大宗工业固废处置及利用的三个重要且关键要素

前言

论述大宗工业固废处置及综合利用的文章很多，但很大都是从宏观角度或是处置技术方面进行探讨，没有抓住处置大宗工业固废的核心要素，本文作者认为，要想从根本上解决大宗工业固废问题，需要抓住三个重要且关键的要素：即规模化处置、低成本处置、高附加值利用，三个要素缺一不可，否则很难真正解决大宗工业固废处置及综合利用的难题。

1.什么是大宗工业固废

大宗工业固体废弃物（简称“大宗工业固废”）是指我国各工业领域在生产活动中年产生量在1亿吨以上、对环境和安全影响较大的固体废物。

典型大宗工业固体废物包括煤矸石、粉煤灰、尾矿、工业副产石膏、冶炼渣、建筑垃圾和农作物秸秆等七个品类。大宗工业固废数量庞大、成分复杂，但通过合理处理和利用，可转化为资源，实现环境与经济的协同发展。

2.大宗工业固废有什么危害

大宗工业固体废弃物的危害主要体现在以下几个方面：

（1）占用土地资源：大量工业固废长期堆存会占用大量土地，加剧土地资源紧张，尤其在耕地、建设用地稀缺的地区，可能导致可耕地面积减少，影响农业生产和城市发展。

（2）污染水体:工业固废中的有害物质（如重金属、酸碱物质等）在雨水淋溶或自然分解过程中，会渗入土壤并进入地下水或地表水，污染河流、湖泊、水库等水体，影响水资源质量和生态平衡，威胁水生生物生存。

(3)污染大气：粉状工业固废（如粉煤灰、炉渣等）在堆放或运输过程中易随风飞扬，产生扬尘污染。部分固废在焚烧或自然分解时还会释放有害气体（如二氧化硫、氮氧化物、二噁英等），影响空气质量，危害人体呼吸健康。

（4）污染土壤：工业固废中的重金属、有机污染物等会改变土壤的物理、化学性质，导致土壤酸化、碱化或板结，降低土壤肥力，影响农作物生长，甚至通过食物链传递危害人体健康。

（5）危害人体健康:直接接触或吸入工业固废中的有害物质（如重金属、有毒气体等）可能对人体皮肤、呼吸道、神经系统等造成损害，长期暴露还可能增加患癌症、慢性疾病等风险。此外，受污染的土壤和水体也可能通过食物链进入人体，引发健康问题。

（6）生态破坏:工业固废的不合理堆放可能破坏周边生态环境，影响植被生长，导致生物多样性减少。部分固废还可能堵塞河道、湖泊，影响水文生态平衡，对生态系统造成长期损害。

综上，大宗工业固体废弃物若不妥善处理，将对环境和人类健康构成多方面的威胁，因此加强工业固废的综合利用和无害化处理是实现可持续发展的重要任务。

3.大宗工业固废处置和利用的三个核心要素

3.1我国大宗工业固废的特点

我国大宗工业固废的显著特点是：种类多、年产生量多、历史堆存量多、年处置及综合利用率低等。根据《2024年中国生态环境状况公报》发布的权威数据，初步核算，2024年，全国一般工业固体废弃物产生量为44.4亿吨，综合利用量为26.5亿吨，处置量为7.8亿吨。

2024年，我国原煤产量达47.6亿吨，同比增长1.3%，创历史新高。与此同时，煤矸石产生量达8.25亿吨，同比增长2.1%；煤矸石综合利用量为6.07亿吨、综合利用率约为73.6%。

我国煤电行业年产生粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等固废超 6 亿吨，其中粉煤灰年排放量曾突破6亿吨，2023年我国粉煤灰产量达到8.99亿吨左右，且随煤质灰分提升呈年 5% 的增长趋势。

从我国当前炉渣资源化利用的实际情况分析，2022年国内炉渣产生总量达到了约3.06亿吨的新水平，同比增长微幅上升至0.13%，而同期内，炉渣实现综合利用的数量为1.88亿吨，相较于上一年度则呈现了5.23%的小幅下降。

据《2022～2023年大宗工业固体废物综合利用产业发展报告》统计数据显示，2023年我国工业副产石膏排放量2.56亿吨，累计堆存量超过12亿吨（相当于几万座大型体育馆的量），综合利用率仅51.24%。

据有关数据显示，2023年我国尾矿排放量为14.24亿吨，尾矿综合利用量为4.29亿吨，综合利用率约为30.13%。截至2024年底，全国尾矿累积堆存量超160亿吨。

2020年我国冶金渣总产生量约6.89亿t，主要以钢铁冶金渣为主，钢铁冶金渣共计6.04亿t（高炉渣3.11亿t、钢渣1.28亿t、铁合金渣6839.2万t、含铁尘泥9761.46万t）

综上所述，我国大宗工业固废年产生量及历史堆存量均非常大，而有效综合利用率偏低。

3.2 规模化处置及利用

 由大宗工业固废的特点可知，我国典型的大宗工业固废煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、工业副产石膏（脱硫石膏、磷石膏）、尾矿、冶炼渣等年产生量极大，历史堆存量均以数亿吨计。因此，在处置和综合利用大宗工业固废方面，无论是工艺技术还是装备，必须具备规模化处置、利用的功能，否则都没有实质性的意义和作用。

 然而，目前存在的问题是，能规模化处置利用大宗工业固废的途径主要集中在建材行业，但是近几年受房地产和大型基础设施建设的影响，整个建材行业市场需要处于低迷状态，影响着对工业固废的规模化消纳；其次是回填处置，尽管目前已有多种回填技术，但部分技术仍存在成本高、效率低、适应性差等问题，限制了回填技术在一些小型矿山或经济欠发达地区的应用。同时，对于一些复杂成分的大宗固废，现有的预处理和固化/稳定化技术还不能完全满足环保要求，需要进一步研发创新；第三是“类土壤化”利用，大宗工业固废“类土壤化”利用的关键技术着眼于大规模、低成本、绿色消纳。该技术的基础是类土壤固废含有大量的氧化铝、二氧化硅、氧化铁等无机矿物，与天然土壤高度相似。然而，生成固废的原矿石结构和元素组成特征、生产工艺中酸／碱、高温等因素的影响，造成固废中存在高酸／碱、痕量重金属等障碍因子，有机质缺乏，生源元素缺乏或释放难，固废矿物结构风化难等瓶颈问题，亟需在基础理论和技术层面实现有效突破；第四就是生态修复治理，尽管政策支持，但实际落地项目数量有限。企业因担心环境风险、实施流程不明确、回填场地审批难等问题持观望态度；监管部门审批谨慎，部分项目存在批复后又叫停的情况，导致固废非法倾倒现象仍时有发生。

上述“建材化利用、回填、类土壤化利用及生态修复及治理”等是目前规模化处置、综合利用大宗工业固废的主要途径，但是实际操作过程中依然存在再生资源产品市场需求低迷、处理成本高、效率低、适应性差、存在环境风险等问题。所以，要想从根本上解决大宗工业固体废弃物处置和利用问题，首先要解决如何有效规模化处置、利用的难题。

3.3 低成本处置

大宗工业固废高附加值利用是未来主要发展方向，例如，针对高硅粉煤灰，通过化学提取非晶态二氧化硅制备造纸材料，同时利用脱硅粉煤灰改性造粒制备吸附材料，用于造纸废水处理；研发煤矸石中碳高效燃烧和硅铝活化技术，提取氧化铝、二氧化硅等有价元素，制备白炭黑、聚合氯化铝等产品；利用钢渣制备陶瓷、泡沫混凝土、碳酸钙和吸音材料等高附加值产品，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；开发脱硫石膏制备超高强α石膏、石膏晶须、GRG（玻璃纤维增强石膏板）制品、高档模具石膏粉等产品，超高强α石膏性能可达普通石膏粉的3倍以上，应用于精密铸造、高端建材等领域；利用磷石膏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、新型水处理剂等。但是，就目前来讲，由于部分高附加值利用关键技术尚未突破，另外，高附加值利用项目投资大、回收期长，中小企业融资困难，银行贷款支持不足。部分技术预处理成本高，如粉煤灰提取稀有金属预处理成本占总成本40%以上，增加企业负担。其次，部分工业固废综合利用生产工艺和产品缺少技术标准、评价标准、应用规程等，导致产品质量参差不齐，影响市场推广。

高附加值利用与高投资处置成本之间的矛盾，使得大宗工业固废在高附加值利用途径方面很难得到实际应用和推广。需要进一步研发、完善低成本处置大宗工业固废高附加值利用技术，使得处置成本降低至企业可接受，并能有很好经济效益的层面，才能让高附加值处理、利用大宗工业固废技术得到推广。

3.4 高附加值利用

 大宗工业固废其实是一种资源，具有很多方面的重要价值，有着很好的环境效益、经济效益、社会效益和战略意义。规模化的处置和利用大宗工业固废，可以减少对土地资源的占用与污染，保护生态环境；通过资源循环利用，减少对天然资源的开采和能源消耗，推动绿色低碳发展；替代天然资源，降低企业生产成本，增强产业竞争力，有着很好的经济效益；大宗工业固废的开发利用，能带动相关产业发展，提供大量的就业岗位，增加居民收入，同时，增强社会对资源循环利用的认知和参与度，促进生态文明建设，有着良好的社会效益；另外，大宗工业固废的资源化利用，可以减少进口资源的依赖，提高国家资源安全保障能力，有着非常重要的战略意义。

3.4.1煤矸石高附加值处置利用技术及途径

煤矸石高附加值处置和利用技术及途径主要包括以下几个方面：

（1）材料改性

利用煤矸石中的黏土矿物和微纳米矿物，通过研磨、活化等处理，可将其作为水泥辅助凝胶、沥青路基材料改性剂或环境修复材料。例如，煤矸石改性后的生物炭可通过配体交换机制吸附磷酸根，或通过静电吸引增强对污染物的吸附能力。

（2）合成地质聚合物

煤矸石富含硅铝元素，与激发剂在低温低压下反应可合成地质聚合物。该材料具有三维网状结构，可用于建筑、环保等领域。制备过程中需注意回收释放的重金属元素，避免污染。

（3）合成沸石和其他多孔硅酸盐材料

以煤矸石为原料，通过水热法、碱熔法等工艺可合成沸石、硅碳核壳多孔结构复合材料等。这些材料具有吸附、离子交换等功能，可用于污水处理、工业催化等领域。

（4）制备陶瓷材料

煤矸石经粉碎、混合、烧结等工艺可制成陶瓷材料。高温烧结过程中，煤矸石中的碳分解挥发，硅铝元素重结晶形成稳定的铝硅酸盐。部分重金属元素可能挥发或固化在材料中，需采取措施回收。

（5）提取化工产品和矿物

①提取氧化铝：高铝煤矸石可通过酸法、碱法等工艺提取氧化铝，用于生产硫酸铝、氢氧化铝等产品。

②生产白炭黑：煤矸石提取氧化铝后的废渣含大量硅元素，可通过碱溶、酸溶等方法生产白炭黑。

③提取战略金属：煤矸石中含微量的钛、镓、钒等战略金属，可通过选矿、化学分离等技术回收。

（6）生产农业肥料和土壤改良剂

煤矸石含有有机质和锌、铜、钼等微量元素，可制备成农业肥料和土壤改良剂，改善土壤结构和肥力。

（7）生产气凝胶材料

以煤矸石为硅源制备水玻璃，再进一步制备二氧化硅气凝胶。气凝胶具有低密度、高比表面积等特点，可用于隔热、吸附等领域。

（8）生产陶瓷微珠和纤维材料

煤矸石可制成陶瓷空心微珠，用于工业基础材料；也可通过高温高压溶解、离心等工艺制成超细无机纤维，用于造纸或生产环保保温材料。

以上技术需结合煤矸石的成分和特性进行针对性开发，并注重环保和资源回收，以实现高附加值利用和可持续发展。

3.4.2粉煤灰高附加值处置利用技术及途径

粉煤灰高附加值处置利用技术及途径主要包括以下几个方面：

（1）提取有价元素

①提取氧化铝：采用碱石灰烧结法、酸浸法、酸碱联合法等工艺，从粉煤灰中提取氧化铝。例如，石灰石烧结法通过煅烧粉煤灰与石灰石，生成铝酸钙，再溶出得到氧化铝。

②提取氧化硅：将粉煤灰中的硅以硅胶形式提取，进一步制备白炭黑（Sio₂·nH₂O）。通过预处理和溶胶-凝胶化工艺，可实现硅的分离和纯化。

③提取稀有金属：粉煤灰中含有的镓（Ga）、锗（Ge）等稀有金属元素，可通过特定的化学分离技术提取，用于电子、半导体等领域。

（2） 合成功能材料

①合成沸石：利用粉煤灰中的硅铝成分，通过水热合成法、碱熔融-水热法等工艺制备沸石。沸石具有吸附、离子交换等功能，可用于污水处理、气体净化等领域。

②生产莫来石：将粉煤灰与氧化铝混合，在高温下烧结生成莫来石。莫来石具有耐高温、耐腐蚀等性能，可用于陶瓷、耐火材料等领域。

③制备玻璃材料：粉煤灰中的二氧化硅、氧化铝等成分可作为玻璃原料，合成微晶玻璃、泡沫玻璃等。微晶玻璃可用于建筑装饰，泡沫玻璃用于保温隔热。

（3）制备轻质高强材料

①粉煤灰陶粒：以粉煤灰为主要原料，掺加粘结剂等制成陶粒。陶粒可用于配制轻集料混凝土，具有轻质、高强、保温隔热等性能，广泛应用于建筑、园艺等领域。

②轻质保温耐火材料：以粉煤灰为原料，掺入煤矸石、铝灰等，通过高温烧结制备轻质保温耐火砖，用于工业窑炉、建筑保温等领域。

（4）环境治理应用

①污水处理：粉煤灰的多孔结构和化学活性使其可作为吸附剂，用于去除废水中的重金属离子、有机物等污染物。

②废气处理：粉煤灰可作为催化剂载体或吸附剂，用于废气中二氧化硫、氮氧化物等污染物的脱除。

（5）新型智能建筑材料

利用粉煤灰和植物纤维制备可控制建筑温度和湿度的轻质废物基石膏复合材料，兼具轻质高强、防水防潮、耐火耐高温等性能。

粉煤灰高附加值利用技术涵盖了资源提取、材料合成、环境治理等多个领域，通过技术创新和工艺优化，可实现粉煤灰的高效利用，减少环境污染，同时创造经济价值。未来发展方向包括提高提取效率、开发新型功能材料、推动规模化应用等。

3.4.3工业副产石膏高附加值处置利用技术及途径

工业副产石膏高附加值处置利用技术及途径主要包括以下几个方面：

（1）制备高强石膏

◆技术：通过蒸压法、常压盐/酸溶液法、加压水溶液法等工艺，将工业副产石膏转化为α-半水石膏（高强石膏）。高强石膏具有良好的力学性能、热稳定性、生物相容性等，可用于高强度模型、模具铸造、航空航天、医疗等领域。

◆优势：提高工业副产石膏的利用价值，减少堆存压力，同时满足市场对高强石膏的需求。

（2）制备化工产品

◆技术：以脱硫石膏为原料，与碳酸铵反应生产硫酸铵肥料；利用氟石膏制备硫酸钙晶须，用于增强塑料、橡胶等材料；通过磷石膏连续分解制酸及尾渣利用，生产硫酸钾、碳酸钙等化工原料。

◆优势：实现资源的循环利用，提高工业副产石膏的附加值，同时减少对天然资源的依赖。

（3）土壤改良与农业应用

◆技术：磷石膏呈弱酸性，可用于改良盐化、碱化土壤；脱硫石膏中的钙、硫等元素对植物生长有益，可作为土壤改良剂，调节土壤营养。

◆优势：改善土壤结构，提高土壤肥力，促进农作物生长，实现工业副产石膏的农业利用。

（4）协同利用与源头减排

◆技术：将火电厂的石灰石法脱硫工艺改造为活性焦干法脱硫工艺，将副产的硫酸用于磷化工的磷酸生产，从源头减少工业副产石膏的产生量。

◆优势：实现硫资源的循环利用，减少脱硫石膏和磷石膏的堆存压力，降低环境污染风险。

以上技术途径不仅提高了工业副产石膏的利用价值，还实现了资源的循环利用和环境保护的双重目标。不同技术的适用性需根据工业副产石膏的种类、成分及当地市场需求等因素综合考虑。

3.4.4尾矿高附加值处置利用技术及途径

尾矿高附加值处置利用技术及途径主要包括以下几个方面：

（1）有价组分回收

①金属回收：通过浮选、磁选、浸出等工艺，从尾矿中回收铁、铜、铅、锌、金、银、稀土等金属。例如，铁尾矿可通过预富集-磁选-反浮选或磁化焙烧-磁选工艺回收铁精矿；铜尾矿可采用还原焙烧-磨矿-磁选、浮选或浸出工艺回收铜等金属。

②非金属回收：回收长石、重晶石、金红石、云母等非金属矿物，用于陶瓷、玻璃、化工等领域。如钼尾矿可通过反浮选云母-反浮选石英-长石粗精矿磁选除铁，获得长石精矿。

（2）生态修复与土壤改良

①土壤改良剂：尾矿中的粉砂质组分和黏土组分可改善土壤透气性、保水性等理化性质，部分尾矿还可用于修复盐碱地、重金属污染土壤等。如钼尾矿、磁铁矿尾矿等可制成土壤修复剂或改良剂。

②复垦与植被恢复：采用生物法或微生物法对尾矿库进行复垦，降低土壤中重金属含量，促进植被生长。如国外常使用生物法或微生物法对尾矿进行复垦，复垦率可达80%。

（3） 水处理与环保材料

①吸附剂：部分尾矿（如钼尾矿、铜尾矿等）经改性后可作为吸附剂用于处理含重金属离子、磷、有机污染物等的废水，实现以废治废。

②中和剂：含有碱性脉石矿物的尾矿（如铝土矿尾矿、铜尾矿等）可作为中和剂用于处理酸性矿山排水或工业废水，降低处理成本。

③絮凝剂原料：铝土矿选矿尾矿等可经焙烧、溶解等工艺制备聚合氯化铝（PAC）等絮凝剂，用于污水处理。

（4）其他高附加值应用

①橡胶填料：钨钼尾矿等经改性后可作为橡胶填料，提高橡胶的力学性能，部分性能可与白炭黑相当。

②PVC填料：铝土矿选矿尾矿超细加工后可作为PVC制品的填料，制备软质PVC板材和化工用PVC-U管材。

③光催化剂：铅锌尾矿等可制备尾矿/TiO₂复合光催化剂，用于去除甲醛等污染物，提高光催化性能。

以上技术途径需根据尾矿的成分、粒度、品位等特性选择合适的工艺，并结合市场需求和经济效益进行综合评估。

4.结束语

在大宗工业固废处置和利用方面，我们取得了很多成绩，同时也还面临着很多有待解决的问题。在国家“建设无废城市”、“促进循环经济发展”，以及“全面推进建设美丽中国”等政策的支持和指引下，按照“减量化、无害化、资源化”的原则，加强对大宗工业固废的处置和资源化利用的技术、装备研发，最终达到规模化、低成本/低投资、高附加值利用，是今后努力的方向。