可用于制备发泡陶瓷的固废综合利用现状及研究进展

彭团儿 王玉文 郭珍旭 刘广学 刘艳华 刘磊

摘 要：工业固废作为发泡陶瓷产业的主要原料来源，是发泡陶瓷产业可持续发展的一个十分重要的因素。本文重点综述我国可用于制备发泡陶瓷的固体废弃物总体现状、固废组成特征、综合利用途径、产业政策以及存在的问题等，通过分析工业固废制备发泡陶瓷的优缺点、实验室及产业化研究进展，提出固废综合利用制备发泡陶瓷原料研发的方向及建议。

关键词：工业固废;发泡陶瓷;综合利用

1 前 言

发泡陶瓷是利用矿山尾矿、工业固废中的长石、石英、粘土等非金属矿物为主要原料，添加特殊的发泡剂，经高温焙烧而成的高气孔率硅酸盐陶瓷材料。发泡陶瓷具有轻质高强、防火阻燃、保温隔热、防水防潮、隔音降噪等优良性能，兼具施工快速整洁、可循环利用的特点，是建筑物保温、墙体、内外墙装饰领域的一种新型绿色环保建筑材料，也是我国建筑陶瓷产业近年来产业结构调整和转型升级的一项标志性产品。同时，基于发泡陶瓷生态环保的特性，墙基层和抹面层相容性好，安全稳固性好，可与建筑物同寿命等不可忽视的优越性能已逐步得到市场的认识和认可。可利用工业固废作为发泡陶瓷产业的主要原料来源，是发泡陶瓷产业可持续发展的一个十分重要的因素。根据成分特征及國内研究资料，可用于生产发泡陶瓷的固体废弃物包括矿业尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣等工业固废，以及陶瓷行业抛光渣、石材行业花岗岩固废、建筑垃圾、江河湖泥、焚烧飞灰等。因此，本文重点综述目前可用于制备发泡陶瓷的固体废弃的总体现状、固废成分特征、综合利用途径、产业政策、存在的问题等，通过分析工业固废制备发泡陶瓷的优缺点、实验室及产业化研究进展，提出固废综合利用制备发泡陶瓷原料研发的方向及建议。

2 产生规模及总体情况

固体废物污染环境防治法规定的固体废物是指由人类生产建设、日常生活和其它活动中产生出来的，对产生者来说是不能用或暂时不能用而要抛弃的污染环境的固态、半固态的废弃物质。其包括工业固体废物、城市生活垃圾和危险废物。工业固体废弃物（以下简称“工业固废”）是指在工业生产活动中产生的固体废物，是工业生产过程中排入环境的各种废渣、粉尘及其它废物，可分为一般工业废物和工业有害固体废物[1]。目前我国总建有矿山近10万座，其中金属矿约6.9万座、各类尾矿库1.42万座;煤矿7700座;各类石油化工企业近2.5万家，火电企业1200余家，钢铁冶炼企业570家;氧化铝生产企业1000家，各类大型产废企业13.3万家。工信部《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》将工业固废分为6大类，主要包括煤矸石、尾矿、冶炼废渣、粉煤灰、炉渣等，全国累计堆存的工业固体废物超过300亿吨（不包括矿业废石），其中尾矿占29%，粉煤灰占13%，煤矸石占12%，冶炼渣占10%，炉渣占10%，其它占27%。全年固废年增量约41.4亿吨，其中大宗工业固废产生量36.56亿吨，尾矿、煤矸石、粉煤灰占全国固废年增量的79.5%。

矿业固体废弃物通常包括废石和尾矿。废石主要指采矿环节采出的、低于工业品位且未能进入选矿等后续作业的固体物料。尾矿是选矿分选作业的产物之一，是入选物料富集得到精矿和中矿后的固体废弃物。尾矿包括物理选矿产生的固体废弃物，也包括堆浸工艺、全泥氰化工艺产生的固体废弃物[2]。

2017年统计数据显示，中国非油气矿山年开采矿石量超过300亿吨，矿山固体废弃物堆存量超过600亿吨。全国采矿废石堆存量超过341亿吨，其中黑色金属矿产废石总量175亿吨，占废石总量的51.24%;煤矸石总量56亿吨，占全国废石总量16.42%;有色金属铜、铅、锌、镍、锑、钼、金、黄铁矿等硫化矿废石超过75亿吨，占全国废石总量的22.20%。磷矿、硫铁矿、萤石矿、石墨矿等非金属矿废石13.10亿吨，其中磷矿、硫铁矿废石分别为8.89亿吨、3.72亿吨，上述两种废石占非金属矿废石总量的96.25%。黄金矿山废石超过15亿吨。

我国主要矿产资源入选原矿品位低，受选矿技术水平、生产设备、经济成本的制约，产生的尾矿量巨大，且利用率不高。截至2017年我国尾矿堆存量超过146亿吨，主要来源于黑色金属矿尾矿和有色金属矿尾矿。其中黑色金属矿产尾矿78.42亿吨，占比55%;有色金属尾矿46.86亿吨，占比32.86%;黄金尾矿13.80亿吨，占比13.80%。我国各尾矿产生类型来看，产生量最大的主要为铁尾矿、铜尾矿、黄金尾矿。我国铁尾矿主要产生及利用地区主要集中在河北、四川、辽宁、内蒙古、山西、安徽等省区，其中河北、四川省天矿铁尾矿产生量占全国铁尾矿产生总量的60%。铜尾矿主要分布在河南、湖北、江西、云南等省区。黄金尾矿主要产于山东、河南、陕西、黑龙江、内蒙、新疆等省区，占总量的80%以上。

冶炼工业固废冶金废渣[3]是指冶金工业生产过程中产生的各种固体废弃物，按生产工艺，分为火法冶炼中形成的熔融炉渣和湿法冶炼中排出的残渣;按金属矿物的性质，分为钢渣（高炉炼铁渣、转炉钢渣、平炉钢渣和电炉钢渣）、重金属渣（铜渣、铅渣、锌渣、铬渣、镍渣等）、轻金属渣（如提炼氧化铝排出的赤泥）、稀有金属渣和轧钢过程排出的氧化铁渣。根据中国产业信息网公布，目前钢铁和有色金属行业，从采选到最后冶炼，中国现存已有5亿吨废渣，同时每年还新增1.8 亿吨。其中山东、山西、河南、广西四省赤泥占全国总产量的88%，山东、广西两地赤泥综合利用已形成一定产业规模。钢渣产生量前五位省份分别为河北、江苏、山东、辽宁和山西，占全国总产生量的60%。我国赤泥年排放量约8000万吨，累计历史堆存量超3.5 亿吨[4]。铜渣年排放量约2000万吨[5]，堆存量超1.2亿吨。镍渣400万吨，钨渣总量达到100 万吨，还以每年超过7万吨的速度增长[6]。还有锡渣、铅锌渣等。

煤炭工业固废包括煤矸石及粉煤灰。煤矸石是采煤和选煤过程中排放的固体废弃物，约占原煤产量的10% ～ 15%[7]。全国堆存总量达56亿吨，年平均产生量约6亿吨，规模较大的煤矸石山达2600多座。从分布区域来看，内蒙古、山西、陕西是煤矸石产生量最大的地区，其年产出量分别占总产出量的25%、24%和15%。2013年以来我国原煤产量实现负增长，煤矸石产量随之下降。2017年，我国粉煤灰产量5.8亿吨，综合利用量约4.35亿吨，综合利用率约为75%。粉煤灰产生集中在华北、长江三角洲和西部等地，其中山东、江苏、内蒙古、广东、山西五省的粉煤灰产生量占全国总产生量的41%[8]。

建筑垃圾中砖块、瓦砾、混凝土块、渣土约占60% ～ 80%，其余为木料、碎玻璃、石灰、金属、包装物、防水材料、各类电信线和电源线、塑料制品。对不同结构形式的建筑工地，垃圾组成比例略有不同，而垃圾数量因施工管理情况不同在各工地差异很大。18个省市共有建筑垃圾处理厂867座，大多处于非盈利状态，总资源化利用量不足1亿吨，源化率仅为5%，处理方式仍以填埋及堆放为主，每年对土地资源的占用就超过30万亩。

焚烧飞灰是指垃圾焚烧厂烟气净化系统捕集物以及烟道和烟囱底部沉降的残留物，其中含有一定数量的二恶英、可溶出性重金属及盐，属于危废，须预先无害化处理才能安全填埋。飞灰粒径一般在1～100 μm之间，主要物相是玻璃体，占50% ～ 80%，所含晶体矿物主要有莫来石、α-石英、方解石、钙长石、硅酸钙、赤铁矿和磁铁矿等，此外还有少量未燃碳。主要化学组分为CaO、Na2O 和K2O，约占总量的50%。焚烧飞灰微观结构极不规则，颗粒分布随粒径减小趋于密实，比表面积增加[19]。部分颗粒碰撞粘连，成为表面粗糙、棱角较多的蜂窝状组合粒子。焚烧飞灰除固化填埋方式外，消纳途径包括作为生产水泥的原材料、制备水泥混凝土、烧制陶粒轻骨料以及筑路材料等[20]。

抛光废渣主要来源于瓷砖后期冷加工过程，包括铣磨、粗磨、细磨、抛光及磨边等一系列工序[17]。抛光砖主要物相中含有玻璃相、石英、少量的莫来石晶相。主要化学成为SiO2和Al2O3，其次含有SiC、CaCO3、MgCl2、CaSO4等成分，其中碳化硅、氢氧化镁和氯化镁主要来源于磨头碎屑。由于陶瓷抛光废渣磨料成分在高温烧成时分解，产生气体，使陶瓷体发生膨胀、气孔，因此，抛光废渣不易回收再利用生产陶瓷墙砖[21、22]，但可以作为制造发泡陶瓷的原材料，也可以作为一般多孔陶瓷的成孔剂。抛光废渣在陶瓷砖中的应用主要集中在利用其作为发泡剂制备多孔陶瓷和轻质、隔音、保温等产品[23]。

4 处置措施及利用方式

4.1 工业固废的危害

工业固废具有潜在的资源属性、环境扰动属性。资源属性主要受有时空特征迥异技术经济差异较大，造成资源浪费。环境扰动属性表现为土地占用，局部产生有机或无机污染、并通过土壤、水体、空气和生物链传导，同时可能引发泥石流、滑坡及崩塌等安全隱患。工业固废流动性和扩散性较差，因此对生态环境的影响具有长期性、持续性、间接性和隐蔽性[24]。全国累计堆存的工业固体废物超过300亿吨（不包括废石），总占地超过105万公顷，全国仍有220万公顷采矿损毁土地，其中固体废弃物堆放损毁26万公顷，急需修复治理。部分有色金属矿尾矿中重金属元素含量高，且多以硫化物形式存在，在氧化条件下易产生酸性废水，并且释放大量的重金属元素，对周边环境构成威胁。近年来，我国出台了一系列政策推动大宗固废无害化处置和资源化利用。

4.2 无害化处置措施

无害化处置措施主要包括集中固化填埋、焚烧及物理、化学、生物手段加工利用等[25-27]。其中固化填埋主要采用沥青、水泥和石灰等胶凝材料对固废进行固化后安全填埋。焚烧是实现城市生活垃圾或有毒有害废物无害化、减量化最有效的技术。物理处理法主要包括重选、拣选、磁选、浮选等技术手段实现各种固体废物进行分离提纯再利用。化学处理法主要利用化学中和、氧化还原以及浸出溶剂等手段处理酸、碱、氰化物、乳化油以及重金属废液等无机废弃物。生物处理法主要包括细菌冶金、堆肥、土壤恢复治理等。

4.3 资源化利用方式

根据工业固废物理性质、形貌特征及矿物组成，可实现建材和建筑、化工、农业、环保等领域协同利用。主要渠道包括（1）源头减量化利用[28、29]，就地实施土地整理，围护设施建设，矿井采空区塌陷区回填等。（2）大宗消纳规模化利用[30-33]，制备骨料、机制砂、商砼、干混砂浆、加气块、各类路面砖、免烧砖、耐酸砖、填充材料等基础建材。（3）高值化利用[34-36]，制备轻集料、建筑陶瓷、发泡陶瓷、微晶玻璃、轻质陶粒、催化剂、胶凝材料、陶瓷微珠、无机纤维保温材料及防火纸等新型功能材料;（4）资源化利用[37-43]，再选和回收有价金属元素，大型资源基地如河南钼矿、湖南钨矿、江西宜春铌钽矿、广西云南锡矿、安徽江西铜矿、包头白云鄂博稀土、攀枝花钒钛铁、金川镍矿等开展主成矿元素或共伴生元素的回收。（5）生态化利用[44-46]，固废制备滤材、保水剂、缓释肥等用于污水处理、生态修复及地质公园建设。

4.4 存在的问题

（1）综合利用率低

我国工业固废综合利用率约为60%，其中冶炼渣综合利用率为92.1%，粉煤灰为83.3%，炉渣为82.7%，煤矸石为64.4%，尾矿综合利用率最低仅为26.2%。此外，部分第II类工业固废环境风险较高，尚不具备资源化技术条件，例如：赤泥综合利用仅为5%，电解锰渣为1%，电解铝大修渣基本没有综合利用。因此消纳固废，提升固废的综合利用率是我国当前生态环保治理工作的一大重要任务。

（2）利用方式分散，低值低效

各省份由于地域、资源赋存、经济结构的不同，面临的工业固废综合利用问题差异较大，工业固废的产生量和资源化利用水平存在显著的区域差异和发展阶段差异，总体来讲利废产业发展缓慢，规模小，从事工业固体废物综合利用的企业多以中小型为主，产品附加值低，缺乏市场竞争力。国内缺少跨区域、市场竞争力强的大型专业化废物资源综合利用企业集团，产废企业和利废企业尚未形成长期稳定合作互利关系，因而无法产生工业固体废物综合利用的规模效益。

（3）缺乏理论体系支撑

大宗固废种类多，成分复杂，没有合理的分类标准，导致潜在二次资源未得到合理保护、有害废石和尾矿未得到妥善处置。亟需在对固废及尾矿综合利用特征全面调查的基础上，开展尾矿技术经济、环境和二次资源属性三位一体协同评价，建立尾矿处置、保护和合理利用的标准体系，引导矿山尾矿的有效保护、合理利用和规范处置。

（4）综合利用技术能力较低

大宗固废利用以固体回填、建筑材料为主，价值低、经济运输半径小，限制了规模化利用，缺少能够带动效益和提高附加值的重大设备和技术，大规模、高附加值、无二次污染的综合利用技术还存在一些瓶颈，成熟技术的推广尚存在许多困难，因此，急需开展尾矿高值化利用技术的研发。

5 综合利用产业政策

《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》将大宗工业固体废物综合利用纳入到节能环保战略性新兴产业范畴以来，我国工业固废综合利用产业已经获得了长足进步，经历了“以储为主”-“储用结合”-“以用为主”三个发展阶段，按照“减量化、资源化、无害化”的立法原则，目前已初步形成了较为完整的工业固体废物污染防治法律体系。主要纲领性政策法规如下：

2017年4月，发改委、科技部等十四部委联合发布《循环发展引领行动》，明确提出推动大宗工业固废综合利用，建设工业固体废物综合利用产业基地，大力推进多种工业固体废物协同利用。

2018年1月1日，《中华人民共和国环境保护税法》开始施行，提出应税固体废弃物按照排放量确定税额，明确了工业固废排放的税收缴纳额度。其中对煤矸石征收5元/吨，尾矿征收15元/吨，冶炼渣、粉煤灰炉渣等收25元/吨，危废1000元/吨的环境保护税。倒逼企业进行固废综合利用。

2018年5月15日《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》和《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》颁布施行。正式建立了工业固体废物资源综合利用评价机制，并统一了相关固体废弃物综合利用产品技术条件和要求。开展工业固体废物资源综合利用评价的企业，可依据评价结果，按照《财政部税务总局生态环境部关于环境保护税有关问题的通知》和有关规定，申请暂予免征环境保护税，以及减免增值税、所得税等相关产业扶持优惠政策，极大地引导促进了企业积极开展固体废弃物综合利用。

2018年7月25日，工信部发文《坚决打好工业和通信业污染防治攻坚战三年行动计划》，重点指出推动工业资源综合利用。建设一批工业资源综合利用基地，大力推进长江经济带磷石膏、冶炼渣、尾矿等工业固体废物综合利用。发布再生资源综合利用规范企业名单，引导再生资源综合利用企业做大做强。指导开展工业固体废物资源综合利用评价，推动落实综合利用税收优惠政策。力争到2020年全国工业固体废物综合利用率达到73%。

2019年1月，国家发改委、工信部发布的《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》提出，以尾矿、煤矸石、粉煤灰、化工渣等固体废物为重点，以集聚化、产业化、市场化、生态化为向导，以提高资源利用效率为核心，积极探索大宗固体废弃物区域整体协同解决方案，带动资源综合利用水平全面提升。

2019年4月8日，国家发改委发布《产业结构调整指导目录（2019年）征求意见稿》中鼓励：利用尾矿、废弃物等生产的轻质发泡陶瓷隔墙板及保温板材生产线和工艺装备技术开发与应用。2019年7月，50个工业资源综合利用基地备案名单发布;2019年9月，50个大宗固体废弃物综合利用基地备案名单发布。一系列综合利用政策将有效地推动形成区域工业固废综合利用产业多途径协同发展，高附加值高新技术综合发展的新格局。

6 工业固废制备发泡陶瓷研究现状

6.1 可用于制备发泡陶瓷的工业固废

目前关于发泡陶瓷研究主要集中在不同工业固废来源原料配方可行性研究，包括原料来源及配方体系对产品体积密度、抗压强度、抗折强度、导热系数、吸水率、气孔率等性能指标的影响。研究表明，可用于生产发泡陶瓷的矿业尾矿有钼尾矿[47]、铜尾矿[48]、钒尾矿[49]、铅锌尾矿[50]、金尾矿[51]、稀土尾砂[52]、铁尾矿[53]、珍珠岩尾矿[54]、蛇纹石尾矿[55]等，冶炼渣有电解锰渣[56]、赤泥[57]、钴冶炼渣[58]、钢渣[59]、水渣[60]等、煤炭工业固废有煤矸石[61]、粉煤灰[62]、页岩渣[63]等，另外还有陶瓷工业抛光渣[64]、花岗岩石材固废[65]、建筑垃圾[66]、黄河泥沙[67]等，其中已投入产业化应用的工业固废主要以抛光渣、煤炭固废、花岗岩固废、珍珠岩尾矿等为主，其它大多处于试验室研究阶段，部分固废配方体系及工艺技术正在开展中间试验和推广应用。

根据不同的原料化学成分和烧结性能，不同配方体系固废使用掺量50% ～ 90%不等，其余为黏土性矿物或溶剂性矿物。不同体系制坯原料细度一般均为200目以下，通过喷雾干燥或干法制粉+造粒工艺获得一定粒径范围和强度的颗粒，便于自动化布料和提高产品的均匀性。目前主要使用发泡剂为碳化硅，添加量为0.3% ～ 1.5%不等，抛光渣体系因含有发泡成分，用量适当减少。烧成温度一般为1150 ～ 1200℃，温控曲线多采用中低温区高速升温，高温区低速升温温控制度。产品性能指标根據保温材料、隔墙等用途定位不同，可通过配方体系和温控制度设计调整，主要性能参数指标范围为体积密度0.15 T/m3 ～  0.9 T/m3，抗压强度0.5 MPa ～ 7.5 MPa，导热系数0.053 w/（m·k） ～ 0.09 w/（m·k），吸水率1.2% ～ 2.0%，气孔直径0.5 mm ～ 2 mm，气孔率70% ～ 75%。

从目前实验室的研究结果来看，以典型高铝硅型工业固废为主要原料经预处理制备发泡陶瓷是完全可行的。但要真正实现工业化应用，还存在一些问题亟待解决，需要进一步针对矿物成分和配比，对工艺过程和条件进行系统研究和优化，从而实现制备流程标准化。

6.2 矿业尾矿用于制备发泡陶瓷优缺点分析

工业固废尤其是矿业尾矿用于发泡陶瓷原料，具有成分适宜、量大稳定、便于加工、经济合理等优势，主要表现在（1）大部分矿业尾矿成分均呈现高硅铝特征，矿物组成与发泡陶瓷原料需求基本接近，容易调节满足至发泡陶瓷生产的成分要求。此外，尾矿中富含如锂、萤石、钛、锆、稀土等稀贵有益组分或元素;（2）尾矿存量及增量巨大，单一矿山或加工企业来源固废成份相对稳定，可以长期稳定供应;（3）尾矿不需要采矿、破碎、细磨及提纯等费用，可以大大降低原料制备成本，同时原料粒度分布适宜，有利于不同配方原料分散均化，工艺更加简单，经济效益较高;（4）发泡陶瓷产业已列入国家发改委鼓励类产品目录，可享受固废综合利用产品相关政策优惠。工业固废用于发泡陶瓷行业不利因素主要为原料产地地处偏僻、运距远，成份复杂。一般大型工业项目或矿山采选工业均远离城市群，造成原料运输距离远，综合成本高。

6.3 工业固废用于制备发泡陶瓷研究方向

6.3.1 建立工业固废可利用性评价体系

工业固废制备发泡陶瓷，首先其安全性及环保性需满足《建筑材料放射性核素限量》GB6566-2010要求;其次综合考虑原料的均匀性、稳定性、多样性，满足脊性原料、塑性原料及溶剂性原料功能需求，优选细粒尾矿，不需要磨矿制粉，便于除杂均化，降低原料加工成本。另外，综合固废来源、经济运输半径、可加工性等因素，原料筛选应按就近原则优选安全可靠经济的原料。

6.3.2 产、利废企业一体化发展协同增效

产废企业固废排放出口即利废企业原料的进口，加强上下游衔接，在固废排放工序做好目标原料的分级、调配、均化、陈腐等工序，对于产废企业减少了尾矿排放量，延长尾矿库使用年限，降低尾矿库维护成本;对于利废企业来说不仅可以获得高质量稳定原料，提高原料配方颗粒的均一性、稳定性，同时降低了原料磨矿、均化、陈腐等原料准备工序设备投资及加工成本。产、利废企业一体化发展协同增效将是解决发泡陶瓷产业“两高一低”问题的一种重要渠道。

6.3.3 多源固废协同利用及产业集聚发展

制约固废资源利用的最主要原因一是产废量大，消纳量小;二是产品附加值低，经济运输半径小。通过多源固废协同利用及拉长产业链，提高产品附加值，形成“矿产资源-有价元素提取-固废资源加工-大宗基础建材原料-新型绿色轻质建材-装配式建筑”循环经济产业集群，从而推动固废资源的大宗消纳和资源化利用。

发泡陶瓷以不可忽视的优越性能已逐步得到市场的认识和认可，2019 ～ 2025年，预测全国累计发泡陶瓷隔墙板潜在市场需求约8亿平方米～25亿平方米，按照当前工艺技术发展状况，工业固废制备发泡陶瓷的掺量达80%估算，发泡陶瓷行业每年可消纳工业固废约1.5亿吨。发泡陶瓷产业的快速发展，不仅对减少自然资源消耗，减少生态环境影响具有重要的推动作用，二期对拉动绿色消费，引导绿色发展、促进结构优化、加快转型升级具有重要的战略意义。随着绿色发展理念的深入推进，和国家固废综合利用和装配式建筑政策的贯彻实施，发泡陶瓷作为绿色节能建材，将迎来历史性发展机遇。

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Abstract： As the main raw material source of foamed ceramic industry， industrial solid waste is a very important factor for the sustainable development of foamed ceramic industry. This paper focuses on the overview of the overall status of industrial solid waste in China， the characteristics of solid waste composition， comprehensive utilization ways， industrial policies， existing problems， etc. by analyzing the advantages and disadvantages of industrial solid waste preparation of foamed ceramic， laboratory and industrial research The direction and suggestion of research and development of foamed ceramic raw materials by comprehensive utilization of solid wastes are put forward.

Keywords： Industrial solid waste; Foamed ceramics; Comprehensive utilization