固废协同互补制备低碳高端绿色建材技术介绍
栏目:新闻动态 发布时间:2020-04-05

固废协同互补制备低碳高端绿色建材技术介绍

山东大学 燃煤污染物减排国家工程实验室

一、技术简介

我国工业及城市固废量大、面广、害多,例如赤泥、灰渣、脱硫石膏、煤矸石、磷石膏、污泥等大宗固废的年排放量都达到几千万吨-数亿吨,固废总排放量接近40亿吨/ 资源化利用率极低并且缺根本性突破,环境社会压力巨大。利用固废制备绿色建材是实现大规模利用的重要途径,符合环保业和绿色建筑业的发展需求,也是生态文明和社会绿色、循环、低碳发展的必然要求。

山东大学能源与动力工程学院王文龙教授,国家重点研发计划首席科学家,入选山大杰青、山东省杰青、教育部新世纪优秀人才、首批中英创新领军人才,具有材料科学与工程(本科)和动力工程及工程热物理(研究生)的跨学科教育背景,并具有英美多个顶尖研究机构的访学经历和国际视野,以燃煤污染物减排国家工程实验室为依托,研究定位于废弃物的能源资源转化利用,带领形成了一支具有能源、环境、材料学科交叉背景的10余名骨干组成的特色创新团队。

该团队首次提出了固废协同互补、两级跃迁制备绿色建材的全新理念,以复杂多变、不稳定的固废跃迁转变为低碳、稳定、高性能的硫铝系高活性材料为技术主线,建立了实现固废成分和价值重构的理论和技术体系,为煤矸石、灰渣、赤泥、钢铁渣、建筑垃圾、污泥等硅铝铁基固废和脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等硫酸钙基固废开辟了一条大规模资源化利用途径。该研究获得了国家重点研发计划项目、山东省自然科学重大基础研究项目国家863计划项目等系列重大重点项目资助,专家鉴定达到“国际领先”水平,并已进入产业化推广阶段。

固废基的硫铝系高活性材料,具有早强、高强、快硬、抗侵蚀等优异特性,而成本远低于类似材料产品,因此具备发展建筑3D打印材料、绿色注浆材料、特性混凝土材料、节能保温材料、高耐久海工材料等一系列高端衍生建材产品的条件优势。

相关研究已形成国家专利30多项,国际PCT专利2项,获得国家技术发明二等奖、山东省高校优秀成果奖等奖励,在国际国内发表论文50多篇,形成了特有的技术理论体系。该技术成果非常适宜在煤矿、氧化铝、燃煤电力、煤化工等大规模排放工业固废的行业实施,原料为固废,成本低,产品性能高,具有广阔的市场前景,推广该技术将为社会创造巨大的经济和社会效益。

该技术以山东大学为研发主体,在国内与浙江大学、天津大学、东南大学、济南大学等系列高校,以及全球500强中国建材集团、大型民企信发集团、魏桥集团等企业进行协作,在国际上与英国帝国理工学院、伦敦大学学院、美国肯塔基大学、爱荷华州立大学等高校开展了合作研究,正广泛聚力致力于该技术的应用推广。

二、技术应用对象

本技术适用于产生和排放大宗工业固体废弃物的行业,各类矿渣、尾矿都有作为该技术的原料实现资源化的可能,重点需要硅铝铁基和硫酸钙基固废的结合使用而实现。

1)硅铝铁基固废:大多数的矿渣、尾矿都含SiO2Al2O3Fe2O3等成分,但含量有差异。硅铝铁基固废可以是赤泥、低等级灰渣、铝灰、煤矸石、粉煤灰、城市污泥、垃圾焚烧灰渣、建筑垃圾、各类冶金尾矿等。

2)硫酸钙基的固废:主要指以CaSO4为主要成分的固废,可以是脱硫灰、脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬酸石膏等。

各类工业固废主要来源包括,氧化铝行业——赤泥、铝灰等,燃煤电力行业——脱硫石膏或脱硫灰,煤化工行业——低等级灰渣,化肥行业——磷石膏,化工行业——电石渣。

例如,赤泥是氧化铝生产行业所排放的大宗工业固废,每生产1吨氧化铝,即可产生0.8-1.5吨赤泥。我国是氧化铝生产大国,2017年产量4000多万吨,约占全球总产量的40%,主要集中在河南、山东、山西、广西等地。如此规模的氧化铝产量造成全国赤泥排放量已超过5000万吨/年,成为堆存相对集中,土地占用、环境影响严重的一类大宗固体废弃物,是国家资源环境领域重点关注的对象。而由于赤泥高碱度、高湿度、高细度等特征,利用极其困难,总利用率不足10%,我国已累计堆积十几亿吨,成为氧化铝行业的心腹大患。因此,各大氧化铝企业均承载着赤泥利用的巨大压力,在该领域积累了足够的动力和决心。制备硫铝系高活性材料技术,能够实现赤泥的大规模资源化利用,因此氧化铝行业是该技术的第一个重要应用领域。

再如,脱硫副产物是燃煤行业产生的大宗工业固废,其中,脱硫石膏是湿法烟气脱硫工艺的副产物,脱硫灰是半干法脱硫工艺的副产物。2013年我国的煤炭总用量已超过40亿吨,即使按照平均硫分为1%,而50%的燃煤能够被有效脱硫估算,脱硫副产物CaSO4的产生量约为40×50%×1%×136÷32=0.85亿吨=8500万吨,因此我国脱硫固废的年排放量在5000-1亿吨之间非常正常。燃煤电力行业约消耗了我国煤炭总量的50%,脱硫设施基本普及,因此是脱硫固废的主要排放源。针对脱硫石膏,虽然国内外众多人士开展了大量工作,在用作建材、土壤改良、工业原料等诸多方面进行了许多应用或尝试,甚至这些利用方式各具特色并在一定程度上实现了固废消化,但因为地域限制,或者因为质量限制,或者因为排放源过于集中,脱硫石膏在局部区域仍有很大一部分被贮存而未能有效利用,随着脱硫规模的扩大和石膏应用市场的日渐饱和,脱硫石膏的处置问题正越来越突出,在排放集中又利用困难的地区,如内蒙古,山西,新疆等地,尤为凸显。因此,燃煤电力行业是结合利用大宗工业固废制备硫铝系高活性材料技术的第二个重要应用领域。

又如,高含碳的低等级灰渣是煤化工等行业排放的又一大宗工业固废。煤气化、液化、焦化等煤化工过程也排放数量庞大的灰渣,这些灰渣含碳量高,利用限制多,属于难以利用的低等级灰渣。我国煤化工行业正处于快速发展阶段,该行业排放的高碳灰渣约占灰渣排放总量的1/5-1/4,数量约8000-1亿吨,国家发展清洁燃气战略的实施必然会进一步增加这一比例。高碳灰渣直接用于水泥混合材、混凝土掺合料等时,会因含碳量高而影响浆体的凝结硬化和机械强度等性能,在实际应用中有诸多障碍,因此利用率很低。以高碳灰渣和脱硫石膏结合作生料原料使用以制备硫铝系高活性材料,则完全不受含碳量高低的限制,还能将该部分碳充分燃烧,利用其热能,达到物尽其用。我国在内蒙古等地投运的煤化工项目,所用煤往往还含有较高的Al2O3,用于制备硫铝酸盐水泥极其适宜。因此,煤化工行业将是结合利用大宗工业固废制备硫铝系高活性材料技术的又一个重要应用领域。

因此,利用工业固废制备硫铝系高活性材料技术,固废原料来源具有广泛的行业基础,氧化铝生产、燃煤电力和煤化工三大行业可为该技术的应用提供支撑,而该技术也可以为这三大行业长期困扰的固废处置问题提供一条有效解决途径。并且,氧化铝行业、煤化工行业和燃煤电力行业事实上往往交织在一起,赤泥、低等级灰渣和脱硫副产物通常在产出于同一个工业园区,都具有资源化利用的巨大压力,因此该技术的应用往往有天然的地利优势,非常适合在特定产业园区发展循环经济,是延伸其产业链的有效方式。

三、技术特色与优势

1)实现了完全以工业固废为原料进行硫铝系高活性材料的制备,生产成本低,熟料成本比普通硅酸盐水泥熟料可降低10-25%,但产品性能大大超越。

2)建立了基于FactSage热力学计算优化的硫铝系高活性材料的矿物组成动态匹配方法,实现了利用任意固废原料进行高效、快速配料,该工作国际领先。

3)特色的固废基生料制备工艺,极大扩展了对固废原料的适用性,确保了生料质量,是技术成功示范应用的有力保证。

固废协同互补制备低碳高端绿色建材技术介绍(图1) 固废协同互补制备低碳高端绿色建材技术介绍(图2)

1  FactSage界面与典型优化计算结果

四、产品与应用形式

利用固废制备的硫铝系高活性材料,3天强度即可以达到最高等级52.5硅酸盐胶凝材料28天的强度性能,早强、高强、快硬且后期强度持续增长,而因完全使用固废原料和相对低200℃的煅烧温度,生产成本比52.5硅酸盐胶凝材料可低1/3,从性能和成本上都特别适宜发展高端衍生建材。团队在兴隆山校区建成了一条5t/d中试线,在国际高校中独一无二,批量的高活性材料中试制备能力,使我们具备了充分的条件进行衍生建材产品的系统开发,于是进行了免蒸压泡沫保温材料、注浆材料、建筑3D打印材料、透水混凝土、海工混凝土、早强剂等多类应用延伸,

五、投资与收益

1. 概略投资情况

如果新建一条回转窑生产线,目前3000/天规模的水泥生产线正常投资约7亿元左右。

如果是已有回转窑生产线转型生产,根据原料特性分两种情况:

当固废原料适宜干法生产时,无须对原有设备进行任何改动,即可降低煅烧温度直接进行硫铝系高活性材料生产;

当固废原料水分大、波动大、种类不固定时,生料制备工艺须进行改造,改为湿法工艺,新上湿法磨、均化池、压滤机等设备,3000/天的生产规模,投资在1000-2500万元。

2.经济效益

与普通硅酸盐水泥熟料生产相比,本技术不但原料成本低,而且煅烧温度要低约150-200,每吨熟料的煅烧煤耗可降低5-10kg标煤。保守估算,本技术硫铝系高活性材料熟料的生产成本要比普通硅酸盐水泥熟料低30-50/吨左右,而性能远优于后者。目前硫铝酸盐水泥的市场价格在800-1500/吨,普通硅酸盐水泥的市场价格在350-450/。即使以每吨熟料产品的利润仅为50元计,3000/天的生产线,年产量在100万吨左右,总的年利润额也将在5000万元左右;按照不同的市场路线,实际年利润可达3-5亿元。

如果发展高端建材产业链,利润情况将更为可观。例如,当100万吨熟料全部用于制备高强水泥砖时,可拉动利用尾矿、灰渣等固废900万吨左右,可生产300-400亿块水泥砖,水泥砖成本只有约0.1/块,即使按每块砖利润为5分钱计算,年利润额也可以达到15-20亿元。

3.社会效益

结合利用大宗工业固废制备硫铝系高活性材料技术,所涉及的工业固废原料来源广泛、数量庞大、相对集中,所确立的生产工艺与原料特性相适应,所制备的胶凝材料产品有明确、开阔、可行的市场定位,因此技术应用前景广阔,该技术的应用必将带来显著的社会效益:

1)大量工业固废的资源化利用,将大大缓解排放行业的环境压力。氧化铝、燃煤电力、煤化工等大型行业在赤泥、脱硫副产物、低等级粉煤灰等固废排放过程中,不仅要应对土地占用的压力,还要承受固废排放后的污染、维护等压力。本技术能够为这些行业排放的固废提供有效的大规模综合利用途径,不仅可解决其生产过程中的环境难题,还有可能解决其长期积累的老难旧账。

2)鉴于胶凝材料巨大的生产和需求量,充分利用了固废资源,必然就节约了优质资源消耗。硫铝系高活性材料中熟料矿物以硫铝酸钙和硅酸二钙为主,CaO在熟料中的比例只有40-50%,不似硅酸盐水泥以硅酸三钙为主,CaO在熟料中的比例高达64-67%,于是可以实现石灰石资源的节约,有利于节约矿山资源。资源的节约有利于循环经济的发展和资源节约型社会的建设。

3)技术特性决定其CO2排放低。由于本技术粉磨电耗低、煅烧温度低,其能耗显著低于普通硅酸盐水泥生产,能耗低则CO2排放少;同时,由于石灰石资源的大量节约,石灰石分解造成的CO2排放也得以减少,这必然有利于减轻水泥胶凝材料行业这一CO2排放大户的压力。与普通水泥生产相比,本技术可实现20-50%CO2减排。

4)可促进绿色胶凝材料制备技术与产品的发展。无论从原料角度还是从能耗角度,本技术都可称为绿色胶凝材料制备技术,该技术的推广与产品的拓展将进一步促进市场与社会对固废资源化、社会循环发展、绿色建材等理念的认同和推动,将进一步加深大宗固废排放行业发展循环经济的意识与信心。

结合利用大宗工业固废制备硫铝系高活性材料技术成果的推广实施,将大大缓解固废排放行业的环境压力,有利于资源节约,有利于节能减排,可显著延伸氧化铝、燃煤电力、煤化工等行业的产业链,有力促进循环经济发展和生态文明建设。

 

六、项目负责人介绍

王文龙,山东大学教授、博导。山东省自然科学杰出青年基金获得者;入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”;入选首批中英创新领军人才(全国遴选15人);入选济南市“泉城特聘专家”。作为国家公派访问学者,2008年访学美国加州大学圣地亚哥分校,2014-2015年访学英国帝国理工学院,2016.2-3访学英国皇家工程院。获国家技术发明奖1项,山东省高校优秀科研成果奖1项。取得“国际领先”和“国际先进”鉴定成果各1项。申请/授权国家专利40多项。主持完成国家863计划、国家自然科学基金等各类项目20多项。4次获得山东省、山东大学优秀硕士学位论文指导奖,获选山东大学优秀研究生指导教师。发表SCI、EI等高水平论文90多篇。

王文龙教授具备无机材料和工程热物理的跨学科教育背景,创新提出了协同利用固废制备低成本硫铝系高活性材料及高端衍生产品的理念,并在进行核心技术研发,同信发、汇泰、中岩、卓联、金新等一批企业建立了密切技术合作,也获得了天津水泥院、东南大学、华中科、济大、河南理工等国内科研机构的鼎力支持,并与英国帝国理工学院、伦敦大学学院、美国肯塔基大学协作,正以全链条设计和工程应用模式推进固废协同互补利用制备绿色建材的产业化。

王文龙教授及团队以山东大学燃煤污染物减排国家工程实验室、环境热工过程教育部工程研究中心、山东省能源碳减排技术与资源化利用重点实验室等科研平台为依托,王文龙任常务副主任和学术带头人。该实验室是山东大学工科唯一“国家-教育部-山东省”三位一体的科研平台,拥有固定/流动研究人员40多人,总人员规模近200人,专职人员全部具有博士学位,具有能源、环境、材料、化工等多学科背景,先后完成了国家863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、省级重大研究计划等各类政府项目200多项,企业委托项目400多项,拥有专利100多项,拥有国家技术发明二等奖等多项标志性成果。