榆林市工业固体废弃物现状与应用进展

赵 江，王云康，王建友，李 强*，李 健，刘 娜，刘艳丽，赵 俞,刘 浪

(1.榆林学院，陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000； 2.榆林学院，榆林市固体废弃物资源化利用工程技术研究中心，陕西 榆林 719000； 3.榆林市生态环境局，陕西 榆林 719000； 4.榆林市榆神工业园区能源科技发展有限公司，陕西 榆林 719000；5.西安科技大学，陕西 西安 710054)

榆林市位于陕西省最北部，是黄土高原与毛乌素沙地的过渡区[1]，是我国新型的国家级能源化工基地，被称为中国的“科威特”[2]。榆林市矿产资源丰富，已发现8大类48种矿产资源[3]，其中，煤炭预测储量2 800亿吨，探明储量1 660亿吨，约占全国储量的20%。

榆林市现有煤矿企业289个，2020年原煤产量5.1亿吨。煤炭资源的高值利用一直是榆林社会经济可持续发展的关键,1998年7月，榆林能源化工基地总体规划获原国家计委批准，陕北能源化工基地建设正式启动[4],2003年3月正式批准陕北国家级能源化工基地在榆林启动建设[4]。随着煤转电、煤转气、煤转油等多元化开发利用技术大幅提升，与之同时煤基固体废弃物排放量大幅攀升，对榆林地区的生态环境形成极大挑战，受到社会的高度关注。近些年来的煤气化渣、金属镁渣等规模呈现出快速增长的态势，逐渐成为榆林“煤、电、化、冶”产业高质量发展的“瓶颈”问题之一。

鉴于此，为了厘清榆林固体废弃物现状及研究进展，本文通过资料查阅、野外调研和统计分析相结合的研究方法，系统剖析榆林市五种典型固体废弃物即气化渣、电石渣、粉煤灰、金属镁渣、煤矸石的来源、现状、性质和主要应用途径，期望为大宗固体废弃物综合利用基地高质量建设与发展提供支撑。

1 榆林市固体废弃物现状

榆林市大宗工业固体废弃物主要来源于“煤、电、化、冶”四大行业，其中煤炭行业固体废弃物主要是煤矸石和煤泥；电力行业固体废弃物主要是粉煤灰和脱硫石膏；化工行业主要是煤化工过程的气化渣、电石渣；冶金行业主要是金属镁渣。据榆林市生态环境局统计，2019年全市工业固体废弃物产生量4 113.5万吨，较2018年的3 447.8万吨增加了665.7万吨，增长率19.30%。处置量2 125.9万吨，较2018年812.9万吨增加了1 313万吨，处置率为61.66%。图1是2019年度榆林市主要工业固体废弃物产生量。

图1 2019年度榆林市主要工业固体废弃物产生量Figure 1 Output of main industrial solid wastes in Yulin in 2019

由图1可以看出，榆林市工业固体废弃物排放量以煤矸石为主，占比53%，其次为粉煤灰占比17%，其他固体废弃物、炉渣以及冶炼废渣仅占比30%。图2是2011年以来榆林市主要工业固体废弃物排放量的变化。

图2 2011-2019年度榆林市主要固体废弃物产生量Figure 2 Production of main solid wastesin Yulin from 2011 to 2019

由图2可以看出，榆林市主要工业固体废弃物排放量均呈快速增长趋势，与2011年相比，2019年煤矸石产量增加了1 476.5万吨，增长率为289%。可见，榆林市固体废弃物呈现出类型多样、排放量大、增幅快的特点，逐渐成为“煤、电、化、冶”产业高质量发展中“卡脖子”的问题。

随着国家生态文明建设的快速推进，环保高质量发展的要求迫使工业固体废弃物的综合利用成为当前亟待解决的课题之一。固体废弃物的基本性质是后期综合利用的关键,分别对煤矸石、粉煤灰、电石渣、金属镁渣和煤气化渣进行分析。

1.1 煤矸石

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程与掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石[5-6]。目前榆林市所属的煤矸石SiO2含量较高，达到了66.18%，属于砂岩类煤矸石。A12O3含量波动为15%～40%，但在高岭土和铝质岩为主的煤矸石中可达40%以上。煤矸石中CaO含量一般很低，Fe2O3含量也低于10%。

2019年榆林市共产生煤矸石3 244.24万吨，利用量为860.63万吨，资源利用率为26.5%，主要处置方式以填沟造地、堆存为主，部分煤矸石用于生产建筑材料。目前煤矸石排放量逐年增加，但是处理方式仍处于产业链初级，利用深度不够，产品附加值低。因此，煤矸石的资源化利用向产业间融合共生、区域间协同发展模式推进，向高值、高效、规模化利用转变，变废为宝，循环利用。带动资源化利用水平提高的同时，也间接促进榆林市其他行业的发展。表1为典型煤矸石的主要化学成分含量[7]。

表1 典型煤矸石的主要化学成分含量(%)

1.2 电石渣

电石渣是由电石水解获取C2H2气后的以CaOH为主要成分的废渣。1吨电石加水可生成300多立方米乙炔气，同时生成10吨含固量约12%的工业废液，俗称电石渣浆[8]。电石渣中含量最多的为CaO，占比接近64%，此外还有CaS、Ca3N2、Ca3P2、Ca2Si等。

随着榆林市煤炭相关的产业迅速发展，固体废弃物种类也从传统的煤矸石、粉煤灰等拓展到气化渣、电石渣等。2019年榆林市共产生电石渣218.57万吨，利用量为190.46万吨，资源利用率达到了87.1%。电石渣主要用于生产水泥和脱硫剂。目前，基于本市已经处于环境保护的关键时期，电石渣的资源化利用，不但可以获得较好的经济效益，同时也能获得更多的环境和社会效益。电石渣主要成分含量如表3所示。

表3 电石渣主要成分含量

1.3 金属镁渣

金属镁渣是炼镁过程中排放的固体废弃物。其工艺流程是将白云石在回转窑中煅烧，然后经研磨成粉后与硅铁粉和萤石粉混合并制成球体，送入耐高温还原罐内，在还原罐内于1 500 ℃条件下还原制取粗镁，再经过溶剂精炼、铸锭、表面处理，即可得到镁锭，剩余的残渣就是镁渣[9]。2019年榆林市金属镁渣排放量309.15万吨，综合利用量为14.15万吨，资源利用率为4.5%，主要处置方式有堆存和填埋。镁渣新型资源化利用在本市规模化程度较低，镁渣新型资源化利用率还需极大提高。镁渣扫描电镜照片如图3所示，榆林市某企业镁渣成分分析如表4所示。

图3 镁渣扫描电镜照片Figure 3 SEM images of magnesium slag

表4 榆林市某企业镁渣成分分析表

1.4 粉煤灰

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废弃物。粉煤灰的主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉，其中90%以上为湿排灰，活性较干灰低，且费水费电，污染环境，也不利于综合利用[10-11]。据统计，粉煤灰在本地区内年产生量仅次于煤矸石，属于第二大类固体废弃物类型。2019年共产生808.49万吨，利用量164.46万吨，资源利用率6.1%，目前主要处置方式以填埋为主，部分生产建筑材料。榆林市神木县和府谷县是粉煤灰的主要产地,两县区2019年共产生粉煤灰619.46万吨，占榆林市粉煤灰产量的70%以上，因此粉煤灰等固体废弃物的区域化资源利用也极为迫切。粉煤灰扫描电镜照片如图4所示，粉煤灰主要化学成分含量如表5所示。

图4 粉煤灰扫描电镜照片Figure 4 SEM images of fly ash

表5 粉煤灰主要化学成分含量

1.5 气化渣

煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧生成CO与H2的过程中，煤中无机矿物质化学成分经过不同的物理化学转变伴随着煤中残留的碳颗粒形成的固态残渣，可分为粗渣和细渣两类。粗渣是在气化炉高温高压条件下经熔融、激冷、凝结等流程，由气化炉底部排出的渣类，粒径集中分布于(4～16)目，产生量约占总渣量70%～80%；细渣是气化炉顶部由气流携出并经初步洗涤净化，沉淀得到的渣类，粒径均小于16目，其中约三分之一小于200目[12-13]。气化渣中主要含有C、O、Al、Si、Ca、Fe等元素，其中C和O的含量较高，O元素主要以氧化物的形式存在，其中含量最高的氧化物为SiO2,占比高达50.59%,其余氧化物中Al2O3、Fe2O3、CaO的含量也较高[12]。

气化渣产生于煤气化工业,2019年度，榆林市共产生气化渣137.82万吨，利用量仅为8.38万吨。目前细渣主要用于锅炉，粗渣则主要以填埋为主，资源利用率6.1%。气化渣的资源化利用仍以堆存和填埋为主，缺乏核心技术和创新能力，综合利用产业规模较小，无法做到高附加值利用。5 000倍下气化粗渣与细渣扫描电镜照片如图5所示，榆林市某企业气化渣主要化学成分含量如表6所示。

图5 5 000倍下气化粗渣与细渣扫描电镜照片Figure 5 SEM images of gasification coarse slag and fine slag(5 000 times)

表6 榆林市某企业气化渣主要化学成分含量

2 榆林市固体废弃物资源化利用发展思考

2.1 大宗固体废弃物资源化利用发展的重要性

党的十八大以来，榆林市的经济发展取得了显著成绩，但随着国家对资源环境政策的调整及重视，强化环境治理体系和能力，调整能源结构，推进能源清洁低碳发展，发展科学、高效的大宗固体废弃物资源化利用途径和技术迫在眉睫。大宗固体废弃物的排放和处理成为制约榆林市绿色发展的重要原因之一。大宗固体废弃物资源化利用应坚持以“新发展理念”为引领，绿色低碳循环为前提，以资源利用“三高一规”为目标，即“高效、高质、高值、规模化”，促进大宗固体废弃物资源利用向高科技、高附加值、高智力型发展。大宗固体废弃物的资源化利用对提高榆林市城市绿色竞争力，深化国家“绿水青山就是金山银山”的生态文明思想，推进榆林市成为黄土高原生态文明示范区具有战略性意义。

2.2 大宗固体废弃物资源化利用发展的可行性

我国资源禀赋，能源结构复杂，能源产业仍处于长期发展阶段,未来大宗固体废弃物依旧面临产生强度高、利用不充分以及综合利用附加值低的严峻挑战。目前，我国针对大宗固体废弃物处置的主要途径有固体废弃物源头减量、资源化利用和无害化处理三个方面。根据榆林市煤化工产业发展现状及趋势，推动煤矸石、电石渣、镁渣、粉煤灰、气化渣等大宗固体废弃物的资源化利用是必由之路。

(1)煤矸石作为煤基固体废弃物本身具有较高的燃烧价值。利用其热值特性，曹小林[14]认为煤矸石可应用于发电燃料，降低火电厂对于煤炭资源的消耗量，达到节约不可再生资源的目的。煤矸石中SiO2和Al2O3含量较高，贾敏[15]认为,可利用煤矸石生产建筑材料，包括煤矸石制砖、代替黏土生产水泥、制备陶瓷和作混凝土轻骨料等。田莉等[16]认为,煤矸石具有容量大和蓄热能力强的特点,故可以使用活化后的煤矸石替代部分泥炭作为育苗基质。

(2)电石渣作为新型煤基固体废弃物，曾荣[17]、李宇栋[18]、石闯[19]认为可利用电石渣制作超细活性纳米碳酸钙及附属产品。此外，电石渣中含有较为丰富的钙化物、硫化物,邵丹娜等[20]、曹文博[21]以电石渣生产纯碱以及各种钙化物(氧化钙、氯化钙)制备脱硫剂和固硫剂。电石渣还可用作建筑材料制备，阳小东等[22]利用电石渣生产水泥、砌块等。

(3)镁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]以镁渣作为水泥混合材料配制镁渣硅酸盐水泥。镁渣具有良好的胶凝性能，冯硕等[24]利用镁渣制作新型墙体材料。镁渣还可用于新工艺材料制备，唐洋洋等[25]利用镁渣制作镁渣泡沫玻璃、钙镁硅复合肥、固化剂、胶凝材料、混凝土膨胀剂、陶粒支撑剂和多孔陶瓷滤球等。

(4)粉煤灰的新型资源化利用途径主要包括建筑、化工、环保与农业四个方面。建筑材料方面，雷瑞等[26]、吴韩[27]利用粉煤灰配制粉煤灰水泥、粉煤灰混凝土、粉煤灰烧结砖、粉煤灰砖砌块、粉煤灰陶粒和微晶玻璃等。化工材料方面，李颖颖等[28]将粉煤灰用于制备脱硫、脱硝制氢以及催化剂载体。环保方面，张金山等[29]利用粉煤灰合成沸石、提取氧化铝。农业应用方面，刘梦茹等[30]根据其性质发现粉煤灰可用于改良土壤性质、调节土壤酸碱度等。

(5)气化渣具有特殊的理化性质，比表面积大，孔隙结构分明。根据其性质，刘崇国等[31]利用气化渣替代骨料、制造生态水泥、制造新型砖、制造覆盖材料和建筑填料。气化渣中SiO2含量较高，史兆臣等[32]以气化细渣生产硅肥原料，制作土壤调理剂，可改善榆林市盐碱地问题。赵永彬等[33]利用气化渣性质烧结制备煤气化残渣基多孔陶瓷材料。刘娜等[34]通过研究利用气化渣与沙土复配后对苜蓿生长的影响，实现了气化渣的生态化和规模化利用。

3 结语及展望

针对固体废弃物的科学研究主要包括制作营养基质或吸附材料、用作建筑材料、金属元素的回收利用以及脱水脱碳资源化利用四个方面，其研究路径具有利用率低、成本高、规模化效应差的特点，因此工业固体废弃物的综合利用问题仍然是高度关注的课题。目前，以园区、基地为载体的大宗工业固体废弃物利用产业模式，在我国取得了显著的成效，未来集聚式发展、多元化布局将是榆林市大宗工业固体废弃物综合利用发展的主要模式。榆林市是我国新型的能源化工基地，呼包鄂榆城市群区域重要节点城市，具有重要的战略地位。针对固体废弃物综合利用问题，建议基于固体废弃物全产业链理念和资源化利用思路，在体制机制创新基础上，进一步探索工业固体废弃物处置无害化+消纳本地化相结合，低值规模化+高值精细化相结合，环境效应跟踪监测+综合利用装备系统研发相结合的综合利用思路和路径,期望为固体废弃物综合利用及大宗固体废弃物综合利用基地高质量建设与发展提供支撑。