我國工業固廢制備陶粒資源化利用的研究進展

馬明亮，孫曉南，權宗剛，王科穎

(西安墻體材料研究設計院有限公司，西安 710061)

0 引 言

陶粒作為一種新型輕質、保溫、高強多功能的人造輕骨料，是《產業結構調整指導目錄(2019年本)》鼓勵類中適用于裝配式建筑的部品化建材產品，同樣是《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和《建材工業發展規劃(2016～2020年)》中的多功能化材料。工信部發布于2018年5月15日起施行《工業固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》和《國家工業固體廢物資源綜合利用產品目錄》，其中主要產品就含有陶粒制品[1]。這對工業固廢制備陶粒的資源化利用和陶粒行業本身有著重大的意義和推動作用。

隨著綠色生態循環經濟建設的高速發展，陶粒的生產原料已經由傳統的粘土、頁巖轉向工業尾礦廢渣、建筑淤泥等固體廢棄物，這是陶粒產業可持續發展的一個重要因素。經研究發現大部分工業固廢與陶粒原料的契合度很高，是極佳的陶粒基本材料。

1 工業固廢的產生情況

隨著我國工業化進程發展加快，工業固體廢棄物(以下簡稱“工業固廢”)大量堆積，不僅污染空氣、水源和土壤，破壞生態環境，同時是對地球有限資源的巨大浪費[2-3]。根據國家統計局的統計年鑒數據，表1列出了2013～2017年工業固廢產生、處置、貯存等相關數據[4-5]。《中國制造2025》提出，預計到2020年，我國工業固廢產生量將達到45億噸，工業固廢綜合利用率達到73%。我國工業固廢資源化利用具有巨大的提升空間。

表1 2013～2017年我國工業固廢的產生情況(單位：萬噸)[4-5]Table 1 Production of industrial solid waste in China in the past 2013-2017 (Unit:10 000 tons)[4-5]

《國家工業固體廢物資源綜合利用產品目錄》中將工業固廢分為六大類，主要包括煤矸石、尾礦、冶煉渣、粉煤灰、爐渣、脫硫石膏等，其各自在工業固廢中所占比重和年產生量及綜合利用情況分別如圖1、圖2所示。目前全國累計堆存的工業固廢超過600～700億噸，2018年大宗工業固廢產生量36.56億噸，其中煤矸石、尾礦、粉煤灰占大宗工業固廢增量的90%。通過綠色發展、低碳發展、循環發展，實現工業固廢的高效資源化利用已成為迫在眉睫之勢、高效環保之路[6-7]。

圖1 2018年六大類工業固廢產生量占比Fig.1 Proportion of six industrial solid wastes in 2018

圖2 2018年六大類工業固廢產生量及綜合利用情況Fig.2 Production and comprehensive utilization of six industrial solid wastes in 2018

2 工業固廢制備陶粒

2.1 工業固廢制備陶粒的可行性

組成陶粒的化學元素通常有Si、Al、Mg、Fe、Ca、K、Na等，一般對原料化學組成的要求為：SiO253%～79%，Al2O312%～26%，CaO、MgO、K2O、Na2O等熔劑氧化物8%～24%[8]，在此范圍內均可燒成具有膨脹性的陶粒。表2列出了我國部分工業固廢的化學、礦物特征情況[7,9-10]。從表中可以看出，這些工業固廢都具有適宜的基礎成分，構成了形成陶粒的必要條件，使得工業固廢資源化利用成為可能。

2.2 工業固廢制備陶粒的原理

工業固廢原料的化學組分及相對含量對陶粒的焙燒及其后期性能的產生有著至關重要的影響。按其在焙燒過程中的作用可分為三類[11-12]:

一是成陶主要成分,包括SiO2和Al2O3，屬酸性氧化物，在陶粒的原料中一般占3/4。SiO2與Al2O3在高溫下反應生成莫來石等礦物相，構成陶粒骨架，作為受力框架為陶粒提供強度。具體形成過程如圖3所示。

作為主要的成陶組分，SiO2和Al2O3需要在一個適宜的范圍，不能過高或過低。SiO2含量較高時，陶粒的耐火度增加，熔融溫度越高，液相黏度就會增大，膨脹性能相應變差；Al2O3含量過高，燒成溫度會相應提高、黏度加大，對陶粒的膨脹產生不利影響，當Al2O3含量過低時，陶粒的強度會降低。相關研究表明[13-14]，Al2O3/SiO2比值是陶粒性能的關鍵性影響因素之一，比值超出一定范圍時，就會出現坍塌、過燒等現象，陶粒呈扁球狀，性能也會大幅度降低，不利于陶粒的制備。

表2 部分工業固廢的主要化學、礦物特征[7，9-10]Table 2 Chemical and mineral characteristics of some industrial solid wastes[7，9-10]

圖3 陶粒骨架形成過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the formation process of ceramsite skeleton

二是助熔成分，主要是K2O、Na2O、CaO、MgO和FeO等堿性氧化物。在陶粒焙燒過程中起助熔和降低燒成溫度的作用，其中助熔效果最強的為K2O、Na2O，CaO、MgO、FeO次之。適宜的助熔成分含量與陶粒的燒成溫度范圍、窯爐的正常運轉及成品率有著至關重要的關系。

三是發氣物質，是指在高溫下經還原分解和相互反應能產生H2O、CO2、CO及少量SO2氣體的成分。一般包括碳酸鹽類(CaCO3、MgCO3)、氧化鐵類(Fe2O3)、有機質(碳C)類等，它們是使成陶組分發泡，形成氣孔膨脹的動力。

在焙燒過程中，陶粒料球中的成陶成分在助熔成分的作用下熔點降低，在高溫下熔融生成液相，發氣物質在高溫作用下產生氣體使陶粒內部具有多微孔結構。陶粒的形成是料球內氣體膨脹力與料球熱塑時的表面張力達到平衡的過程。因此選擇適宜的工業固廢原料和配合比是為陶粒提供上述三種成分，使其在燒成溫度下達到合理平衡點并具有良好性能的關鍵。

2.3 工業固廢制備陶粒工藝

制備陶粒的工藝選擇是建立在所用原料性能基礎上的。根據前述不同化學成分在焙燒過程中作用的分類，可將工業固廢分為主要原料(摻量>50%)，輔助原料(摻量10%～50%)與添加劑(摻量<10%)三種類型用于陶粒的制備生產。前兩類主要用其成陶的粘土質成分與熔劑氧化物，即提供SiO2和Al2O3為主，Fe、Mg、Ca、K、Na等氧化物居次，形成骨架提供強度，又有助熔作用成分。后一類是取發氣的有機質及助熔成分，提供膨脹動力，降低焙燒溫度。目前已開發的可作為主料和輔料的工業固廢有粉煤灰、煤矸石、爐渣、尾礦渣、選礦渣等；可作為添加劑的有硫鐵礦渣、廢礦物油渣、造紙廢液等。

除化學組分外，物料的原始物理性能對制備工藝的設計也具有較大的影響。工業固廢原料中除煤矸石多以塊狀形式存在以外，其他絕大部分都是以顆粒狀、粉狀甚至微粉形式存在，如尾礦、粉煤灰、爐渣等，還有一部分則是含水率較高的細粉，如赤泥、工業污泥、脫硫石膏等。表3列舉了部分工業固廢的物理特征和制備陶粒的最大摻量，以及一般的陶粒產品類型和對應的焙燒溫度范圍[9,15]。

表3 部分工業固廢的物理特征和制備陶粒的相關參數[9，15]Table 3 Physical characteristics of some industrial solid wastes and the relevant parameters for the preparation of ceramsite[9，15]

針對不同工業固廢原料，制備陶粒的成球造粒工藝和燒成工藝也不同。一般對于粉狀工業固廢物料采用預加水成球工藝，泥狀工業固廢物料采用塑性造粒工藝，塊狀工業固廢物料采用破碎造粒或粉磨預加水成球工藝。燒成工藝包括回轉窯和燒結機工藝兩種,工藝流程如圖4所示。

3 工業固廢制備陶粒的資源化利用與研究現狀

3.1 研究現狀

我國在利用粘土、頁巖等天然礦物原料和利用粉煤灰制備陶粒的研究上已具有較為成熟的工藝技術，而對于利用煤矸石、各類尾礦等其他工業固廢燒制陶粒的技術尚處于研究開發階段，主要集中在不同工業固廢來源原料配方的可行性研究，包括原料來源及配方體系對產品堆積密度、筒壓強度、吸水率、氣孔率等性能指標的影響。在陶粒的生產過程中，大部分工業固廢原料都需與其他物料摻配，方可獲得適宜的陶粒原料成分，制備性能優良的陶粒。目前已獲得較為理想研制成果，且摻配量>30%制備出合格陶粒的工業固廢原料有：粉煤灰、煤矸石、銅尾礦、金尾礦、鐵尾礦、釩尾礦、藍晶石尾礦、紅土鎳尾礦、赤泥、污泥等。具體研究總結如表4所示[16-36]。

圖4 工業固廢制備陶粒工藝流程圖Fig.4 Process flow diagram of ceramsite preparation from industrial solid waste

表4 我國工業固廢制備陶粒的研究現狀[16-36]Table 4 Research status of preparation of ceramsite from industrial solid waste in China[16-36]

續表

續表

部分研究在以工業固廢制備陶粒時為調配適宜成分，摻入了大量(≥50%)粘土、頁巖等不可再生原料，雖然具有合理的研究途徑和技術方法，但從后期產業化推廣而言，并不符合綠色工業的發展要求。也有部分學者僅使用多種工業固廢進行合理配比制得指標良好的陶粒。符勇等[37]利用三大工業固廢赤泥、鋁土尾礦、污泥燒制出符合國家標準的700級和900級的高強陶粒，研究表明隨鋁土尾礦摻量的增加，陶粒的筒壓強度增大，當配合比為赤泥∶鋁土尾礦∶污泥=27.5%∶52.5%∶20%時，獲得最高筒壓強度為16.19 MPa，堆積密度為866.75 kg/m3，吸水率為9.7%的陶粒。

近年來，除作建筑輕骨料、濾料等用途的常見陶粒外，還有利用工業固廢原料制備例如催化改性陶粒[38]、吸音陶粒[39]、特性吸附陶粒[40]、微生物載體陶粒[41]、脫色陶粒[42]、相變儲能陶粒[43-44]等多種新型陶粒的研究。這些陶粒大多都是通過表面改性或表面結構優化、封裝相變材料等特殊處理方式獲得特殊功能。這類高價值化的陶粒產量少、工藝復雜、成本高，是未來陶粒研究熱點[45]。

3.2 工業固廢資源化利用陶粒產業現狀

在大力發展綠色建材和環保政策地推動下，資源化利用各種工業固體廢棄物制備陶粒的產業化生產取得了較大的成果。

粉煤灰陶粒因其性能局限性導致有所減產，近期發展主要集中在山西和山東等地，采用山東恒遠公司開發的“瀑落式”回轉窯燒成，在建和已經投產的粉煤灰陶粒項目約有30萬立方米的年產規模[46]。

污泥陶粒是近期行業發展熱點，利用陶粒窯協同處置各種工業污泥、甚至危險廢棄物及污泥(如鉻渣、提釩尾渣、皮革污泥、電鍍污泥、不銹鋼酸洗污泥、油污泥等)等方面發展迅速。據中國混凝土與水泥制品協會輕骨料分會2018年新建污泥陶粒項目的不完全統計結果表明，新建、在建污泥陶粒企業有12家以上，新增產能近200萬立方米，制備陶粒已成為污泥資源化、無害化處置的一種行之有效的新途徑[46]。

相比粉煤灰、工業污泥制備陶粒的成熟性技術應用，煤矸石、各類尾礦、冶煉廢渣等其他工業固廢燒制陶粒的產業化較為緩慢。據了解[47]，將建的山西省朔州市懷仁市煤矸石陶粒項目實現100%利用固廢，以煤矸石、粉煤灰為原料，采用國際先進專用生產線，通過科學配比、成核、成球、橫輥篩分、燒結成型為陶粒。淮南東辰集團完全自主研制開發的國內首條5萬立方米全煤矸石陶粒生產線已正式投產。華友鈷業利用鈷尾礦為原料生產陶粒的生產線目前正在緊張的建設中，預計將于2021年上半年完成投產。冶煉廢渣制備陶粒方面具有比較突出的科研成就，武漢科技大學與廣西綠盛科技有限公司合作的“典型工業廢渣無害化處理與資源化利用工程研究”項目成果之一“鋼渣燒制高強保溫陶粒技術”是基于全粒度利用和全生命周期開發研究思路，將鋼渣等工業固廢高效資源化和產品化的技術。該項目課題組已經開發出錳渣保溫陶粒、陶粒濾料和石油支撐劑等產品，并進行了工業化中試生產。

4 結論及展望

盡管國內在工業固廢制備陶粒方面已有大量的研究工作，并取得了一些成果，但資源化利用仍存在一些問題：

(1)工業固廢陶粒的生產應用與試驗理論研究脫節，很少有研發成果轉化為應用技術，缺乏裝備支撐，導致產業規模小、集中度低等現象。

(2)資本與市場化的同時忽視了技術專業化，若能通過調整制備工藝、優化配方、加大工業固廢陶粒的功能性研究，高值化的陶粒將有效改善陶粒的市場環境。

(3)目前國內陶粒專用設備主要依靠自主研發，技術手段與國外先進水平比較還相對落后，需針對工業固廢原料特性進行設備的制造和研發，優化改善制備工藝。

未來，在節能環保政策的督促下，建筑節能、裝配式建筑及住宅產業化市場的需求下，陶粒行業除了采用環保裝備、減少能耗和排放之外，利用適宜的工業固廢原料并生產符合市場需求的輕骨料產品是重要的發展方向。與工業固體廢棄物陶粒相關的關鍵生產技術的研究開發是未來一段時間的研發重點，研制高附加值多功能型陶粒更能滿足多樣化市場需求。工業固廢陶粒將逐漸成為主流，更多大型、先進、自動化的陶粒生產設備將逐步取代陳舊落后的設備，陶粒窯協同處置工業固體廢棄物技術將進一步成熟與發展，人造輕骨料(陶粒)建筑工程應用等市場不斷拓展。高效資源化利用工業固體廢棄物，發展高性能綠色功能產品，是陶粒行業可持續發展的必經之路，具有重要的社會和生態效益。