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工业副产石膏资源化利用生态环境技术发展报告

2020-12-31陈家伟张仁亮

广州化工 2020年24期
关键词:石膏工业

陈家伟,张仁亮

(1 江苏一夫科技股份有限公司,江苏 南京 211178;2 南京中电熊猫平板显示科技有限公司,江苏 南京 210033)

随着我国磷肥、氯碱、发酵、钙法脱硫等行业的快速发展,各类工业副产石膏产出量巨大,而国内现有处理技术和装备转化效率低、自动化水平低,处理量小,导致长期堆存造成的环境污染和安全问题日益严重,且成品性能低。同时,生态型高性能石膏胶凝材料作为一种基础工业材料,在建筑、装饰、增材制造、陶瓷模具、医疗等领域应用广泛[1-2]。因此,开发以工业副产石膏为原料制备生态型高性能石膏胶凝材料的技术及成套装备意义重大、市场广阔。

1 本行业及专业领域总体概况

1.1 2018-2019年国内外相关法规、政策标准体系现状

工业副产石膏资源化利用是“十三五”时期工业绿色发展的主要指标之一。2019年,国家发改委、工信部在《关于推进大宗固废综合利用产业聚集发展》中,将工业副产石膏列为固体废弃物综合利用的工作重点,“推广脱硫石膏、磷石膏等工业副产石膏替代天然石膏的资源化利用,扩大副产石膏生产高强石膏粉、纸面石膏板等高附加值产品规模,鼓励工业副产石膏综合利用产业集约发展”。政策推动下,工业副产石膏的深加工产业必将得到长足发展。

目前全球对工业副产石膏利用总量较少,且90%都处于低端、低附加值利用,绝大部分用来生产石膏板、粉刷石膏,也有少量用来生产砌块或作为填料等[3-4]。

随着我国经济和工业的高速发展,工业副产石膏增速很快,据中国建筑材料联合会石膏建材分会发布的数据显示:2018年我国工业副产石膏产生量约2.12亿吨,综合利用率仅为43.1%。其中,脱硫石膏约7300万吨,综合利用率约72.4%;磷石膏约7600万吨,综合利用率约39.7%;钛石膏约2300万吨,综合利用率约10.0%;盐石膏约1500万吨,综合利用率约4.3%;发酵石膏约800万吨,综合利用率约31.3%;氟石膏约200万吨,综合利用率约48.0%;其他副产石膏约1500万吨,综合利用率约13.3%。工业副产石膏的大面积堆积,占用并污染大量土地、严重破坏水土资源。工业副产石膏存在杂质高、成分不稳定等劣势,导致用工业副产石膏替换天然石膏进行生产的积极性较低,技术相对滞后[5-7]。

高性能的石膏胶凝材料主要用于制备GRG高端装饰、石膏基自流平砂浆、陶瓷模具等精细领域,需求量大、对石膏品质要求高(干燥强度需要达到50 MPa以上)。利用工业副产石膏制备高性能石膏胶凝材料,可在解决固废堆积问题的同时,产生较大的经济效益,符合可持续发展理念,产业前景广阔,如图1所示。

图1 产业链示意图

近两年,国家、相关部门、行业协会以及地方政府出台了一系列鼓励政策以支持其未来发展,部分摘录如表1所示。

表1 国家及相关部门产业政策一览表

在国内标准体系建设方面,石膏行业从上游的原料、中间环节的生产设备及能耗、下游制品的相关标准都有涉及,标准品类齐全,标准更新速度较快。截至目前,石膏行业相关标准共计64件。其中国家标准18件,行业标准共计31件,团体标准29件。由于标准体系改革,鼓励市场自主制定标准,增强市场活力,石膏行业团体标准的发展势头强劲。

1.2 2018-2019年国内工业副产石膏污染控制管理现状

随着国家在生态环境治理力度的持续加强,全国工业副产石膏主产区也陆续出台了一系类政策法规,鼓励支持工业副产石膏资源化利用技术的发展。

贵州省及贵阳市陆续出台关于磷石膏综合利用的相关政策及要求。2018年4月4日,贵州省人民政府办公厅印发《贵州省关于加快磷石膏资源综合利用的意见》(以下简称《意见》)。意见要求贵州省全面实施磷石膏“以用定产”,实现磷石膏产消平衡,争取新增堆存量为零。自2019年,力争实现磷石膏消大于产,且每年消纳磷石膏量按照不低于10%的增速递增,直至全省磷石膏堆存量全部消纳完毕。到2020年,攻克一批不产生磷石膏的重大关键技术并尽快实现产业化,建成一批大规模、高附加值的磷石膏资源综合利用示范项目,磷石膏资源综合利用产业链基本形成,磷石膏资源综合利用规模和水平大幅提升。2018年7月6日,为进一步落实贵州省关于磷石膏“以渣定产”决策部署,推进磷石膏资源综合利用,贵阳市发布磷石膏资源综合利用十条措施(2018-2020)(试行)。措施提出:设立贵阳市磷石膏资源综合利用高新技术产业引导基金5亿元;建立贵阳市磷石膏资源综合利用产业扶持资金1.5亿元;鼓励社会资本投资磷石膏资源综合利用新建或技改项目,并对项目提供资金奖励;实施产品补贴、实施运输补贴、鼓励科技创新、实施品牌激励、实施生产场所租用补贴等。

2018年4月14日,宜昌市政府办公室发布《市人民政府办公室关于印发宜昌市磷石膏综合利用三年行动计划(2018-2020年)的通知》(宜府办发[2018]39号)、《市人民政府办公室关于促进磷石膏综合利用的意见》(宜府办发[2018]40号)。通知要求用3年左右的时间,建成一批规模大、附加值高的磷石膏综合利用产业化示范项目,研发一批具有自主知识产权的重大关键共性技术,培育壮大一批石膏综合利用骨干企业。通知要求,到2020年,磷石膏产量比2019年下降15%,当年综合利用率不低于65%,综合利用约590万吨磷石膏。宜昌市同时出台相关鼓励政策,宜昌市政府设立2000万元化工产业磷石膏综合利用补助资金,要求有工业副产石膏的县市区给予配套资金支持。另外,宜昌市为支持企业加大磷石膏综合利用,还提供加强生产要素保障、支持开拓市场,并落实税收支持政策。

上述工业副产石膏尤其是磷石膏产量聚集区相关政策的出台,势必会加大工业副产石膏存量的消纳速度,提高资源利用化水平和产品附加值。

2 本行业主要技术发展情况

2.1 磷石膏、钛石膏、含高钙废水及含硫酸根废水的综合利用

磷石膏的年排放量达接近一亿吨,但其综合利用率仍不到40%。目前,绝大部分的磷石膏只是用作水泥缓凝剂、建筑石膏以及土壤改良剂等。钛石膏的年排放量超过2000万吨,而且原料含水量高,很难直接应用。由于钛石膏粒径小,而且钛石膏中含有大量的铁离子,更加大了钛石膏综合利用的难度。目前主要做减量化后堆存处置,采用的手段是采用压滤机将钛石膏进行压缩,使其游离水含量降至20%以下。含高钙废水及含硫酸根废水主要是通过合成结晶成二水硫酸钙,再进行下一步应用,通过不同工艺制备成α高强石膏或者建筑石膏。

2.2 利用工业副产石膏制备高附加值制品研究

工业副产石膏由于自身经济附加值低、来源广、杂质多等问题,很难得到投资者的关注。但是天然石膏下游制品的附加值相对比较高,所以国内外许多科研人员开始采用工业副产石膏代替天然石膏作为原材料,制备高附加值产品,如α高强石膏、石膏晶须、超细石膏、晶须造纸、晶须代替石棉生产摩擦片、GRG纤维增强石膏、3D打印等产品。

α型半水石膏具有标准稠度需水量小、强度高等特点,可用于制作各种工业和医用模型,又称为模型石膏。随着科学技术的迅速发展,近年来高强石膏应用领域日趋广泛,已涉及航空、汽车、橡胶、塑料、船舶、铸造、机械、医用等多种领域,而且产品呈现系列化。α型高强石膏凭借其自身优越的性能和具有市场竞争力的价格,目前已在陶瓷模具、GRG、精密铸造等领域获得了广泛的应用。另外,α型高强石膏作为一种优质的3D打印材料,借助3D打印技术,可打印出以α型高强石膏为主要建筑材料的洋房别墅。

石膏晶须是一种晶体结构和高强石膏截然相反的材料,其长径比可达100:1,类似与植物纤维,目前石膏纤维可在多个方面取得应用,例如取代部分植物纤维在造纸行业中取得应用,还可以作为填料在刹车片中取得应用等,产品附加值很高。

2.3 工业副产石膏煅烧Ⅱ型无水石膏

由于工业副产石膏含有较多的杂质,将其通过较低温度煅烧成建筑石膏粉,有害杂质还将留存在石膏粉中,在后期的使用过程中可能会产生危害。但是,通过中温煅烧的方式,将其制备成Ⅱ型无水石膏,有害杂质在较高温度下会分解,产品中有害杂质的含量会大量减少。而且Ⅱ型无水石膏比建筑石膏粉具有更加优越的物理、化学性能。工业副产石膏煅烧Ⅱ型无水石膏,是工业副产石膏大规模综合利用的主要途径之一,单套装置产能可实现100万吨/年,远超建筑石膏粉生产装置的单机产能。

2.4 利用工业副产石膏制备石膏基自流平砂浆

早在上世纪80年代,石膏基自流平砂浆在欧洲得到了广泛的应用,尤其是在地暖施工领域。目前随着我国建材行业施工机械化水平不断提高和绿色住宅的需求,石膏基自流平砂浆已经得到了大规模的应用,该行业正在迅速扩张过程中。另外,利用工业副产石膏制备石膏基自流平砂浆也是大规模利用工业副产石膏的重要途径之一。

3 本行业知识产权技术竞争力评价

根据佰腾专利检索平台检索的数据,截至目前,石膏领域在全球范围内共计有专利102225件,主要分布在欧美、亚洲和大洋洲等地区。中国共有相关专利61589件,有法律效力的专利数量为32229件,专利总量和有效专利数量均为第一位,紧随其后的是日本和美国。

从专利所有权人来看,目前拥有专利量第一的是美国石膏集团,数量为4087件;我国北新集团股份有限公司排名第二,拥有专利数量为846件;日本吉野石膏株式会社拥有专利数量排名第三。

4 本行业下一步研发内容和主要技术突破

4.1 钛石膏和磷石膏制备高性能胶凝材料

针对生产钛白粉、磷肥等相关行业生产的工业副产石膏,研发出对其中含有复杂离子的除杂工艺,与转晶工艺相匹配,从而制备强度更高、品质更稳定的石膏胶凝材料,同时最大程度降低生产成本。将实现磷石膏干燥强度达到55 MPa,钛石膏干燥强度稳定在60 MPa左右。

4.2 提升生产装备智能化水平

研发在线检测分析系统,安装于转晶系统内部,在线观察转晶过程。解决实验室分析步骤繁琐、物料失真等问题,确保生产产品性能的稳定性和生产线条件控制的精确度。

4.3 石膏增白技术研发

研发石膏胶凝材料的增白技术,将脱硫石膏的白度从25%增白至90%以上,以满足市场对石膏产品白度的需求,增加其附加值至1000元/吨,提高产品附加值。

4.4 建立完备的生产管理运营体系

建立原料成分组成与工艺条件的匹配体系,在已有技术基础上有形成一整套工业副产石膏技术方案。完善设备功能,实现前端到终端完整的自动化处理过程,达到现有设备产能的2~4倍,提高设备稳定性,降低人工成本。

5 结 语

工业副产石膏资源化综合利用与化工、环保、建材等学科领域密不可分。要从“化工-环保-建材”多学科交叉融合创新的角度,进行工业副产石膏预处理工艺、深加工工艺及装备的研究与开发。在国家和地方政府相关政策的支持下,建立以环保和市场为导向的绿色技术创新体系,工业副产石膏一定会得到更好的综合利用,产品附加值会进一步提高。

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