張永鋒

內(nèi)蒙古自治區(qū)具有獨特資源優(yōu)勢和區(qū)位優(yōu)勢，國家將自治區(qū)定位為“國家能源重化工基地”、“國家綠色農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)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(tài)屏障”。隨著國家“西電東送”戰(zhàn)略的實施和煤化工產(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)境負擔(dān)。如何依靠科技創(chuàng)新，大力開發(fā)煤基固廢的多種資源分級提取和協(xié)同利用途徑，化害為利，是內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的重大課題。

針對內(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驗室，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驗室建設(shè)的必要性

我國能源結(jié)構(gòu)特點決定了今后相當(dāng)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(chǎn)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(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(fā)利用和國家“西電東送”戰(zhàn)略的實施，內(nèi)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(zhèn)電廠、海渤灣電廠、豐泰電廠和準(zhǔn)格爾電廠等多個大型火力發(fā)電廠已經(jīng)建成發(fā)電，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)將成為本世紀(jì)我國最重要的能源生產(chǎn)供應(yīng)基地，為我國未來相當(dāng)長一段時期內(nèi)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(fā)電、供熱、居民生活、煤炭氣化等工業(yè)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(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)用市場有限，不僅大量占用土地，也是構(gòu)成大氣顆粒物的主要來源，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)達國家逐步加強了相關(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。如歐洲一些國家相繼開發(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壓光紙，并開展了工業(yè)化應(yīng)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(fā)電等領(lǐng)域取得了一定成效。近年來，我國自主開發(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)已進入產(chǎn)業(yè)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(tǒng)的低值利用向多種資源分級提取和協(xié)同利用是技術(shù)發(fā)展趨勢。

目前，內(nèi)蒙古中西部火力裝機容量迅速增加，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(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)化利用方式未能實現(xiàn)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(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。

內(nèi)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(huán)經(jīng)濟和節(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，實現(xiàn)高鋁粉煤灰的高效循環(huán)利用和生態(tài)環(huán)境保護，在當(dāng)?shù)亟⒀h(huán)經(jīng)濟型的產(chǎn)業(yè)鏈條，是關(guān)系到我國西部地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，是《國家中長期科學(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)展主題具體落實的體現(xiàn)。

因此，針對上述國家重大任務(wù)需求，迫切需要基于已有科研成果，進一步開展工藝優(yōu)化完善、關(guān)鍵設(shè)備量化放大、過程強化與節(jié)能、全過程優(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驗室主要方向、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(yè)針對高鋁粉煤灰提取氧化鋁開展科技攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)化示范，取得了突破性進展，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)濟產(chǎn)業(yè)鏈。但是針對我區(qū)煤基固廢中非晶態(tài)硅及空心結(jié)構(gòu)等資源的開發(fā)，仍需要進行大量深入細致的研發(fā)與工業(yè)化試驗，以期開拓形成煤炭—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)濟新興產(chǎn)業(yè)方向。

（一）工程實驗室擬突破的技術(shù)方向

本工程實驗室要調(diào)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(zhuǎn)變?yōu)槔妹夯虖U中結(jié)構(gòu)單元的新思路，以實現(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、石化以及下游精細化工產(chǎn)業(yè)鏈，在不斷提供整個產(chǎn)業(yè)效益和抗風(fēng)險能力的同時,實現(xiàn)能量消耗的最佳化。具體的研究方向和研究開發(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）工程實驗室的主要功能與任務(wù)

工程實驗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，以實現(xiàn)煤基固廢高值化、規(guī)?；{和資源化利用為目標(biāo)，開發(fā)煤基固廢系列產(chǎn)品，形成一批技術(shù)先進、清潔高效、經(jīng)濟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項產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，申請國家發(fā)明專利和制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（三）工程實驗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)域達到國內(nèi)外領(lǐng)先水平。為改變自治區(qū)經(jīng)濟發(fā)展方式、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局以及節(jié)能減排做出實質(zhì)性貢獻。

1.形成科技成果產(chǎn)業(yè)化的工程化驗證環(huán)境和對科技成果進行技術(shù)經(jīng)濟分析和工程評估的能力；

2.建設(shè)一支一流的技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)與系統(tǒng)集成隊伍；

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(chǔ)上，通過本工程實驗室平臺的建設(shè)，對這些科研成果進行中試研究，根據(jù)中試研究數(shù)據(jù)進行技術(shù)集成，繼而建設(shè)示范生產(chǎn)線，利用工業(yè)現(xiàn)場數(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)保兩個產(chǎn)業(yè)方向：在新材料產(chǎn)業(yè)方面，可開發(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，開發(fā)新型外墻保溫技術(shù)、開發(fā)活性硅凈化室內(nèi)有害氣體技術(shù)，開發(fā)協(xié)同脫硫、脫硝和脫汞凈化煙氣技術(shù)、開發(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）