趙 江，王云康，王建友，李 強(qiáng)*，李 健，劉 娜，劉艷麗，趙 俞,劉 浪

(1.榆林學(xué)院，陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000； 2.榆林學(xué)院，榆林市固體廢棄物資源化利用工程技術(shù)研究中心，陜西 榆林 719000； 3.榆林市生態(tài)環(huán)境局，陜西 榆林 719000； 4.榆林市榆神工業(yè)園區(qū)能源科技發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719000；5.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

榆林市位于陜西省最北部，是黃土高原與毛烏素沙地的過(guò)渡區(qū)[1]，是我國(guó)新型的國(guó)家級(jí)能源化工基地，被稱為中國(guó)的“科威特”[2]。榆林市礦產(chǎn)資源豐富，已發(fā)現(xiàn)8大類48種礦產(chǎn)資源[3]，其中，煤炭預(yù)測(cè)儲(chǔ)量2 800億噸，探明儲(chǔ)量1 660億噸，約占全國(guó)儲(chǔ)量的20%。

榆林市現(xiàn)有煤礦企業(yè)289個(gè)，2020年原煤產(chǎn)量5.1億噸。煤炭資源的高值利用一直是榆林社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,1998年7月，榆林能源化工基地總體規(guī)劃獲原國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)，陜北能源化工基地建設(shè)正式啟動(dòng)[4],2003年3月正式批準(zhǔn)陜北國(guó)家級(jí)能源化工基地在榆林啟動(dòng)建設(shè)[4]。隨著煤轉(zhuǎn)電、煤轉(zhuǎn)氣、煤轉(zhuǎn)油等多元化開(kāi)發(fā)利用技術(shù)大幅提升，與之同時(shí)煤基固體廢棄物排放量大幅攀升，對(duì)榆林地區(qū)的生態(tài)環(huán)境形成極大挑戰(zhàn)，受到社會(huì)的高度關(guān)注。近些年來(lái)的煤氣化渣、金屬鎂渣等規(guī)模呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，逐漸成為榆林“煤、電、化、冶”產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題之一。

鑒于此，為了厘清榆林固體廢棄物現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，本文通過(guò)資料查閱、野外調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)剖析榆林市五種典型固體廢棄物即氣化渣、電石渣、粉煤灰、金屬鎂渣、煤矸石的來(lái)源、現(xiàn)狀、性質(zhì)和主要應(yīng)用途徑，期望為大宗固體廢棄物綜合利用基地高質(zhì)量建設(shè)與發(fā)展提供支撐。

1 榆林市固體廢棄物現(xiàn)狀

榆林市大宗工業(yè)固體廢棄物主要來(lái)源于“煤、電、化、冶”四大行業(yè)，其中煤炭行業(yè)固體廢棄物主要是煤矸石和煤泥；電力行業(yè)固體廢棄物主要是粉煤灰和脫硫石膏；化工行業(yè)主要是煤化工過(guò)程的氣化渣、電石渣；冶金行業(yè)主要是金屬鎂渣。據(jù)榆林市生態(tài)環(huán)境局統(tǒng)計(jì)，2019年全市工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量4 113.5萬(wàn)噸，較2018年的3 447.8萬(wàn)噸增加了665.7萬(wàn)噸，增長(zhǎng)率19.30%。處置量2 125.9萬(wàn)噸，較2018年812.9萬(wàn)噸增加了1 313萬(wàn)噸，處置率為61.66%。圖1是2019年度榆林市主要工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量。

圖1 2019年度榆林市主要工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量Figure 1 Output of main industrial solid wastes in Yulin in 2019

由圖1可以看出，榆林市工業(yè)固體廢棄物排放量以煤矸石為主，占比53%，其次為粉煤灰占比17%，其他固體廢棄物、爐渣以及冶煉廢渣僅占比30%。圖2是2011年以來(lái)榆林市主要工業(yè)固體廢棄物排放量的變化。

圖2 2011-2019年度榆林市主要固體廢棄物產(chǎn)生量Figure 2 Production of main solid wastesin Yulin from 2011 to 2019

由圖2可以看出，榆林市主要工業(yè)固體廢棄物排放量均呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，與2011年相比，2019年煤矸石產(chǎn)量增加了1 476.5萬(wàn)噸，增長(zhǎng)率為289%?？梢?jiàn)，榆林市固體廢棄物呈現(xiàn)出類型多樣、排放量大、增幅快的特點(diǎn)，逐漸成為“煤、電、化、冶”產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中“卡脖子”的問(wèn)題。

隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的快速推進(jìn)，環(huán)保高質(zhì)量發(fā)展的要求迫使工業(yè)固體廢棄物的綜合利用成為當(dāng)前亟待解決的課題之一。固體廢棄物的基本性質(zhì)是后期綜合利用的關(guān)鍵,分別對(duì)煤矸石、粉煤灰、電石渣、金屬鎂渣和煤氣化渣進(jìn)行分析。

1.1 煤矸石

煤矸石是采煤過(guò)程和洗煤過(guò)程中排放的固體廢棄物，是一種在成煤過(guò)程與掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)矸石、采掘過(guò)程中從頂板、底板及夾層里采出的矸石以及洗煤過(guò)程中挑出的洗矸石[5-6]。目前榆林市所屬的煤矸石SiO2含量較高，達(dá)到了66.18%，屬于砂巖類煤矸石。A12O3含量波動(dòng)為15%～40%，但在高嶺土和鋁質(zhì)巖為主的煤矸石中可達(dá)40%以上。煤矸石中CaO含量一般很低，F(xiàn)e2O3含量也低于10%。

2019年榆林市共產(chǎn)生煤矸石3 244.24萬(wàn)噸，利用量為860.63萬(wàn)噸，資源利用率為26.5%，主要處置方式以填溝造地、堆存為主，部分煤矸石用于生產(chǎn)建筑材料。目前煤矸石排放量逐年增加，但是處理方式仍處于產(chǎn)業(yè)鏈初級(jí)，利用深度不夠，產(chǎn)品附加值低。因此，煤矸石的資源化利用向產(chǎn)業(yè)間融合共生、區(qū)域間協(xié)同發(fā)展模式推進(jìn)，向高值、高效、規(guī)?；棉D(zhuǎn)變，變廢為寶，循環(huán)利用。帶動(dòng)資源化利用水平提高的同時(shí)，也間接促進(jìn)榆林市其他行業(yè)的發(fā)展。表1為典型煤矸石的主要化學(xué)成分含量[7]。

表1 典型煤矸石的主要化學(xué)成分含量(%)

1.2 電石渣

電石渣是由電石水解獲取C2H2氣后的以CaOH為主要成分的廢渣。1噸電石加水可生成300多立方米乙炔氣，同時(shí)生成10噸含固量約12%的工業(yè)廢液，俗稱電石渣漿[8]。電石渣中含量最多的為CaO，占比接近64%，此外還有CaS、Ca3N2、Ca3P2、Ca2Si等。

隨著榆林市煤炭相關(guān)的產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，固體廢棄物種類也從傳統(tǒng)的煤矸石、粉煤灰等拓展到氣化渣、電石渣等。2019年榆林市共產(chǎn)生電石渣218.57萬(wàn)噸，利用量為190.46萬(wàn)噸，資源利用率達(dá)到了87.1%。電石渣主要用于生產(chǎn)水泥和脫硫劑。目前，基于本市已經(jīng)處于環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，電石渣的資源化利用，不但可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能獲得更多的環(huán)境和社會(huì)效益。電石渣主要成分含量如表3所示。

表3 電石渣主要成分含量

1.3 金屬鎂渣

金屬鎂渣是煉鎂過(guò)程中排放的固體廢棄物。其工藝流程是將白云石在回轉(zhuǎn)窯中煅燒，然后經(jīng)研磨成粉后與硅鐵粉和螢石粉混合并制成球體，送入耐高溫還原罐內(nèi)，在還原罐內(nèi)于1 500 ℃條件下還原制取粗鎂，再經(jīng)過(guò)溶劑精煉、鑄錠、表面處理，即可得到鎂錠，剩余的殘?jiān)褪擎V渣[9]。2019年榆林市金屬鎂渣排放量309.15萬(wàn)噸，綜合利用量為14.15萬(wàn)噸，資源利用率為4.5%，主要處置方式有堆存和填埋。鎂渣新型資源化利用在本市規(guī)模化程度較低，鎂渣新型資源化利用率還需極大提高。鎂渣掃描電鏡照片如圖3所示，榆林市某企業(yè)鎂渣成分分析如表4所示。

圖3 鎂渣掃描電鏡照片F(xiàn)igure 3 SEM images of magnesium slag

表4 榆林市某企業(yè)鎂渣成分分析表

1.4 粉煤灰

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。粉煤灰的主要來(lái)源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐，其中90%以上為濕排灰，活性較干灰低，且費(fèi)水費(fèi)電，污染環(huán)境，也不利于綜合利用[10-11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉煤灰在本地區(qū)內(nèi)年產(chǎn)生量?jī)H次于煤矸石，屬于第二大類固體廢棄物類型。2019年共產(chǎn)生808.49萬(wàn)噸，利用量164.46萬(wàn)噸，資源利用率6.1%，目前主要處置方式以填埋為主，部分生產(chǎn)建筑材料。榆林市神木縣和府谷縣是粉煤灰的主要產(chǎn)地,兩縣區(qū)2019年共產(chǎn)生粉煤灰619.46萬(wàn)噸，占榆林市粉煤灰產(chǎn)量的70%以上，因此粉煤灰等固體廢棄物的區(qū)域化資源利用也極為迫切。粉煤灰掃描電鏡照片如圖4所示，粉煤灰主要化學(xué)成分含量如表5所示。

圖4 粉煤灰掃描電鏡照片F(xiàn)igure 4 SEM images of fly ash

表5 粉煤灰主要化學(xué)成分含量

1.5 氣化渣

煤與氧氣或富氧空氣發(fā)生不完全燃燒生成CO與H2的過(guò)程中，煤中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)化學(xué)成分經(jīng)過(guò)不同的物理化學(xué)轉(zhuǎn)變伴隨著煤中殘留的碳顆粒形成的固態(tài)殘?jiān)?，可分為粗渣和?xì)渣兩類。粗渣是在氣化爐高溫高壓條件下經(jīng)熔融、激冷、凝結(jié)等流程，由氣化爐底部排出的渣類，粒徑集中分布于(4～16)目，產(chǎn)生量約占總渣量70%～80%；細(xì)渣是氣化爐頂部由氣流攜出并經(jīng)初步洗滌凈化，沉淀得到的渣類，粒徑均小于16目，其中約三分之一小于200目[12-13]。氣化渣中主要含有C、O、Al、Si、Ca、Fe等元素，其中C和O的含量較高，O元素主要以氧化物的形式存在，其中含量最高的氧化物為SiO2,占比高達(dá)50.59%,其余氧化物中Al2O3、Fe2O3、CaO的含量也較高[12]。

氣化渣產(chǎn)生于煤氣化工業(yè),2019年度，榆林市共產(chǎn)生氣化渣137.82萬(wàn)噸，利用量?jī)H為8.38萬(wàn)噸。目前細(xì)渣主要用于鍋爐，粗渣則主要以填埋為主，資源利用率6.1%。氣化渣的資源化利用仍以堆存和填埋為主，缺乏核心技術(shù)和創(chuàng)新能力，綜合利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，無(wú)法做到高附加值利用。5 000倍下氣化粗渣與細(xì)渣掃描電鏡照片如圖5所示，榆林市某企業(yè)氣化渣主要化學(xué)成分含量如表6所示。

圖5 5 000倍下氣化粗渣與細(xì)渣掃描電鏡照片F(xiàn)igure 5 SEM images of gasification coarse slag and fine slag(5 000 times)

表6 榆林市某企業(yè)氣化渣主要化學(xué)成分含量

2 榆林市固體廢棄物資源化利用發(fā)展思考

2.1 大宗固體廢棄物資源化利用發(fā)展的重要性

黨的十八大以來(lái)，榆林市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了顯著成績(jī)，但隨著國(guó)家對(duì)資源環(huán)境政策的調(diào)整及重視，強(qiáng)化環(huán)境治理體系和能力，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)能源清潔低碳發(fā)展，發(fā)展科學(xué)、高效的大宗固體廢棄物資源化利用途徑和技術(shù)迫在眉睫。大宗固體廢棄物的排放和處理成為制約榆林市綠色發(fā)展的重要原因之一。大宗固體廢棄物資源化利用應(yīng)堅(jiān)持以“新發(fā)展理念”為引領(lǐng)，綠色低碳循環(huán)為前提，以資源利用“三高一規(guī)”為目標(biāo)，即“高效、高質(zhì)、高值、規(guī)?；保龠M(jìn)大宗固體廢棄物資源利用向高科技、高附加值、高智力型發(fā)展。大宗固體廢棄物的資源化利用對(duì)提高榆林市城市綠色競(jìng)爭(zhēng)力，深化國(guó)家“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明思想，推進(jìn)榆林市成為黃土高原生態(tài)文明示范區(qū)具有戰(zhàn)略性意義。

2.2 大宗固體廢棄物資源化利用發(fā)展的可行性

我國(guó)資源稟賦，能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能源產(chǎn)業(yè)仍處于長(zhǎng)期發(fā)展階段,未來(lái)大宗固體廢棄物依舊面臨產(chǎn)生強(qiáng)度高、利用不充分以及綜合利用附加值低的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)針對(duì)大宗固體廢棄物處置的主要途徑有固體廢棄物源頭減量、資源化利用和無(wú)害化處理三個(gè)方面。根據(jù)榆林市煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，推動(dòng)煤矸石、電石渣、鎂渣、粉煤灰、氣化渣等大宗固體廢棄物的資源化利用是必由之路。

(1)煤矸石作為煤基固體廢棄物本身具有較高的燃燒價(jià)值。利用其熱值特性，曹小林[14]認(rèn)為煤矸石可應(yīng)用于發(fā)電燃料，降低火電廠對(duì)于煤炭資源的消耗量，達(dá)到節(jié)約不可再生資源的目的。煤矸石中SiO2和Al2O3含量較高，賈敏[15]認(rèn)為,可利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料，包括煤矸石制磚、代替黏土生產(chǎn)水泥、制備陶瓷和作混凝土輕骨料等。田莉等[16]認(rèn)為,煤矸石具有容量大和蓄熱能力強(qiáng)的特點(diǎn),故可以使用活化后的煤矸石替代部分泥炭作為育苗基質(zhì)。

(2)電石渣作為新型煤基固體廢棄物，曾榮[17]、李宇棟[18]、石闖[19]認(rèn)為可利用電石渣制作超細(xì)活性納米碳酸鈣及附屬產(chǎn)品。此外，電石渣中含有較為豐富的鈣化物、硫化物,邵丹娜等[20]、曹文博[21]以電石渣生產(chǎn)純堿以及各種鈣化物(氧化鈣、氯化鈣)制備脫硫劑和固硫劑。電石渣還可用作建筑材料制備，陽(yáng)小東等[22]利用電石渣生產(chǎn)水泥、砌塊等。

(3)鎂渣具有一定的火山灰活性，可以用作水泥的混合材料。彭小芹[23]以鎂渣作為水泥混合材料配制鎂渣硅酸鹽水泥。鎂渣具有良好的膠凝性能，馮碩等[24]利用鎂渣制作新型墻體材料。鎂渣還可用于新工藝材料制備，唐洋洋等[25]利用鎂渣制作鎂渣泡沫玻璃、鈣鎂硅復(fù)合肥、固化劑、膠凝材料、混凝土膨脹劑、陶粒支撐劑和多孔陶瓷濾球等。

(4)粉煤灰的新型資源化利用途徑主要包括建筑、化工、環(huán)保與農(nóng)業(yè)四個(gè)方面。建筑材料方面，雷瑞等[26]、吳韓[27]利用粉煤灰配制粉煤灰水泥、粉煤灰混凝土、粉煤灰燒結(jié)磚、粉煤灰磚砌塊、粉煤灰陶粒和微晶玻璃等。化工材料方面，李穎穎等[28]將粉煤灰用于制備脫硫、脫硝制氫以及催化劑載體。環(huán)保方面，張金山等[29]利用粉煤灰合成沸石、提取氧化鋁。農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，劉夢(mèng)茹等[30]根據(jù)其性質(zhì)發(fā)現(xiàn)粉煤灰可用于改良土壤性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤酸堿度等。

(5)氣化渣具有特殊的理化性質(zhì)，比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)分明。根據(jù)其性質(zhì)，劉崇國(guó)等[31]利用氣化渣替代骨料、制造生態(tài)水泥、制造新型磚、制造覆蓋材料和建筑填料。氣化渣中SiO2含量較高，史兆臣等[32]以氣化細(xì)渣生產(chǎn)硅肥原料，制作土壤調(diào)理劑，可改善榆林市鹽堿地問(wèn)題。趙永彬等[33]利用氣化渣性質(zhì)燒結(jié)制備煤氣化殘?jiān)嗫滋沾刹牧?。劉娜等[34]通過(guò)研究利用氣化渣與沙土復(fù)配后對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)了氣化渣的生態(tài)化和規(guī)?；?。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

針對(duì)固體廢棄物的科學(xué)研究主要包括制作營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)或吸附材料、用作建筑材料、金屬元素的回收利用以及脫水脫碳資源化利用四個(gè)方面，其研究路徑具有利用率低、成本高、規(guī)?；?yīng)差的特點(diǎn)，因此工業(yè)固體廢棄物的綜合利用問(wèn)題仍然是高度關(guān)注的課題。目前，以園區(qū)、基地為載體的大宗工業(yè)固體廢棄物利用產(chǎn)業(yè)模式，在我國(guó)取得了顯著的成效，未來(lái)集聚式發(fā)展、多元化布局將是榆林市大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用發(fā)展的主要模式。榆林市是我國(guó)新型的能源化工基地，呼包鄂榆城市群區(qū)域重要節(jié)點(diǎn)城市，具有重要的戰(zhàn)略地位。針對(duì)固體廢棄物綜合利用問(wèn)題，建議基于固體廢棄物全產(chǎn)業(yè)鏈理念和資源化利用思路，在體制機(jī)制創(chuàng)新基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索工業(yè)固體廢棄物處置無(wú)害化+消納本地化相結(jié)合，低值規(guī)模化+高值精細(xì)化相結(jié)合，環(huán)境效應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)+綜合利用裝備系統(tǒng)研發(fā)相結(jié)合的綜合利用思路和路徑,期望為固體廢棄物綜合利用及大宗固體廢棄物綜合利用基地高質(zhì)量建設(shè)與發(fā)展提供支撐。