浅谈大宗工业固废高附加值利用的思路与途径

大宗工业固体废弃物的处置存在着规模化与高附加值利用之间的矛盾，什么意思呢，就是说能规模化利用工业固体废弃物的技术和途径，附加值却比较低，而要想增加工业固体废弃物的高附加值，又存在着不能规模化利用的矛盾。那么，如何解决规模化与高附加值利用之间的矛盾呢，笔者想谈谈自己的粗浅观点，与行业同仁共同交流、探讨。

一、大宗工业固废综合利用现状

大宗工业固废主要来源于采矿行业产生的尾矿、煤矸石，冶金行业产生的钢渣、冶炼渣，火电行业产生的粉煤灰、工业副产石膏，磷化工行业产生的磷石膏等。目前，大宗工业固废主要作为原材料或混合材料，用于建材行业的水泥、混凝土等，另外，煤矸石替代砂石骨料用于道路路面垫层、基层等，实现了煤矸石的规模化、高附加值利用。

“十二五”、“十三五”期间，我国坚持把资源综合利用作为转方式、调结构的重要抓手，国家及地方政府相关部门出台了很多固废利用领域的支持、优惠政策，大宗工业固废综合利用技术水平和规模化应用得到了较大发展，但总体来讲，还处于低端的应用，高附加值技术得不到广泛推广，利用大宗工业固废作为原材料制备高端产品的难度依然很大。水泥、混凝土等建材行业可以大量消纳工业固废，但由于受建材行业产能严重过剩的影响，大宗工业固废在建材行业的规模化应用也受到很大限制，同时，随着建材标准的提升，为保证产品性能和质量，水泥、混凝土生产过程中掺入的固废量逐渐减少，特别是最近国家出台的《硅酸盐水泥》（GB175-2023），将钢渣不再列入生产水泥采用的混合材料中，这就意味着今后钢渣不能作为原材料用于生产水泥，将影响着钢渣资源化的综合利用。

其次，大宗工业固废资源化综合利用投资比较大，一般投资都在几千万，高的甚至达到几亿、几十亿元人民币，而目前投资固废综合利用的以中小企业为主，大型企业、上市公司凤毛麟角，投资额度在很大程度上给企业在筹集资金方面带来非常大的难度。同时，投资固废综合利用项目的资金回收期一般在五年以上，在资金方面，银行贷款对固废综合利用企业支持也较少，影响了固废综合利用的项目投资。

另外，以大宗工业固废为原材料生产的建材产品（烧结砖、砌块）性能逐渐不再适应新型装配式建筑的要求，使得固废建材产品市场受到限制，影响着固废的资源化综合利用。

总之，大宗工业固废资源化综合利用目前存在着诸多瓶颈问题难以得到解决，寻求既可规模化又能高附加值化利用的技术，已经成为当下和今后大宗工业固废资源化综合利用的必由之路。

二、大宗工业固废高附加值利用的思路

    大宗工业固废综合利用是我国节能环保战略性新兴产业的重要组成部分，是为循环经济发展提供资源保障的重要途径，是解决大宗工业固废不当处置与堆存所带来的环境污染和安全隐患的治本之策，也是确保我国工业可持续发展的一项长远的战略方针。未来必须以提高大宗工业固废综合利用率为目标，以大宗量、高附加值利用为重点，坚持统筹规划、因地制宜和源头减量的原则，以市场为导向，以基地为依托，以企业为主体，建立技术先进、清洁安全的现代化大宗工业固废综合利用产业新模式，推进“资源节约型、环境友好型”的发展新模式、新思路，研发一批具有自主知识产权的原创技术，推广一批先进适用技术；培育一批具有较高技术装备水平和市场竞争力的专业化企业；建设一批以大宗工业固废综合利用为主要特色的国家新型工业化产业示范基地；打造以大宗工业固废综合利用为关键节点的循环经济产业链；构建适合我国国情的大宗工业固废综合利用管理体系，促进大宗工业固废规模化、高附加值利用、可持续的发展。

大宗工业固废规模化、高附加值利用是以企业为主体、以市场为导向、以资本为纽带、以技术为支撑的跨学科、跨行业的工业体系，技术创新和产品市场推广是推动固废资源化综合利用的关键节点，因此，要充分利用和发挥高等院校、科研机构的科研资源和优势，进行重大技术项目的科技攻关和研发；发挥企业主体投资及对新技术应用的积极性，让企业真正意识和享受到固废资源化利用的经济效益，以企业为主体适时成立工业固废规模化、高附加值化利用产业基金，通过引进多方资金用于大宗固废资源化利用项目建设，切实提升大宗工业固废的利用水平。

因此，国家和地方政府有关部门要在出台相关政策的基础上，积极组织高等院校、科研机构、固废处置企业联合进行技术攻关，以及加快对现有先进技术应用的实验室小试、工业中试的进程，尽快将先进技术应用到实践生产中，在解决大宗工业固废处置的同时，给投资企业创造经济效益，给当地创造社会效益。

三、大宗工业固废高附加值利用的途径

目前，我国大宗工业固废资源化利用很大程度上还处于低值化层面，随着绿色制造、绿色建筑理念的发展和提升，将促进大宗工业固废综合利用向高性能化、高值化良性发展，从技术角度看，我国工业固废高附加值化利用技术很多仍然处于实验室阶段的较多，真正能产业化的成熟技术少，缺乏大规模、高附加值利用且具有带动效应的重大技术和装备，因此，工业固废高附加值化利用任重道远，还有很多技术难题需要攻关。以下是笔者查询相关资料后整理的工业固废高附加值利用的途径，供行业同仁参考。

1.  粉煤灰提取氧化硅生产高填料文化用纸技术

   该技术主要是针对我国高硅粉煤灰中大量氧化硅资源未能高附加值化利用的问题，建立粉煤灰处理与高填料造纸的生态链接，突破粉煤灰中非晶态二氧化硅提取制备高填料文化用纸等关键技术，实现高铝粉煤灰大掺量消纳与高附加值利用。

   该技术重点需要研发化学提取粉煤灰中氧化硅制备造纸填料技术，脱硅粉煤灰改性造粒制备吸附材料，并用于造纸废水处理技术，优化集成万吨级高铝粉煤灰生产高填料文化用纸全流程工艺。

   该技术的研发指标为：粉煤灰提取氧化硅生产高填料文化用纸成套工艺技术和装备，实现粉煤灰高附加值综合利用率大于90%，粉煤灰中非晶态氧化硅提取率大于80%，新型硅酸盐填料添加量大于50%，造纸助剂使用量小于5%，建设年产10万吨级的高填料文化用纸示范工程，实现3-6个月以上安全、经济、稳定运行，生产全流程“三废”排放符合国家相关环保达标要求，节能效益显著。

   2. 煤矸石硅铝碳资源化高附加值化利用技术

   该技术主要是针对煤矸石综合利用产品附加值低、能耗高、生产对环境影响等问题，为煤矸石规模化消纳与高附加值化利用提供技术支撑。重点研发煤矸石中碳高效燃烧和硅铝活化新技术与装备，研发铝硅深度分离与铝系絮凝剂制备技术，研发氧化硅提纯与形貌控制等制备白炭黑的关键技术，研发利用余热低温固化过程废液制备高端环保建材技术，优化集成万吨级煤矸石硅铝碳梯级利用与规模化处理全流程工艺。该技术的研发指标为：形成煤矸石规模化、高附加值化利用的多联产工程化成套技术，实现煤矸石综合利用率达到90%以上，氧化铝提取率大于92%，二氧化硅提取率大于90%，白炭黑和聚合氯化铝等再利用产品符合国家相关标准，节能效益显著，建设年处理2万吨煤矸石有价元素综合利用示范工程，实现3～6个月以上安全、经济、稳定运行，生产全流程“三废”排放符合国家相关环保达标要求。

   3. 钢渣活性组分固化与资源化利用技术

   该技术主要针对钢渣排放量大、资源化利用率低等问题，研发钢渣钙镁活性组分稳定固化及大规模资源化利用的核心技术与装备，形成高附加值化产品体系，提升钢渣利用的经济效益，为难以处理冶金废渣的规模化、高附加值化利用提供技术支撑。

   该技术主要研发冶炼液态钢渣改性制备陶瓷等产品关键技术与装备，研发废弃钢渣活性组分快速固化及低成本生产泡沫混凝土等关键技术，研发钢渣中活性钙镁分级提取联产超细碳酸钙、吸音材料等高附加值产品关键技术，优化集成万吨级煤矸石硅铝碳梯级利用与大规模处理全流程工艺。

   该技术的研发指标为：形成钢渣制备陶瓷、钢渣生产泡沫混凝土、钢渣制备碳酸钙和吸声材料等核心技术与装备，实现钢渣掺量大于40%，钙提取率大于75%，吸声系数大于0.5，产品符合国家和行业相关标准，分别建成万吨级钢渣制备陶瓷及泡沫混凝土示范工程，千吨级以上钢渣制备碳酸钙和吸声材料工业化模式装置，实现3-6个月以上安全、经济、稳定运行，生产全流程“三废”排放符合国家相关环保达标要求。

   北京大学任育鹏、李宇等专家对利用转炉钢渣、铝土尾矿为主要原料，采用混合造粒方式制备了陶瓷原料颗粒，进一步经压制和烧结制备出了多孔陶瓷材料，试验结果显示，陶瓷生坯制备过程中，其颗粒原料不完全贴合而形成大小不一的空隙。烧结温度的升高有利于陶瓷中辉石、钙长石和液相的形成，促进了材料的致密化，使得形成较小孔隙的颗粒之间发生连接，导致了多孔陶瓷显气孔率降低和抗折强度升高；同时，而未能排除的较大孔隙则保留形成了三维多孔贯通结构。当烧结温度继续升高，液相增多，更大孔隙的陶粒颗粒之间连接和致密化，其抗折强度继续升高，但是由于过量的液相堵塞了颗粒之间的孔隙，导致了其显气孔率的显著降低。合适的烧结温度是制备钢渣多孔陶瓷的关键。本实验条件下，当烧结温度为1140℃时，样品表现出了优秀的力学性能(抗折强度12.86 MPa)和显气孔率(21.48%)。本研究为多孔陶瓷的制备提供了一种新的思路，并且为固废高值化利用提供一条有效的途径。

   4. 脱硫石膏高附加值化利用技术

   脱硫石膏高附加值化利用主要包括：开发脱硫石膏制备超高强α石膏技术，利用脱硫石膏制备石膏晶须、GRG（玻璃纤维增强石膏板）制品，高档模具石膏粉等高附加值产品；利用脱硫石膏制备自由平石膏、纸面石膏板及相关产品。

   利用脱硫石膏制备超高强α石膏和硫酸钙晶须产品，该技术的实施不仅可以解决半干法脱硫灰无害化、清洁化和资源化利用问题，还可以实现高附加值利用，更为重要的是采用本工艺后，完全可以改变我国烟气脱硫现状，使烟气脱硫工艺更为合理，更为清洁，同时本项目环境效益，经济效益和社会效益重大，不仅符合我国节能减排的远景规划，而且对于实现我国大气质量的根本性改善具有重大历史意义。

   超高强α石膏又称为高性能高强度石膏，是指具有一定规则外形的高强度α半水石膏，这与市场上普通的高强石膏有着本质上的不同。本产品性能可以达到普通石膏粉的性能3倍以上，不仅具有良好的力学性能、工作性能、环保性能和生物性能等，而且高强α半水石膏应用极为广泛，如精密铸造、高端建材、工艺美术、医疗、航空、船舶等领域。

   硫酸钙晶须又名石膏晶须，英文名称为Calcium Sulfate Whisker，缩写为CSW，其化学式有CaSO4、CaSO4·0.5H2O、CaSO4·H2O和CaSO4·2H2O，国际商品名称为ONODA-GPF。硫酸钙晶须具有均匀的横截面、完整的外形和完善的内部结构，属于纤维状单斜晶系结构。硫酸钙晶须作为一种短纤维材料，长度为40～300μm，直径为0.5～5μm。硫酸钙晶须真密度2.6～2.4ɡ/cm3；松散密度0.1～0.4ɡ/cm3；抗张强度20～21Gpa；抗张模量170～180Gpa；莫氏硬度 3～4；pH值6～8。主要应用于造纸、橡胶、塑料、沥青和陶瓷等领域。

   5. 磷石膏高附加值化利用技术

   磷石膏是磷化工磷酸生产过程中主要的副产物之一，随着磷石膏污染逐渐吸引世界环保行业污染治理的眼球，磷石膏资源化利用成为了当今固废污染治理以及高附加值利用的重要主题。

   我国的磷石膏产出地区主要集中在云南、贵州、四川、湖北等省，据统计，湖北、贵州、云南、四川4省磷矿石和磷肥产量分别占长江经济带产量的96.7%和90.8%，而作为磷矿石和磷肥化工的副产物之一的磷石膏，成为该四省区固废处置的最大难题。目前仅贵州省因为全面实施磷石膏“以用定产”，基本上实现磷石膏产销平衡，综合利用率相对较高。目前磷石膏主要应用在建材、化工、农业、日用品、造纸以及矿区回填等领域，其中建材是磷石膏主要应用场景，如制作水泥添加剂、石膏砌块、建筑石膏粉、陶瓷模具、石膏砂浆、吸声板、硫酸钙晶须、酸钙复合材料等。但是，以磷石膏为主要原材料生产制备的建材产品，由于目前市场接受度低、应用范围不广，导致磷石膏综合利用进展非常缓慢。

   磷石膏的利用率不高，究其主要原因，是因为磷石膏中掺杂着磷、氟等很多有害杂质，不进行提纯处理，很难用于生产附加值高的中高档建筑建材产品，存在产品质量、环保等方面的隐患。因此，如何对磷石膏进行提纯处理，用于生产制备高附加值化产品，成为当前和今后磷石膏资源化综合利用中值得思考的问题。

   目前磷石膏高附加值化利用主要用于生产高强石膏基自流平砂浆、石膏装配式建筑产品、精密砌块、新型保温墙材、新型水处理剂以及制备化工原料等。昆明理工大学的吴丰辉、刘晔等人对磷石膏制备化工原料进行了研究，提出磷石膏在制备化工原料方面，可以制备石膏晶须（即硫酸钙晶须）、硫基产品（工业硫磺、硫酸盐、硫酸、钙基产品），为磷石膏的高附加值资源化处理提供理论支撑。

   据悉，四川省德阳市磷石膏综合利用企业与中国化工协会、四川大学等科研院所合作，联合攻克制约产业链发展的磷石膏改良土壤、磷石膏余热余压煅烧等关键共性技术，开发出土壤调节剂、石膏晶须、新型绿色建材等产品。磷石膏综合利用企业与清华大学共同建立新材料研发中心，专注磷石膏综合利用，推进水泥基裂纹注浆修复材料、水泥基渗透结晶型防水材料、高性能注浆材料等绿色建材的研发应用。还与西南交大联合研发出改良磷石膏用作路基材料成果，目前已处于公路试验阶段，为大规模推广应用磷石膏走出一条新路径。

   目前，磷石膏的资源化综合利用在技术上已经取得了可喜的成绩，但是，在高附加值化利用方面，还有待在技术及实际应用中进行不断的研发、完善，最终实现磷石膏高附加值化、规模化利用的目标。

   四、结束语

   近年来，国家和地方有关部门高度重视大宗工业固废资源化利用问题，并且出台了相关政策，大宗工业固废综合利用取得了长足发展，但是由于我国大宗工业固体废物新增产量大、历史堆存量大、分布不均衡、成分复杂等原因，目前仍存在利用量小、附加值低、利用成本高、技术开发投入不足、市场活跃度较低、同质化竞争和产能过剩严重、家底不清、区域发展不平衡、相关科研人员和工程技术人员缺口大、整体产业科技支撑严重不足、法律法规不完备、政策机制不完善、配套政策不协调等问题。

   无论是低值化还是高附加值化利用，都需要解决的是以工业固废为原材料生产制备的产品市场问题，只有生产的产品被市场认可、接受，并得到广泛的、规模化的利用，才能从根本上解决固废资源化综合利用的问题。另外，需要解决的是投资企业在固废综合利用的项目上的盈利问题，目前，由于大多固废综合利用企业生产的是低值化的建材产品，而且存在产品同质化、产能过剩等问题，企业盈利能力差，甚至有的企业处于亏损状态，严重影响了企业投资工业固废资源化综合利用领域的积极性。只有解决了产品市场问题，企业盈利能力增强，才能从根本上解决大宗工业固废资源化综合利用的难题。