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科技赋能降碳减排

2021-11-08 10:36:16    来源: 中国自然资源报    作者:

10月26日,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》,聚焦2030年前碳达峰目标对推进碳达峰工作作出总体部署。《方案》中第六条“循环经济助力降碳行动”,明确要“抓住资源利用这个源头,大力发展循环经济,全面提高资源利用效率,充分发挥减少资源消耗和降碳的协同作用。”

《方案》中提及的煤矸石、粉煤灰、尾矿、共伴生矿、冶炼渣、工业副产石膏等重点大宗固废,中国地质调查局系统近年来研发的多种固废综合利用新技术、新工艺均有涉及,且在工业应用中成效显著。相信这些新技术也将在全面推动降碳行动中发挥重要作用。

复合材料制备提升磷石膏使用性能

张利珍

磷石膏作为湿法磷酸生产工艺的副产物,是磷复肥生产企业产生的主要固体废物,每生产1吨磷酸通常副产4~5吨磷石膏。

目前,我国磷石膏堆存量已超过5亿吨,主要集中分布在湖北、云南和贵州3省,分别占全国总产量的28%、23%和17%。近几年,我国磷石膏年产生量大约7500万吨,主要用于生产水泥缓凝剂、石膏板、建筑石膏粉等建材产品,以及筑路或填充,但年综合利用率仅40%,堆存量逐年递增。磷石膏的大量堆存,不仅侵占土地资源,而且经风吹雨蚀,易造成空气污染;其中可溶性有害物质溶于水,则造成水体酸性增强和富营养化。

磷石膏综合利用是世界性难题。近年来,中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所依托“云南安宁矿山集中区综合地质调查”项目,开展了磷石膏资源化综合利用研究,形成多项技术创新成果。一是研发了石膏调浆—石灰—母液循环预处理技术。与现有技术相比,该技术具有除酸除杂效率高、场地占用小、母液可循环的特点。二是研发了磷石膏复合钢渣改性—直接造球成型制备水泥缓凝剂技术。该技术具有成型快、缓凝能力显著提升、复合利用当地钢渣的特点。三是制备出储放热能力良好的磷石膏基相变储能复合材料。该材料可应用于保温板材、公路路基等,提升磷石膏的使用性能和价值,为磷石膏的综合利用提供了技术支撑。这些新技术的推广应用,将极大减少磷石膏固废堆存,提高矿产资源综合利用水平,助推磷化工产业实现绿色转型发展。

目前,我国虽然在磷石膏杂质预处理技术、绿色建材生产工艺和装备、新型建材施工方案等方面取得了一定成效,但仍需继续发力。一是建议加强磷石膏基建材耐久性、可靠性、功能性研究,以及磷石膏及其复配材料路基的作用机理、施工工艺等研究和示范,促进磷石膏在道路工程上的应用。二是建议开展国内磷矿开采—选矿—化工—磷肥产品等磷矿开发全生命周期调查工作,探索从源头解决磷石膏处置难题,以加快推动我国磷石膏的消纳,推动磷化工行业可持续发展。

(作者系中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所正高级工程师)

固废利用,降碳减排的又一个突破口

高慧丽

大宗固体废弃物,顾名思义就是产量大。目前,我国大宗固废累计堆存量约600亿吨,年新增堆存量近30亿吨。固废的堆积,不仅占用了宝贵的土地资源,而且造成水、土壤和大气污染,成为诱发环境和安全问题的主要因素之一。

在我国,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类大宗固废的年产生量均在1亿吨以上。尽管被称之为“废弃物”,但这些大宗固废具有广阔的开发利用前景和显著的综合减排效益。以用粉煤灰、煤矸石等为原料生产新型墙材为例,安徽省通过发展新型墙体材料,近十年综合利用固体废弃物超1亿吨,实现节约标煤1500多万吨、减少二氧化硫排放21万吨、减少二氧化碳排放近3800万吨。

正是由于兼具环境保护、循环经济和节能降碳等多重效益,大宗固废综合利用在推进实现碳达峰、碳中和目标的进程中愈加受到重视。近年来,国家先后出台了一系列固废资源化政策。近期国务院出台的《2030年前碳达峰行动方案》中更明确提出加强大宗固废综合利用,以煤矸石、粉煤灰、尾矿、共伴生矿、冶炼渣、工业副产石膏等大宗固废为重点,提高矿产资源综合开发利用水平和综合利用率。

显然,“双碳”背景下,新的发展形势对大宗固废的综合利用提出了新的要求。但受资源禀赋、能源结构、发展阶段等因素影响,我国大宗固废综合利用仍面临固废产生强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低等难题。如何进一步强化大宗固废的合理和高效利用,有效降低单位国民生产总值资源消耗强度和二氧化碳排放强度,还需多部门、多行业的共同努力。其中,科技创新是关键一环。唯有瞄准国家需求加大科技创新,精准发力,突破关键技术瓶颈,研发出实现固体废物资源化的关键技术与装备,建立起固废源头减量减害与高质循环利用的技术体系,方能找到助力降碳减排的又一个突破口。

煤气化渣循环利用技术绿色高效

彭团儿

煤气化技术是煤在高温下气化制得合成气的过程,是煤化工的基础,但同时会产生大量的固体废弃物——煤气化渣。煤气化渣包含粗渣和细渣两部分,主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙和残碳。我国煤气化渣固废主要分布在宁夏、陕西、内蒙古等黄河中下游省区,累计堆存量约2亿吨,年增量约2500万~3000万吨。由于气化渣残碳高、含水高、粒度细,难以利用,目前主要采用集中清运、渣场堆存方式处置,资源浪费、土地占压、环境污染等问题突出。

中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所依托国家非金属矿工程技术研究中心,开展了气化渣资源化综合利用研究,形成“气化渣固废—碳渣分离—玻璃微珠回收—功能性材料制备—粗渣砂源替代—铝硅基无机胶凝充填材料”循环利用成套技术,并完成1.5万吨/年半工业试验。该技术主要特点包括:一是碳渣分离—分级利用,实现固废规模化消纳,减量达50%~70%,可延长企业渣场服务年限,为企业解燃眉之急。二是制备功能性材料,实现固废资源化、高值化利用。其中,回收的碳粉产品热值高、孔隙结构丰富、表面积大,可用于掺烧或制备吸附功能材料;回收的玻璃微珠球形度好、阻燃性好,粒度均匀,可用于替代部分橡胶塑料填料产品,降低成本。该综合利用技术绿色环保、经济高效,能复制、可推广,能有效助力现代煤化工行业转型升级,实现绿色低碳发展。

现代煤化工是保障国家能源安全、促进我国“富煤、贫油、少气”能源结构向“减煤、稳油、增气”方向调整的战略产业,也是碳中和背景下煤炭产业结构由燃料型向原料型转型升级的重要途径。随着我国煤化工产业的快速发展,煤气化渣的排放量将急剧增加,因此必须加强气化渣资源化综合利用调查评价。一是建议开展黄河流域煤化工固废调查工作,查清气化渣产排特征、资源属性及环境属性,建设气化渣综合利用示范工程。二是建议开展气化渣功能性材料评价及标准制定工作,研发基于高温高压气化条件的特殊形貌及结构特征功能材料产品,规范综合利用关键技术及产品示范推广,促进跨行业、多途径、高附加值的综合利用产业集聚发展。

(作者系中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所副研究员)

让铜尾矿实现资源化减量化

邓伟

目前,我国铜尾矿年产出量达3亿吨以上,占尾矿年产出总量的25%左右,且铜尾矿的总堆存量超过了50亿吨。铜尾矿化学成分及矿物组成复杂,常富含铜、铅、锌、铁等有价金属,以及金、银等贵金属,同时也伴生有硫、镉、砷等有害元素,导致其高值化综合利用及规模化消纳难度较大。

铜尾矿普遍为浮选利用的产物,其中残存有各种化学药剂。同时,随着铜尾矿中有害组分(尤其是硫)的氧化、水解,导致其酸度不断增加,大量金属离子溶解析出,从而会对水体造成污染。此外,由于粒度细,铜尾矿堆存时不仅会造成粉尘污染,在雨季还易引起塌陷和滑坡。

中国地质调查局成都矿产综合利用研究所科研团队针对四川拉拉火山变质岩型铜尾矿,开发出了“分级分类梯级利用”新技术,不仅回收了其中的铜、钴、铁,还高效利用了非金属资源,实现了该尾矿资源的资源化与减量化。

针对湖北黄石铜尾矿,科研团队开发出了“整体无尾化综合利用”新技术,产出了铜精矿、硫精矿、钨精矿、铁精矿、石榴子石精矿、方解石精矿、石英精矿及矿物硅肥,实现了该尾矿资源的无尾化、高值化,并有力支撑了湖北黄石大宗固废综合利用基地的建设。

针对甘肃白银铜矿山废石,科研团队开发出“浮选—生物堆浸”联合新技术,不仅能获得合格铜精矿,铜生物浸出率可达60.28%,成功实现了废石中低品位铜资源的高效回收,为企业创造了良好的环境效益和经济效益。

随着我国资源行业转型升级和循环经济发展的要求,铜尾矿资源综合利用在基础研究、技术开发和产业化实施等多方面逐步呈现向好态势,并持续加强。下一步,建议建立健全铜尾矿资源利用生命周期评价体系,强化不同地区铜尾矿的资源属性调查评价,大力推进铜尾矿制备高值化建材,如景观地砖、发泡陶瓷墙体保温材料、高性能透水路面材料等,实现铜尾矿的减量化和高值化协同利用。

(作者系中国地质调查局成都矿产综合利用研究所高级工程师)

推进稀土—萤石低碳多元协同开发

熊文良

我国稀土资源中常共(伴)生萤石资源。我国最早生产稀土的包钢白云鄂博稀土矿,是全球最大的稀土矿山。其中伴生的萤石资源的资源量占我国累计查明萤石资源储量的近一半。此外,我国第二大稀土矿——山东微山湖稀土矿和第三大稀土矿——四川冕宁牦牛坪稀土矿也均伴生萤石资源。

在新发展理念和生态文明建设的大背景下,要科学、合理地利用这一资源特点,就要突破稀土资源传统开发方式,着力研发稀土—萤石协同利用新技术,以技术创新推动我国稀土产业的高质量发展。

20世纪60年代,美国芒廷帕斯稀土矿山的脂肪酸加温浮选技术,为最早采用浮选方法回收氟碳铈轻稀土资源的综合利用技术。到20世纪80年代我国白云鄂博稀土矿首次采用萘羟肟酸加温浮选法回收氟碳铈和独居石混合稀土矿。此后,该技术一直作为我国主流的氟碳铈稀土矿回收技术,在各大矿山得到广泛应用。

随着萤石资源的全球战略地位日益提升,萤石的经济价值也一路看涨,作为氟碳铈稀土矿主要伴生资源的萤石亟待实现开发利用。近年来,包钢宝山选厂开展了从实验室到工业试验的萤石回收研究,工业上已经获得了氟化钙含量85%~90%左右的萤石精矿,但流程较长,能耗较高。

新时代要求资源开发利用由粗放式向绿色、低碳、综合和循环开发演变。从技术层面分析,基于我国稀土资源伴生萤石这一特点,稀土资源开发应从回收稀土为主,转变为稀土—萤石兼顾的回收理念。此外,传统的萘羟肟酸加温浮选技术存在加温能耗高、萘羟肟酸在生产和使用过程中对环境不够友好、回收作业流程复杂难以控制等问题。

针对以上技术瓶颈,中国地质调查局稀土资源应用技术创新中心研究团队提出了稀土—萤石协同利用新技术,攻克了稀土—萤石短流程协同回收工艺、萤石与碱土金属精准分离表面活性剂研制等多项关键技术,建立了适应稀土伴生萤石资源特点的高效回收利用技术体系。在实验成功的基础上,目前该技术正在四川攀西地区多个矿山开展工业试验,今后有望推广至白云鄂博稀土矿,带动我国硬岩型稀土矿实现绿色高效开发的整体飞跃。

(作者系中国地质调查局成都矿产综合利用研究所研究员)

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