促進煤基固廢高值化利用技術創新加快培育和發展戰略性新興產業

張永鋒

內蒙古自治區具有獨特資源優勢和區位優勢，國家將自治區定位為“國家能源重化工基地”、“國家綠色農畜產品生產加工基地”、“國家重要的稀土、新材料、有色金屬深加工基地”、“我國北方重要的生態屏障”。隨著國家“西電東送”戰略的實施和煤化工產業的大力發展，內蒙古自治區將產生大量的粉煤灰、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建材和大量堆存為主，使得我區煤基固廢中特有的鋁、鎵、硅及空心微珠等寶貴資源成為環境負擔。如何依靠科技創新，大力開發煤基固廢的多種資源分級提取和協同利用途徑，化害為利，是內蒙古自治區經濟社會發展的重大課題。

針對內蒙古自治區煤基固廢的資源特性，自治區發改委依托內蒙古工業大學組建了煤基固廢高值化利用工程實驗室，旨在以非晶科學技術研發為核心，以產學研結合為紐帶，不斷孵化新材料和節能環保戰略性新興產業，利用煤基固廢的成分結構特征和物相轉化來生產各種高附加值產品，并應用于化工、冶金、污染控制與生態修復等領域，建立有內蒙古自治區特色的煤基固廢高值化利用戰略性新興產業。

一、煤基固廢高值化利用工程實驗室建設的必要性

我國能源結構特點決定了今后相當長時期以煤炭為主的格局不會改變。在煤炭開采與加工利用過程中產生的煤矸石、粉煤灰、煤氣化灰渣、煤液化殘渣和煙氣脫硫石膏等煤基固廢的年排放量超過10億噸，占我國工業固體廢棄物年排放總量的50%以上。

內蒙古自治區煤炭資源豐富，鄂爾多斯盆地已查明的煤炭資源儲量占全國的39%，蘊藏的能源資源約占全國的35%以上。隨著西部煤炭資源的開發利用和國家“西電東送”戰略的實施，內蒙古中西部已成為國家重要的電力能源基地，托克托電廠、岱海電廠、豐鎮電廠、海渤灣電廠、豐泰電廠和準格爾電廠等多個大型火力發電廠已經建成發電，內蒙古中西部地區將成為本世紀我國最重要的能源生產供應基地，為我國未來相當長一段時期內提供重要的能源支撐。

煤燃燒是我國煤炭利用的主要方式，火力發電、供熱、居民生活、煤炭氣化等工業過程每年燃燒約25億噸煤炭資源，占我國年煤炭消費量的80%，排放約5億噸灰渣。長期以來，國內外粉煤灰綜合利用仍未突破以建材和建工為主的格局，我國東部地區粉煤灰綜合利用率較高，普遍將粉煤灰作為商品灰出售，但西部地區因“西電東送”粉煤灰排量巨大，而應用市場有限，不僅大量占用土地，也是構成大氣顆粒物的主要來源，環境危害嚴重，其綜合利用任務十分艱巨。

在粉煤灰、煤矸石等大宗煤基固廢領域，發達國家逐步加強了相關基礎研究和高值化利用技術的研發，正由傳統的建材為主向多資源協同提取、制備復合材料、污染控制與生態復填等領域發展。如歐洲一些國家相繼開發了粉煤灰、煤矸石提取氧化鋁、氯化鋁副產建筑材料的多聯產技術；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壓光紙，并開展了工業化應用。我國高度重視粉煤灰、煤矸石的資源化利用，在建材建工、礦井充填、煤矸石低熱值發電等領域取得了一定成效。近年來，我國自主開發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已進入產業化階段。但是，我國粉煤灰、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的低值利用向多種資源分級提取和協同利用是技術發展趨勢。

目前，內蒙古中西部火力裝機容量迅速增加，煤鋁鎵共生礦產資源主要作為火力發電的燃料燃燒，燃燒發電產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1200萬噸，歷年粉煤灰積存量已超過5000萬噸。且儲灰場多位于北京西北部的上風向，大量粉煤灰的排放與堆積不但造成當地嚴重的環境污染與土地占用，還直接威脅到京津唐地區的大氣環境質量，影響了區域的可持續發展。因此，對于內蒙古中西部的煤鋁鎵共生復合礦產資源，當前以燃燒發電為主的轉化利用方式未能實現該特色資源的綜合利用，不僅造成了資源的巨大浪費，而且生態環境破壞嚴重。

內蒙古晚古生代煤炭資源是我國主要動力用煤基地，按照循環經濟和節能減排的科學發展理念，突破煤鋁鎵共生礦產資源的綜合利用關鍵技術和集成示范，實現高鋁粉煤灰的高效循環利用和生態環境保護，在當地建立循環經濟型的產業鏈條，是關系到我國西部地區可持續發展的重大問題，是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》中資源環境領域中綜合治污與廢棄物循環利用的優先發展主題具體落實的體現。

因此，針對上述國家重大任務需求，迫切需要基于已有科研成果，進一步開展工藝優化完善、關鍵設備量化放大、過程強化與節能、全過程優化集成等關鍵技術、集成技術研發與大規模產業化示范，建立特色煤基固廢高值化協同利用與廢棄物零排放的循環經濟技術體系，為內蒙古中西部能源基地的資源、環境、經濟相協調的可持續發展提供技術支撐與新模式。

二、煤基固廢高值化利用工程實驗室主要方向、目標與任務

內蒙古自治區煤基工業固廢類型多樣、資源豐富， 近些年來以大唐國際為代表的大型能源企業針對高鋁粉煤灰提取氧化鋁開展科技攻關與產業化示范，取得了突破性進展，初步構建了高鋁煤炭—發電—高鋁粉煤灰—氧化鋁—鋁合金的新興循環經濟產業鏈。但是針對我區煤基固廢中非晶態硅及空心結構等資源的開發，仍需要進行大量深入細致的研發與工業化試驗，以期開拓形成煤炭—發電（煤化工）—粉煤灰（渣）—節能環境材料—生態修復的循環經濟新興產業方向。

（一）工程實驗室擬突破的技術方向

本工程實驗室要調整以往煤基固廢利用僅局限于提取固廢中有價元素的思路，轉變為利用煤基固廢中結構單元的新思路，以實現煤基固廢的低成本、高值化利用。另外，也重視煤基固廢系列產品支撐煤環境、化工與電力、石化以及下游精細化工產業鏈，在不斷提供整個產業效益和抗風險能力的同時,實現能量消耗的最佳化。具體的研究方向和研究開發內容包括：

1.研究煤基固廢的結構特性和資源化特性，煤中礦物和伴生元素在燃煤和粉煤灰利用過程中轉化規律；

2.粉煤灰非晶相提取生產新型環境吸附材料；

3.協同利用多種煤基固廢生產節能保溫材料；

4.煤基固廢生態修復技術；

（二）工程實驗室的主要功能與任務

工程實驗室定位于培育煤基固廢高值化利用戰略性新興產業的孵化器。以排放量大、堆存量大、污染嚴重的煤基工業固廢為切入點，以實現煤基固廢高值化、規模化消納和資源化利用為目標，開發煤基固廢系列產品，形成一批技術先進、清潔高效、經濟可行的煤基固廢綜合處理和資源化利用集成技術系統，具備煤基固廢高附加值處置的技術支撐能力，培養一批科技骨干和領軍人才，形成3-5項產業化技術，申請國家發明專利和制定相關技術標準。

（三）工程實驗室的近期和中期目標

總體目標是形成集研發、設計與工程應用于一體的技術創新體系，使得內蒙古自治區在煤基固廢高值化領域達到國內外領先水平。為改變自治區經濟發展方式、優化產業結構和布局以及節能減排做出實質性貢獻。

1.形成科技成果產業化的工程化驗證環境和對科技成果進行技術經濟分析和工程評估的能力；

2.建設一支一流的技術創新開發與系統集成隊伍；

三、煤基固廢高值化利用戰略性新興產業的培育和發展方向

結合本工程實驗室在前期長期研究煤基固廢高值化利用科研成果的基礎上，通過本工程實驗室平臺的建設，對這些科研成果進行中試研究，根據中試研究數據進行技術集成，繼而建設示范生產線，利用工業現場數據優化關鍵工藝設備技術參數，最終形成成套生產工藝技術和裝備，并制定相關技術標準和工藝包，使其具備大規模產業化條件。具體可培育和發展新材料和節能環保兩個產業方向：在新材料產業方面，可開發活性硅吸附材料、泡沫陶瓷和外墻保溫材料；在節能環保產業方面，開發新型外墻保溫技術、開發活性硅凈化室內有害氣體技術，開發協同脫硫、脫硝和脫汞凈化煙氣技術、開發從源頭控制燃燒源PM2.5的污染防治。該技術也可應用于垃圾焚燒、汽車尾氣、金屬冶煉等領域的高溫煙氣PM2.5污染控制。

（作者系內蒙古工業大學化工學院教授）