煤灰年排放量已達(dá)1200萬(wàn)噸，歷年粉煤灰積存量已超過(guò)5000萬(wàn)噸。且儲(chǔ)灰場(chǎng)多位于北京西北部的上風(fēng)向，大量粉煤灰的排放與堆積不但造成當(dāng)?shù)貒?yán)重的環(huán)境污染與土地占用，還直接威脅到京津唐地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量，影響了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)于內(nèi)蒙古中西部的煤鋁鎵共生復(fù)合礦產(chǎn)資源，當(dāng)前以燃燒發(fā)電為主的轉(zhuǎn)化利用方式未能實(shí)現(xiàn)該特色資源的綜合利用，不僅造成了資源的巨大浪費(fèi)，而且生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。

內(nèi)蒙古晚古生代煤炭資源是我國(guó)主要?jiǎng)恿τ妹夯?，按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的科學(xué)發(fā)展理念，突破煤鋁鎵共生礦產(chǎn)資源的綜合利用關(guān)鍵技術(shù)和集成示范，實(shí)現(xiàn)高鋁粉煤灰的高效循環(huán)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，在當(dāng)?shù)亟⒀h(huán)經(jīng)濟(jì)型的產(chǎn)業(yè)鏈條，是關(guān)系到我國(guó)西部地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題，是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中資源環(huán)境領(lǐng)域中綜合治污與廢棄物循環(huán)利用的優(yōu)先發(fā)展主題具體落實(shí)的體現(xiàn)。

因此，針對(duì)上述國(guó)家重大任務(wù)需求，迫切需要基于已有科研成果，進(jìn)一步開(kāi)展工藝優(yōu)化完善、關(guān)鍵設(shè)備量化放大、過(guò)程強(qiáng)化與節(jié)能、全過(guò)程優(yōu)化集成等關(guān)鍵技術(shù)、集成技術(shù)研發(fā)與大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化示范，建立特色煤基固廢高值化協(xié)同利用與廢棄物零排放的循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)體系，為內(nèi)蒙古中西部能源基地的資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐與新模式。

二、煤基固廢高值化利用工程實(shí)驗(yàn)室主要方向、目標(biāo)與任務(wù)

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤基工業(yè)固廢類(lèi)型多樣、資源豐富， 近些年來(lái)以大唐國(guó)際為代表的大型能源企業(yè)針對(duì)高鋁粉煤灰提取氧化鋁開(kāi)展科技攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)化示范，取得了突破性進(jìn)展，初步構(gòu)建了高鋁煤炭—發(fā)電—高鋁粉煤灰—氧化鋁—鋁合金的新興循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。但是針對(duì)我區(qū)煤基固廢中非晶態(tài)硅及空心結(jié)構(gòu)等資源的開(kāi)發(fā)，仍需要進(jìn)行大量深入細(xì)致的研發(fā)與工業(yè)化試驗(yàn)，以期開(kāi)拓形成煤炭—發(fā)電（煤化工）—粉煤灰（渣）—節(jié)能環(huán)境材料—生態(tài)修復(fù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)新興產(chǎn)業(yè)方向。

（一）工程實(shí)驗(yàn)室擬突破的技術(shù)方向

本工程實(shí)驗(yàn)室要調(diào)整以往煤基固廢利用僅局限于提取固廢中有價(jià)元素的思路，轉(zhuǎn)變?yōu)槔妹夯虖U中結(jié)構(gòu)單元的新思路，以實(shí)現(xiàn)煤基固廢的低成本、高值化利用。另外，也重視煤基固廢系列產(chǎn)品支撐煤環(huán)境、化工與電力、石化以及下游精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)鏈，在不斷提供整個(gè)產(chǎn)業(yè)效益和抗風(fēng)險(xiǎn)能力的同時(shí),實(shí)現(xiàn)能量消耗的最佳化。具體的研究方向和研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括：

1.研究煤基固廢的結(jié)構(gòu)特性和資源化特性，煤中礦物和伴生元素在燃煤和粉煤灰利用過(guò)程中轉(zhuǎn)化規(guī)律；

2.粉煤灰非晶相提取生產(chǎn)新型環(huán)境吸附材料；

3.協(xié)同利用多種煤基固廢生產(chǎn)節(jié)能保溫材料；

4.煤基固廢生態(tài)修復(fù)技術(shù)；

（二）工程實(shí)驗(yàn)室的主要功能與任務(wù)

工程實(shí)驗(yàn)室定位于培育煤基固廢高值化利用戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的孵化器。以排放量大、堆存量大、污染嚴(yán)重的煤基工業(yè)固廢為切入點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)煤基固廢高值化、規(guī)模化消納和資源化利用為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)煤基固廢系列產(chǎn)品，形成一批技術(shù)先進(jìn)、清潔高效、經(jīng)濟(jì)可行的煤基固廢綜合處理和資源化利用集成技術(shù)系統(tǒng)，具備煤基固廢高附加值處置的技術(shù)支撐能力，培養(yǎng)一批科技骨干和領(lǐng)軍人才，形成3-5項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（三）工程實(shí)驗(yàn)室的近期和中期目標(biāo)

總體目標(biāo)是形成集研發(fā)、設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用于一體的技術(shù)創(chuàng)新體系，使得內(nèi)蒙古自治區(qū)在煤基固廢高值化領(lǐng)域達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。為改變自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局以及節(jié)能減排做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

1.形成科技成果產(chǎn)業(yè)化的工程化驗(yàn)證環(huán)境和對(duì)科技成果進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和工程評(píng)估的能力；

2.建設(shè)一支一流的技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成隊(duì)伍；

三、煤基固廢高值化利用戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的培育和發(fā)展方向

結(jié)合本工程實(shí)驗(yàn)室在前期長(zhǎng)期研究煤基固廢高值化利用科研成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)本工程實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)這些科研成果進(jìn)行中試研究，根據(jù)中試研究數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)集成，繼而建設(shè)示范生產(chǎn)線(xiàn)，利用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化關(guān)鍵工藝設(shè)備技術(shù)參數(shù)，最終形成成套生產(chǎn)工藝技術(shù)和裝備，并制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工藝包，使其具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件。具體可培育和發(fā)展新材料和節(jié)能環(huán)保兩個(gè)產(chǎn)業(yè)方向：在新材料產(chǎn)業(yè)方面，可開(kāi)發(fā)活性硅吸附材料、泡沫陶瓷和外墻保溫材料；在節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)方面，開(kāi)發(fā)新型外墻保溫技術(shù)、開(kāi)發(fā)活性硅凈化室內(nèi)有害氣體技術(shù)，開(kāi)發(fā)協(xié)同脫硫、脫硝和脫汞凈化煙氣技術(shù)、開(kāi)發(fā)從源頭控制燃燒源PM2.5的污染防治。該技術(shù)也可應(yīng)用于垃圾焚燒、汽車(chē)尾氣、金屬冶煉等領(lǐng)域的高溫?zé)煔釶M2.5污染控制。

（作者系內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教授）