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★ 清洁利用 ★

宁夏工业固废处置与资源化利用战略研究

唐志华1,呼和涛力2,郭华芳1,熊祖鸿1,鲁 敏1,陈 勇1,3

(1.中国科学院广州能源研究所,广东省广州市,510640;2.常州大学,江苏省常州市,213164;3.中国科学院广州分院,广东省广州市,510070)

摘 要 以煤炭为基础的能源化工产业是宁夏的支柱产业,“西电东送”火电基地、国家大型煤炭生产基地和煤化工产业基地等大型基地的建设,使得宁夏工业固废的产排规模持续快速增长,带来的环境问题日益凸显,导致宁夏工业固废资源化利用率逐年降低,工业固废处置已成为制约宁夏可持续发展的重要因素。在分析宁夏工业固废排放特征、化学成分、资源化利用现状及存在问题的基础上,系统梳理国内外相关技术,提出了工业固废资源化利用的技术发展方向、阶段目标、技术路线图、重点任务及政策建议,为宁夏工业固废处置与资源化利用提供战略支撑。

关键词 工业固废;资源化利用;技术路线图;发展战略;宁夏

0 引言

宁夏回族自治区(以下简称“宁夏”)位于中国西北部的黄河中上游地区,地处北纬35°14′-39°23′,东经104°17′-107°39′,东邻陕西省,西部、北部接壤内蒙古自治区,南部与甘肃省相连,总面积为66 400 km2。宁夏下辖5个地级市,2019年常住人口694.66万人,实现地区生产总值3 748.48亿元,人均生产总值54 217元。宁夏全境具有工业规模的固体矿产地共计225处。其中,煤矿产地112处,已探明储量4×1010 t,居全国第6位,远景预测储量2.03×1011 t,居全国第5位,以煤炭为基础的能源化工产业是宁夏的支柱产业。

近几年,“西电东送”火电基地、国家大型煤炭生产基地和煤化工产业基地等大型工业基地的建设,推动了宁夏工业固体废物排放规模的快速扩大,带来的环境问题日益凸显[1-2]。《中华人民共和国环境保护税法》和新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的实施无疑又给工业固废的处置及资源化利用带来了更大的压力,依靠科技创新实现工业固废的规模化处置与资源化利用,探索工业固废分类资源化利用的技术途径是宁夏的必然选择[3]

为此,笔者及其所在的团队在分析宁夏工业固废排放特征、成分构成、处理和资源化利用状况现状的基础上,总结存在的问题,结合国内外相关技术,研究提出宁夏工业固废处置与资源化利用战略,给出了“十四五”及今后一个时期宁夏工业固废处理与资源化利用相的关意见和建议。

1 宁夏工业固废处置与资源化利用现状

1.1 一般工业固废的种类

2019年,宁夏煤炭产量为7.17×107 t,火力发电量为1.42×1011(kW·h),煤制柴油、煤制石脑油、煤制液化石油气和煤制其他石油制品产量分别为7.52×105、1.32×106、3.95×105和1.40×106 t,由此产生了大量的粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏等工业固废,2019年宁夏一般工业固废的排放量为5.69×107 t,工业固废综合利用率仅为32.43%,远低于我国平均水平(54.6%)[4]

根据2020年10月11日国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)批准发布的《一般固体废物分类与代码》(GB/T 39198-2020),宁夏一般工业固废的种类可分为煤矸石、其他尾矿、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏、锅炉渣、高炉渣、钢渣、其他冶炼废渣等,其中煤矸石和其他尾矿主要产生于煤的开采、洗选过程,粉煤灰、锅炉渣和脱硫石膏主要产生于燃煤发电、煤气化等煤炭利用过程,高炉渣、钢渣和其他冶炼废渣主要产生于金属冶炼行业,磷石膏等主要产生于化工行业。2010-2019年统计数据显示,宁夏一般工业固废排放量最大的为粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏,分别占2010-2019年一般工业固废排放总量的36.46%、15.77%、19.38%和11.76%,合计占一般工业固废排放总量的83.37%。由于其他尾矿、磷石膏、高炉渣、钢渣等一般工业固废种类庞杂,产生量相对较少,将其统称为其他工业固废(合计占2010-2019年一般工业固废排放总量的16.63%)。宁夏各类一般工业固废种类及占比如图1所示。

图1 宁夏各类一般工业固废种类及占比

1.2 一般工业固废成分分析

工业固废的主要化学成分是决定固废品质及资源化利用方式的主要因素,宁夏产生量最大的4类典型工业固废的主要化学成分见表1。

表1 典型工业固废主要化学成分[5-6] %

种类SiO2变化范围平均值Al2O3变化范围平均值Fe2O3变化范围平均值CaO变化范围平均值粉煤灰45.1~60.950.720.2~35.630.04.4~9.46.11.0~10.96.2煤矸石37.4~88.753.80.8~44.428.20.1~8.92.80.1~7.91.5锅炉渣27.7~47.844.619.8~33.825.04.3~18.29.63.7~34.310.7脱硫石膏2.7~2.92.80.6~0.80.70.4~0.60.531.6~31.831.7种类MgO变化范围平均值K2O变化范围平均值SO3变化范围平均值烧失量变化范围平均值粉煤灰0.5~8.13.20.8~3.42.10.2~7.23.10.8~2.71.6煤矸石0.1~5.91.1------锅炉渣0.6~3.31.6--0.3~3.71.51.7~12.34.9脱硫石膏1.0~1.21.1--42.4~43.042.719.2~19.619.4

注:-表示数据缺失

由表1可以看出,粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量合计为80.7%,但CaO的含量较低(均值<10%),根据国际粉煤灰的分类标准(ASTMC618),宁夏粉煤灰为低钙(F类)粉煤灰,宁夏粉煤灰的平均烧失量低于2%,说明宁夏火电厂锅炉设备先进,煤燃烧充分;宁夏煤矸石中SiO2和Al2O3 的含量合计为82%,Fe2O3、CaO和MgO的含量合计为5.4%,其余主要为碳含量;锅炉渣中SiO2和Al2O3的含量合计为69.6%,Fe2O3、CaO和MgO等金属氧化物的平均含量超过20%;脱硫石膏的化学成分与天然石膏基本相同,其主要化学成分为CaSO4·2H2O和CaSO3, 宁夏脱硫石膏 CaSO4·2H2O 的含量均在 93% 以上,表1中显示的烧失量主要是水分,CaO和SO3主要是CaSO4分解产生的。综合来看,宁夏工业固废主要产生于煤的开采利用过程,其化学成分主要是煤中的无机矿物和煤炭利用过程中产生的氧化物,化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等为主,还含有硫化物及少量有毒微量元素。

宁夏粉煤灰、煤矸石和锅炉渣的主要成分与黏土类似,具有较好的耐火性和高温烧结性能,可以替代黏土配料生产水泥、混凝土、烧结砖、陶粒等各类建材产品,也可以替代砂石骨料用于铺路、矿井填充、坝堤修筑等建筑工程。结合态CaO的含量影响建筑材料自硬性和混凝土的早期强度,CaO含量低则建筑材料的自硬性和混凝土早期强度较差,宁夏粉煤灰、煤矸石和锅炉渣中CaO含量相对较少,这在一定程度上影响了建材产品的品质及其在工程领域的应用。粉煤灰和锅炉渣颗粒具有大的比表面积,且含有少量残碳和大量SiO2、Al2O3和CaO 等活性基团,颗粒表面具有Fe、Al等多金属活性点位,具有良好的吸附性能和催化性能,可以用于生产吸附剂和催化剂及废水处理。煤矸石中有机碳的含量影响其资源化的利用方式,当有机碳含量大于20%时,煤矸石可以用作燃料;有机碳含量在6%~20%时,可以作为矿物燃料掺和料;有机碳含量低于6%时,不具能量直接回收的价值,但将其用于生产水泥或烧结砖时,煤矸石自身的发热量可以节省能源消耗。Si、K、Ca、Mg是植物生长所需的元素,粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏主成分中的SiO2、CaO、MgO和K2O可以用于生产农用硅肥和化肥。粉煤灰、锅炉渣和脱硫石膏可以生产土壤改良剂,用于调节土壤pH值,增加土壤孔隙度,促进土壤中微生物活性,使水、肥、气、热趋向协调。一般工业固废中稀有金属或稀土元素的含量达到工业级品味(Fe2O3为7%,Al2O3为35%,重稀土为0.06%,轻稀土为0.08%)才有提取价值,宁夏有少量粉煤灰中Al2O3的含量达到了35%,锅炉渣中Fe2O3的含量均值超过了7%,有一定的Fe和Al提取价值,但绝大部分工业固废不具备高值化利用条件。

1.3 一般工业固废排放、处置与资源化利用情况

2010-2019年,宁夏一般工业固废排放量逐年快速增长,2019年的排放量达到5.69×107t/a,相比2010年增长了1倍多,特别是2016年后,随着宁夏煤炭、电力和能源化工等重点项目的投产建设,一般工业固废的年排放量快速且稳定增长,2016年、2017年和2018年的一般工业固废排放量的年增长率分别为36.18%、34.80%和18.74%,2019年一般工业固废排放量的增速稍有降低,排放总量比2018年减少了9.80×104t。

2010-2014年,宁夏一般工业固废的综合利用率不断升高(从57.69%升高到76.42%),处置率不断降低(从19.86%降至8.91%),而从2014-2019年,一般工业固废的综合利用率不断降低(从76.42%降至32.43%),处置率不断升高(从8.91%升高到60.00 %),2010-2019年宁夏一般工业固废排放、处置与资源化利用情况[4]如图2所示。

图2 2010-2019年宁夏一般工业固废排放、处置与资源化利用情况

造成这一现象的主要原因可能是2014年之后宁夏一般工业固废排放量大规模快速增长,原有的资源化利用模式和规模体量难以及时消纳如此快速增长的工业固废,只能通过无害化处置的方式来解决增量排放的工业固废。2019年,宁夏各市一般工业固废排放、处置与资源化利用情况[4]见表2。

表2 2019年宁夏各市一般工业固废排放、处置与资源化利用情况 104 t

地区排放量综合利用量贮存量处置量银川市1244.26406.40102.09839.00石嘴山市1163.45266.4689.57928.57吴忠市702.58316.04514.35174.29固原市95.1525.174.6666.18中卫市541.75231.49422.851212.52宁东地区1946.02600.5595.381300.81

由表2可以看出,2019年一般工业固废排放量最多的为宁东地区(1.95×107 t),其次为银川市(1.24×107 t)和石嘴山市(1.16×107 t),固原市的工业固废排放量最小(9.52×105 t);一般工业固废综合利用量最多的是宁东地区(6.00×106 t),其次为石嘴山市(4.06×106 t)和吴忠市(3.16×106 t),综合利用量最少的为固原市(2.52×105 t);一般工业固废贮存量最多的是吴忠市(5.14×106 t),其次为中卫市(4.23×106 t)和银川市(1.02×106 t),固原市一般工业固废贮存量最少(4.66×104 t);一般工业固废处置量最多的是宁东地区(1.30×107 t),其次为中卫市(1.21×107 t)和石嘴山市(9.28×106 t),一般工业固废处置量最少的为固原市(6.62×105 t)。

宁夏一般工业固废排放相对集中,2019年一般工业固废排放量超过106 t的企业共有19家,合计排放一般工业固废3.57×107 t,占宁夏全区一般工业固废排放总量的62.75%。其中宁东地区有国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司等9家企业,主要为煤炭开采和洗选、煤电生产和煤化工企业,合计排放一般工业固废1.96×107 t;银川市有华电宁夏灵武发电有限公司等4家企业,主要为煤电生产企业,合计排放一般工业固废7.12×106 t;石嘴山市有国电宁夏石嘴山发电有限责任公司和国电大武口热电有限公司共2家企业,分别为煤电和热力供应企业,合计排放一般工业固废2.89×106 t;吴忠市有宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司、华能宁夏大坝发电有限责任公司和申能吴忠热电有限责任公司共3企业,分别为煤电和热力供应企业,合计排放一般工业固废3.92×106 t;中卫市有宁夏天元锰业集团有限公司共1家企业,主要从事金属冶炼加工,排放冶炼废渣2.22×106 t。

2019年宁夏各市/区不同工业固体废物排放量及典型企业排放情况见表3。

表3 2019年宁夏各市/区不同工业固体废物排放量及典型企业排放情况 104 t

地区粉煤灰锅炉渣煤矸石脱硫石膏其他废物典型企业排放情况宁东地区581.40531.45428.84145.74239.799家(1956.33)银川市552.51192.88297.02164.3725.994家(712.50)石嘴山市447.34164.3629.8693.25428.642家(289.52)吴忠市349.5382.55115.25109.1032.573家(391.56)中卫市24.048.8544.1914.192.901家(222.37)固原市110.1083.63-36.11302.080家(0)全区合计2064.921063.72915.16562.761031.9719家(3572.28)

注:典型企业为2019年工业固废排放量大于106 t的企业,数据来源宁夏固废申报登记平台

1.4 一般工业固废处置与综合利用产业现状

宁夏工业固废处置方式以卫生填埋为主,全区共有27座渣场,分布在宁东地区、石嘴山市、银川市、吴忠市、中卫市和固原市,分别各有渣场12座、5座、3座、3座、2座和1座,库容总量为3.95×108 m3,除宁东地区部分渣场仍在运行外,其他各渣场已基本饱和。宁夏工业固废资源化利用方式以生产水泥、混凝土及传统建材为主[7-10],共建立了各类循环经济试点34个,建设了蒸压加气混凝土砌块、蒸压粉煤灰砖、石膏基干混砂浆、煤矸石发电、水泥熟料和超细粉煤灰生产等多条生产线,基本形成电石渣制水泥、粉煤灰、炉渣、脱硫石膏生产墙材等循环经济产业链,但由于资源化产品附加值较低、技术装备落后和市场容量有限等原因,固废资源化企业数量从2015年末的554家降至目前的443家,整个产业链的价值有待提升。

1.5 一般工业固废处置与综合利用方面主要存在的问题

宁夏一般工业固废处置与综合利用方面主要存在以下突出问题:

(1)快速增长的工业固废排放量和逐渐缩小的消纳能力之间的矛盾日益凸显。宁夏现有渣场的库容已经接近饱和,但每年工业固废排放量在持续增长,需要不断挖掘新的空间才能消纳日益增长的工业固废,不仅占用了大量的土地资源,而且环境压力会持续增大。

(2)一般工业固废品质较低,资源化产品附加值低,销售半径小,产能严重过剩。宁夏绝大部分一般工业固废的品质较低,资源化利用价值不高,目前最常见的方式是将符合粒度、活性等指标的一般工业固废分选出来直接添加到水泥和混凝土中,不符合要求的一般工业固废则堆放贮存。一般工业固废改性的技术,无论是化学法还是物理法,均不成熟,加上企业研发投入不足,销售半径小,产能严重过剩。

(3)一般工业固废综合利用企业的规模小,研发投入不足,资源化产品单一,同质化竞争严重。目前,宁夏大部分一般工业固废综合利用企业规模较小、缺乏核心技术、研发投入不足。一般工业固废综合利用途径单一,以生产水泥以及各类新型砖瓦砌块、建筑石膏墙板为主,资源化产品单一,同质化竞争严重。建材行业是一般工业固废资源化产品消纳的主要市场,受到市场、季节、社会接受程度等因素的影响,行业利润空间被进一步压缩,企业可持续发展困难。

(4)部分类型的一般工业固废资源化利用途径未打通,处理难度大,造成了巨大的资源浪费。据统计,百万吨级煤间接制油工艺将排放约9×105 t/a左右的煤气化锅炉渣。宁东基地是我国煤制油、煤制烯烃规模最大的基地之一,煤气化锅炉渣排放量巨大。宁夏天元锰业有限公司渣场堆放的金属氧化物废物(锰渣)超过1×106 t,且还在以2×105 t/a的排放量继续累积;中卫市的鲁西化工化肥公司磷石膏渣场临时堆存的磷石膏接近7×105 t。而目前这些工业固废尚未打通资源化利用的技术途径。

2 国内外技术现状及发展趋势

2.1 国内外一般工业固废综合利用现状

2018年,我国一般工业固废排放量为3.316×109 t,其中综合利用量为1.812×109 t,处置量为7.98×108 t,贮存量为7.84×108 t,丢弃量为7.3×105 t,综合利用率为54.64%[11]。我国的粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏等一般工业固废主要应用于水泥、混凝土、各类建材制品、土壤改良、道路工程和矿井回填材料等领域。世界先进水平国家一般工业固废的资源化率为70%~80%,日本一般工业固废综合利用率高达97.4%,德国等欧洲发达国家一般工业固废综合利用率在85%以上,美国一般工业固废综合利用率为80%左右,中国台湾地区一般工业固废资源化率也达到了80%。目前,这些发达国家和地区一般工业固废综合利用方式主要为生产建材或用于建筑填料,如生产水泥、混凝土及各类建材制品,用于建筑工程(路基、坝基)、土壤改良和矿井回填等,高值化利用所占比例非常少[12-13]

我国一般工业固废资源化利用率与发达国家差距较大的主要原因是我国一般工业固废排放体量巨大且排放集中,大宗工业固废资源化利用技术途径单一;其次为区域分布失衡,我国一般工业固废主要分布于经济社会发展相对落后的西北地区。

2.2 国内外技术现状与未来发展方向

目前,国内外一般工业固废资源化利用技术有200余项,其中得到实际应用的有近70项,应用范围涉及水泥行业、土木工程、建筑材料、环保行业、农业、陶瓷工业和能源化工等多个领域[14-27]。目前应用最广泛的技术为生产水泥、混凝土和各类建材产品,约占工业固废资源化利用总量的45%~50%;其次为铺路、矿山修复、采空区回填等,约占工业固废资源化利用总量的20%~25%;农业领域的应用主要是改良土壤和生产肥料,约占工业固废资源化利用总量的15%~20%;其他领域的应用如废水治理、烟气脱硫等约占工业固废资源化利用总量的5%,提取稀有金属和稀土元素等高值化利用占比不足工业固废资源化利用总量的1%。

大宗工业固废处置与资源化利用技术是解决我国工业固废处置难题的关键。一是要大力发展工业固废源头减量技术,通过采矿装备的信息化、智能化,实现尾矿和煤矸石等工业固废的井下就地掩埋[28];二是应重点突破工业固废深层矿井高效安全填充技术[29-32]、工业固废软土固化和沙漠治理关键技术[33],实现工业固废大规模就近消纳与处置;三是发展工业固废梯级管理和多元化综合利用技术,如低品质一般工业固废改性提质技术[34]、高品质工业固废高值化利用技术等[17]

3 宁夏一般工业固废处置与资源化发展战略建议

3.1 宁夏一般工业固废处置与资源化利用技术方向选择

工业固废处置与资源化利用技术方向的选择应充分考虑当地经济社会发展的实际情况和地理环境因素[35],选择减量能力强、产业协同度高、经济性可以接受、技术成熟度较高、无环境二次污染风险和符合政策扶持的技术方向[36]。结合目前工业固废处理技术及未来发展方向,分别对粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏这4类典型固废处置与资源化利用技术方向进行评价,经专家研讨选择了技术成熟度、经济效益、环境效益、减量能力、社会发展和地理条件以及政策扶持方向这6大评价指标,各指标对应的评价准则与等级的定义见表4。

表4 技术方向评价指标及评价准则与等级定义

评价指标评价准则与等级定义分值/分技术成熟度萌芽:技术处于概念和方案阶段,可行性未被验证起步:技术已经完成实验室验证,并有个别的示范案例发展:技术的应用场景迅速增加,相关产品、装备制造和配套服务发展较快成熟:技术得到普遍应用,相关产品、装备制造和配套服务的市场竞争激烈0.250.500.751.00经济效益非常差:平均净利润为负值,且处理成本大于渣场填埋成本较差:平均净利润为负值,且小于渣场填埋成本一般:平均净利润率小于6%好:平均净利润为正值,平均净利润率大于6%00.330.671.00环境效益差:有重金属污染风险,或有废酸、废碱等二次危险废物产生一般:无重金属污染风险和二次危险废物产生,但有一般废物产生好:无重金属污染风险和二次废物产生00.501.00减量能力差:只提取工业固废的少量组分,固废的体积无明显减少一般:利用了工业固废的全部组分,但产品市场容量较小强:利用了工业固废的全部组分,且产品的市场容量大00.501.00社会发展及地理条件差:固废产品不能与当地产业匹配或处理技术与地理条件不符一般:固废产品与当地产业匹配,但产能过剩或与处理技术地理条件比较相符好:固废产品与当地产业匹配且产能基本平衡或处理技术与地理条件相符00.501.00政策扶持方向不明确:国家或地方未出台相关政策,没有依据和相关标准基本相符:基本符合国家或地方政策扶持方向,有政策奖励非常相符:国家或地方政策重点支持的方向,有专项支持0.330.671.00

基于宁夏特殊的地理位置和经济社会发展程度,邀请了10名专家对各技术方向进行指标评分,并绘制成雷达图,粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏的综合利用技术评价结果分别如图3~图6所示。

图3 粉煤灰综合利用技术评价

图4 煤矸石综合利用技术评价

图5 锅炉渣综合利用技术评价

图6 脱硫石膏综合利用技术评价

由图3可以看出,粉煤灰在生产建材产品和铺路方面,具有技术成熟、经济效益较差、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;粉煤灰在生产土壤改良剂和肥料技术处于发展阶段,具有经济效益好、环境效益差和减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;粉煤灰在矿井、坝堤回填技术处于发展阶段,具有经济效益较差、环境效益差和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,与政策扶持方向基本相符;粉煤灰在物质提取、生产功能材料和工业原料技术方面处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符。

由图4可以看出,煤矸石在发电技术方面相对成熟,具有经济效益和环境效益一般、减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符;煤矸石在回填煤矿采空区技术方面相对成熟,具有经济效益较差、环境效益差和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,与政策扶持方向非常相符;煤矸石在做路基材料的技术方面相对成熟,具有经济效益较差、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;煤矸石在生产建材产品技术方面相对成熟,具有经济效益一般、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;煤矸石在生产肥料技术方面处于发展阶段,具有经济效益好、环境效益差、减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;煤矸石用于物质提取的技术处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符;煤矸石用于生产功能材料和工业原料的技术处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益一般和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符。

由图5可以看出,锅炉渣在生产建材产品技术方面比较成熟,具有经济效益一般、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;锅炉渣在回填采矿区技术方面比较成熟,具有经济效益较差、环境效益差和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,与政策扶持方向基本相符;锅炉渣在铺路技术方面比较成熟,具有经济效益较差、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;锅炉渣在生产土壤改良剂技术方面处于发展阶段,具有经济效益一般、环境效益差和减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;锅炉渣在用于废水处理技术方面处于发展阶段,具有经济效益好、环境效益好和减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;锅炉渣在用于物质提取技术方面处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符;锅炉渣在用于生产功能材料和工业原料技术方面处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益一般和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向非常相符。

由图6可以看出,脱硫石膏在生产建材产品和水泥缓凝剂技术方面比较成熟,具有经济效益一般、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;脱硫石膏在回填采矿区的技术方面比较成熟,具有经济效益较差、环境效益差和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;脱硫石膏在铺路技术方面比较成熟,具有经济效益较差、环境效益好和减量能力强的特点,与宁夏社会发展及地理条件比较相符,与政策扶持方向基本相符;脱硫石膏在生产土壤改良剂技术方面处于发展阶段,具有经济效益一般、环境效益差和减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,政策扶持方向不明确;脱硫石膏在生产肥料技术方面处于发展阶段,具有经济效益好、环境效益差和减量能力一般的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,与政策扶持方向非常相符;脱硫石膏在用于生产功能材料和工业原料的技术方面处于起步阶段,具有经济效益好、环境效益和减量能力差的特点,与宁夏社会发展及地理条件相符,与政策扶持方向非常相符。

综合上述分析,粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏在用于生产建材产品和铺路,脱硫石膏用于水泥缓凝剂方面,其生产功能材料和工业原料等技术方向的各指标均无最低得分,即无明显短板,是目前宁夏相对最佳的技术选择;锅炉渣用于废水治理政策扶持方向不明确,其余5大指标均无最低得分,是次佳的技术选择。

粉煤灰生产肥料和土壤改良剂、煤矸石生产肥料、锅炉渣生产土壤改良剂、脱硫石膏生产土壤改良剂和生产肥料的短板是环境效益差、存在重金属二次污染的风险,宁夏共有盐碱地1 850 km2,对土壤改良剂和肥料有一定需求,但采用这些技术方向需承担一定的环境风险;粉煤灰用于矿井和坝堤回填、煤矸石回填煤矿采空区、锅炉渣和脱硫石膏回填采矿区技术的短板也是环境效益差,这些技术方向虽然可以大规模消纳宁夏的工业固废,但可能对地下水造成重金属污染的风险;粉煤灰、煤矸石、锅炉渣用于物质提取的短板是减量能力差和环境效益差,该技术方向提取了工业固废的高价值组分,但工业固废体积无明显变化,同时提取过程中会产生废水、废酸或废碱,容易造成环境二次污染;锅炉渣生产功能材料和工业原料技术的短板是减量能力差,锅炉渣制备吸附剂、催化剂和橡胶填料等功能材料和工业原料后体积无明显减少;脱硫石膏生产功能材料和工业原料主要是化工原料,该技术的短板是环境效益差,有SO2气体和废酸产生。

因此,宁夏工业固废处置及资源化利用要依靠科技创新,通过技术研发、工艺改进和装备升级突破上述技术的短板,同时需要结合技术发展方向合理规划和布局,不断提高资源化利用率和安全处置效率。

3.2 阶段发展目标及技术路线图

到2025年,工业固废源头减量技术、工业固废改性提质技术及高性能绿色建材生产技术水平显著提升,产业总体规模持续扩大,产业链的价值进一步提升,初步形成资源高效循环的发展模式,工业固废综合利用率将达到80%,工业固废资源化产业发展达到目前国际中高端水平;到2030年,多种工业固废协同填充矿井技术、软土固化技术及沙漠治理技术取得重大突破,工业固废高值化利用水平大幅提升,工业固废资源化产业形成多元化集群发展的态势,工业固废综合利用率将达到90%;到2035年,工业固废源头减量技术达到国际先进水平,工业固废综合利用率将达到100%,全面实现“无废矿山”和“无废社会”的发展目标。宁夏工业固废处置及资源化技术路线如图7所示。

图7 宁夏工业固废处置及资源化技术路线

3.3 重点任务及优先发展的重大工程

3.3.1 重点任务建议

(1)构建以企业为主体的科技创新体系,加快传统工业固废资源化产业的转型升级。目前,宁夏大部分工业固废综合利用企业的规模较小,创新驱动力不足,缺乏先进的工程技术和装备,产业链处于中低端发展阶段,应加快构建以科学研究为先导、以标准化为轴心、以信息化为载体的科技创新体系,形成以企业为主体,政府、高校、研究所和社会资本共同参与的产学研用创新模式。强制淘汰落后设备和工艺,研发先进的技术、工艺和设备,推动传统工业固废资源化产业的转型升级,提升整个产业链的价值。

(2)构建工业固废精细分类、分级管理、梯级利用的综合管理体系。围绕“无废矿山”和“无废社会”的发展目标,进一步提升工业固废精细化管理水平,对工业固废种类、品质、技术、工艺、工程装备和资源化产品进行精细化分类,按照专业基地、园区和企业进行分级管理,让各类不同品质的工业固废都得到低、中、高值的梯级综合利用,提升工业固废资源化综合利用效率。

(3)完善财政补贴制度和标准体系建设,建立一套成熟、完整的运作体系。结合现行利益疏导为主的综合财政补贴方式,开展工业固废综合利用的生态环境效益评价并设立专项补贴资金,建立“利益疏导与生态效益”并重的财政补贴制度。进一步完善大宗工业固废综合利用标准体系,完善技术、工艺和产品的标准化体系,充分发挥标准、导则、指南的技术支撑作用,进一步规范工业固废资源化产业发展。

(4)优化工业固废资源化产业布局,提升产业协同度、拉大产业链。加强顶层设计,根据工业固废排放特点、资源品质、市场需求、国土空间和产业基础,优化产业布局,建立产业协同共生的发展格局,促进工业固废在企业之间小循环、产业之间的中循环和区域之间大循环,不断提升工业固废资源化利用率,促进固废资源化产业集群发展。

3.3.2 重大工程建议

(1)采空区工业固废回填工程。由于常年大规模的煤炭开发利用,宁夏产生了大量的地下采空区,容易造成地面下沉,引发地质灾害。如固原市王洼煤矿采空区导致道路断裂、土地塌陷,塌陷区影响面积7.07 km2,其中耕地2.49 km2,涉及农户380多户,造成了巨大的经济损失。工业固废回填采空区不仅可以将其作为资源暂时封存起来,有效解决工业固废处理难题,而且可以防止采空区塌陷。在采空区周边开展详细地质勘测,科学评估工业固废回填对地下水及地质环境的影响,开展惠农区、采空区工业固废充填示范工程。

(2)高性能绿色建材生产示范基地建设。突破传统思维模式,发展高性能绿色建筑材料,生产符合绿色建材标准的产品。在宁东、石嘴山地区建设“高性能绿色建材生产示范基地”,重点推广粉煤灰生产新型无机保温材料、高性能建筑材料示范工程,“煤矸石发电-粉煤灰或陶粒-建筑材料”循环产业链示范工程,电石渣生产轻质碳酸钙示范工程,锰渣生产矿棉制品示范工程,工业副产石膏生产的高档装饰材料示范工程,逐步实现传统工业固废资源化产业的转型升级。

4 政策建议与保障措施

4.1 政策建议

(1)完善科技政策,健全创新机制,加强体系建设。充分调动市场主体的积极性,发展一批企业主导、产学研用紧密结合的产业技术创新联盟,支持联盟成员建立专利池、制定技术标准等,实现产业信息互通和资源共享;加强平台建设,依托科研院所、大学和大型骨干企业,联合国内相关机构,组建工程技术中心及重点实验室;构建科技服务体系,加强知识产权体系建设。加大企业技术创新的投入力度,鼓励企业建设技术研发中心,支持企业与高校、研究所共建联合实验室和工程技术中心,鼓励企业申报市级、省级和国家级技术中心、重点实验室、工程中心和工程实验室,建立完善以企业为主体的产业技术创新体系。设立工业固废资源化利用的重大科技专项或重点项目,加快突破关键技术,打通产业关键环节,降低产业链的综合成本。

(2)因地制宜地制定地方法律法规,营造有利于产业发展的政策环境。结合国家固体废物分类资源化法律法规体系,研究制定具有宁夏特色的地方法律法规,营造有利于固废资源化产业发展的政策环境。要加大财税优惠力度,扩大资源化产品的税收优惠、绿色采购、政府补贴等优惠政策覆盖范围,建立灵活的资源化利用和无害化处置价格调节机制,建立“谁利用、谁受益”“谁回收、谁受益”的政策环境;建立政府各部门联合监管惩戒机制,根据资源化利用产业市场发展基本规律,以解决“部门墙”制约为重点,合理配置不同部门的管理责权,形成分工明确、相互衔接、充分协作的联合监管工作机制,加强对工业固体非法抛弃、转移、利用、处置等行为的打击力度,提高企业守法自觉性。

(3)出台促进工业固废资源化产业多元发展、融合发展和集群发展的产业政策。结合区域资源环境承载力和产业基础,统筹规划布局工业固废资源化产业,并出台相应的产业政策,创造多元化的投融资渠道,充分发挥政策的引导和激励作用,形成“政府主导、市场运作、全社会参与”的产业发展氛围,构建工业固废多元化资源利用的工业生态网络,不断拓展产业链条,提升产业链价值,形成集约化、特色化、差异化的产业发展格局。

4.2 保障措施

(1)加强顶层设计,统筹矿山开发与工业固废综合利用战略。贯彻落实国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念,结合国家宏观战略,将工业固废分类资源化战略与产业结构调整、清洁生产、战略性新兴产业发展目标相统筹。衔接生态红线、国土空间规划,统筹矿山开发和工业固废综合利用战略,从空间布局角度出发,科学管控矿山资源开发和工业固废处置活动,引导小型矿山兼并重组,关闭技术落后、破坏环境的矿山,提高矿产资源开采率、选矿回收率和源头减量率;统筹考虑工业固废处置及资源化利用水平,实行“以废定产”,综合平衡工业固废的排放量和消纳能力。

(2)加大科技投入,推动工业固废综合利用产业高端发展。加大科技投入,重点支持工业固废分类资源化利用关键共性技术和重点装备研发;支持前瞻性关键技术联合攻关,有序安排先进装备集成及其产业化示范,促进产业高端发展。加强信息技术与工业固废分类资源化利用的深度融合,依托云计算、“互联网+”、物联网等现代化信息技术手段,构建工业固废综合管理体系,加强工业固废产生、回收、资源化利用的信息采集、数据分析和流向监测,提升工业固废分类资源化过程环境风险防控水平,提高申报登记、行政审批等管理工作信息化水平,提高工作效率,加速推动工业固废综合利用项目的落地。

(3)充分发挥经济杠杆的调节作用,激发工业固废资源化企业的内生动力及市场外生动力。充分发挥财政专项资金、政府性投资对市场的带动作用,加大财政预算在工业固废分类资源化利用领域的投入,引导社会资本进入产业市场。推进税制改革,将工业固废分类资源化利用的综合成本纳入资源开发、利用、消费的全过程,强化资源税、环境税对工业固废源头减量和填埋处置的限制作用,促进精细分类、充分资源化。要建立污染者付费制度,从全生命周期的角度综合权衡产业成本和财政补贴的力度,激发工业固废资源化企业的内生动力及市场外生动力。

5 结语

以煤炭为基础的能源化工固废主要为粉煤灰、煤矸石、锅炉渣和脱硫石膏4大类,由于宁夏工业固废排放量巨大且排放集中、固废资源品质不高及资源化利用技术单一等多重因素的影响,造成宁夏工业固废处置困难,给生态环境带来了巨大压力。必须依靠科技创新实现宁夏工业固废的规模化处置与资源化利用,应从三大战略层面重点布局宁夏工业固废的解决方案:一是工业固废源头减量;二是结合宁夏的地理条件和地形地貌积极探索工业固废大规模就近消纳方案,如工业固废深层矿井充填和工业固废治沙等;三是应充分结合工业固废的物理化学特性、宁夏经济社会发展和产业布局发展多元化的综合利用技术,实现工业固废的梯级管理和分级资源化利用。宁夏工业固废处置与资源化利用的战略研究,对我国其他煤炭基地的大宗工业固废处置与资源化利用具有一定的参考价值和借鉴意义。

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Strategic study on industrial solid waste disposal and resource utilization in Ningxia

TANG Zhihua1, HUHE Taoli 2, GUO Huafang1, XIONG Zuhong1, LU Min1, CHEN Yong1,3

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, Guangdong 510640, China;2.Changzhou University, Changzhou, Jiangsu 213164, China;3.Chinese Academy of Sciences Guangzhou Branch, Guangzhou, Guangzhou 510070, China)

Abstract Coal based energy and chemical industry is the pillar industry in Ningxia.In recent years, with a number of large projects construction, such as the thermal power base construction of power transmission from west to east, national bases construction of large-scale coal production and coal chemical industry, etc., the environmental problems in Ningxia have become increasingly serious due to the continuous and rapid growth of industrial solid waste.The utilization rate of industrial solid waste resources has been decreasing year by year in Ningxia and the industrial solid waste disposition has become a key issue influencing the sustainable development of Ningxia.On the basis of analysis of the discharge characteristics, chemical composition, current situation of resource utilization and existing problems of industrial solid waste, the related technologies of industrial solid waste disposal and utilization at home and abroad were systematically combed, and the technology development direction, stage goals, technical roadmap, major tasks and policy advice were put forward, which provided strategic support for the disposal and resource utilization of industrial solid waste in Ninxia.

Key words industrial solid waste; resource utilization; technical roadmap; development strategy; Ningxia

中图分类号 X752

文献标志码 A

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引用格式:唐志华,呼和涛力,郭华芳,等.宁夏工业固废处置与资源化利用战略研究[J].中国煤炭,2021,47(6):40-52.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.06.007

TANG Zhihua, HUHE Taoli, GUO Huafang,et al.Strategic study on industrial solid waste disposal and resource utilization in Ningxia[J].China Coal, 2021,47(6):40-52.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.06.007

基金项目:中国工程院院地合作重大项目“宁夏能源化工固废处置与资源化利用战略研究”(2019NXZD4)

作者简介:唐志华(1982-),男,湖南慈利县人,博士,副研究员,主要研究方向为能源与环境可持续发展。E-mail:tangzh@ms.giec.ac.cn

通讯作者:陈勇(1957-),男,江苏南京人,博士,中国工程院院士,主要研究方向为能源与环境可持续发展。E-mail:chenyong@ms.giec.ac.cn

(责任编辑 王雅琴)