分享 | 加快煤矸石建筑材料发展的产业化研究

1引言

众所周知，我国仍然是煤炭生产和消费大国。随着绿色、可持续发展理念的深化与落实，占工业固体废弃物总量达40%的煤矸石综合利用问题，持续得到行业和社会的关注。当前，从贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享发展理念的高度，着力推进供给侧结构性改革，加快实施以节能减排为能效特征的绿色建材、新型墙材与建筑全产业链协同发展，已势在必行，且刻不容缓。煤矸石建筑材料未来的发展方向是什么？如何加快煤矸石建筑材料产业化发展？该聚焦哪些先进产业环节，包括技术、市场、产品开发和资源整合？本研究基于目前国内外煤矸石综合利用产业发展现状及发展趋势，为企业、行业和政府提供煤矸石建筑材料产业化问题的研究和政策建议。

2煤矸石利用现状分析

2.1国外研究现状

发达国家非常重视新材料的基础理论研究和工程技术研究，如美国NSF（国家科学基金会）在过去的8年里，持续支持了25所美国大学进行材料科学研究。

2.2我国研究现状

40年来,为了推动煤矸石的综合利用，我国先后出台了《全国煤矸石、石煤综合利用经验交流会议纪要》《煤矸石综合利用管理办法》《煤矸石综合利用技术政策要点》《煤矸石分类》《煤矸石利用技术导则》等政令政策，颁布了《环境保护法》《循环经济促进法》《煤炭法》《清洁生产促进法》《固体废物污染环境防治法》《循环经济促进法》等法律法规，取得了卓有成效的进展。

（1）推广了一批产业转型的实用技术。例如鄂尔多斯以工业固废制高档陶瓷砖和煤矸石井下绿色填充开采技术；承德以工业尾矿生产蒸压灰砂砖、加气块和干混砂浆；朔州研发了高铝耐火砖；攀枝花实现钒钛磁铁矿尾矿的高效选矿、深度回收利用技术等。

（2）成就了一批关键共性的高值产品。例如承德某公司利用金、钼、萤石、硅砂、单一磁铁矿尾矿制备微晶装饰板材、微晶发泡陶瓷和微晶耐磨材料。

（3）破译了一批元素提取的基础研究。如昆明理工大学与企业合作开发煤系固体废弃物综合利用项目，年可处理煤矸石5000t。煤矸石中的铝、硅、铁、钛、镁等有价元素提取后，废渣再被制成玻璃。

（4）启动了一批低碳发展的样板工程。例如博大亚太环保科技（乌海）有限公司总投资15亿元，综合利用煤矸石年产25.5万t岩棉制品及副产20万t甲醇；晋煤集团投入10亿环保资金，对27个矿井、7家化工、2家电力等企业进行污水处理和超低排放的设施改造（提标改造）；台泥贵港厂斥巨资，同时对4条6000t/d熟料生产线实施技术改造，使水泥窑协同处置危废、污泥分别高达30万t和3万t。

（5）树立了一批创新驱动的国内标杆。例如朔州市打造全国一流工业固废综合利用示范基地，贵州破解煤矸石再利用难题和棋盘井低碳循环经济示范区，实现了由传统的矸石材料加工行业向环保、高技术含量的新能源产业的成功转型，拓展了固废煤矸石材料产业结构调整及升级之路，有望实现“无废城市”的愿景。

3煤矸石建筑材料发展趋势

3.1原状利用

建材领域原状利用煤矸石主要是用来烧制标准砖、空心砖和轻质隔墙板等新型墙材，以及作为水泥混合材，充当原、燃料等，前者适合非自燃煤矸石，后者适合自燃煤矸石。煤矸石烧结砖仍有发展空间，但是应向产品质量和功能提升发力，例如发展高档空心砖制品、发展地聚物水泥制品、海绵城市建设所需的透水砖等新产品。原状利用煤矸石的优点是无需对煤矸石进行过多加工，节省资金和能源；缺点是生产过程中的活性表现不够好。如当以煤矸石充当混合材或混凝土掺合料时，对煤矸石进行活化激发、深加工，可以制备性能良好的建筑材料。

3.2活化加工

活化煤矸石是进一步深加工的关键技术，可充分利用煤矸石内部的可燃成分，包括利用自燃部分消耗剩下的残余碳，借助循环流化床技术，使煤矸石得以充分活化。再加上前序的机械破碎或粉磨，使得煤矸石能够在机械和热力双重活化作用下，达到后续深加工的指标和性能要求。如果能量达不到活化要求，可以补充太阳能、风能等可再生能源，避免再添加煤炭煅烧，污染环境。在加工活化过程中，对于脱硫、脱销和脱汞等环保技术，可以同样利用可再生能源来作为辅助能源。环保方面可参考加拿大相关企业的技术，不会产生二次污染。

3.3产品链接

在煤矸石活化基础上，利用可再生能源生产轻质陶粒和高强陶粒，制作墙体保温材料或结构材料，如梁板柱等结构材料，满足建筑节能和发展轻质高强建筑材料的需求。煤矸石活化材料还可以进一步生产高性能混凝土，以及泡沫玻璃或泡沫陶瓷等高档建筑部品和部件，还有交通基础设施、地下管廊和海绵城市建设所需的制品和构件。利用煤矸石活化基础材料，可以方便地生产地聚物水泥和混凝土，其具有抗高温、耐腐蚀、长寿命等普通硅酸盐水泥所不具备的优点，将在地下管廊、隧道工程、耐火工程、机场跑道、海工材料、新型墙材和耐腐蚀工程等领域，显示出巨大的优越性和市场需求空间。

4煤矸石产业的目标任务和重要环节

煤矸石产业的总体目标应参照其他建材产业“十三五”至“十四五”规划，到2025年，力争在基础研究、应用研究领域取得重大突破，在 核心技术、拓展发展领域、提升竞争实力方面取得重大突破，提高煤矸石建筑材料、煤矸石新型墙材企业的环保利废水平，培育核心企业。煤矸石建材产业的主要任务应集中在：基础性理论研究和工业性应用研究，关键制备技术的研发和攻关，减排技术装备及产品的研发等方面。开发高附加值煤矸石建筑材料产品，为被动房、装配式建筑配套新型墙材、新型保温装饰材料等。在先进性材料领域，对矸石基多孔泡沫陶瓷体进行攻关。

4.1基础研究

以泡沫陶瓷制品为例，我国的基础研究远远落后。泡沫陶瓷是具有高气孔率的多孔陶瓷体，造型犹如瓷化海绵体，具有气孔率高、比表面积大、耐高温、抗热震、耐化学腐蚀，以及良好的机械强度和过滤吸附性能，可广泛应用于热交换材料、隔热隔声材料、净化冶金工业过滤熔融态金属、轻工喷涂行业、工业污水处理等领域。目前，该领域亟待协同攻关的技术难题有：材料脆性问题；对材料孔径大小、形状分布等的精确控制方法；将孔结构与力学性能相联系的有效模型；多孔泡沫制备中溶剂提取法的简化；合成催化剂的活性和尺寸选择性；材料的大规模生产系统；连续的生产工艺及生产成本高等。在基础研究上要集中投入，有先进的技术才能有先进的产品。

4.2资源对接

在重视综合利用的同时，首先应侧重于大宗利用，在大宗利用的基础上，再结合综合利用的策略全面实施，制定切实可行的方案。对建筑建材行业消耗的资源进行梳理，粗略估计，在建设高峰期的总建材消耗约为150多亿t。建材行业如此巨大的物质消耗能力，要消纳每年几十亿吨的废弃物应该是没问题的，大宗利用非建材行业莫属。

下面简要介绍其中的重点产品。

（1）非黏土古建砖瓦：采用煤矸石煅烧、活化后形成的活性高岭土，替代黏土制造砖瓦，利用煅烧煤矸石产生的热量烧出古建砖瓦，适应各地建筑的文化特色需求。

（2）多孔泡沫陶瓷体：以煤矸石生产陶瓷材料，其中的多孔陶瓷在多领域广泛应用，制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的多孔泡沫陶瓷体受到各国重视。

（3）高强轻质隔墙板：高强、轻质、防火、隔声、保温、防潮、可钉挂、抗震耐久等，适用于装配式住宅等。

（4）夹芯保温外墙产品：以两块隔墙板中间夹保温材料，组成三明治结构，为装配式建筑提供保温与结构一体的预制墙板，保温隔热，是住宅产业化和推广节能建筑的首选产品。

（5）透水砖：具有透水、防滑、抗压、吸声、降噪、耐磨、融雪等特性，广泛用于广场、城市道路、车站等场所，缓解城市热岛效应，改善城市水循环，是建设海绵城市必不可少的材料。

笔者强调三点：一是利用煤矸石活化材料为基材，可以为装配式建筑、被动房和基础设施建设等提供系列产品，是产业升级换代，也是未来建筑建材行业战略转型的重要方向之一，市场潜力巨大；二是要彻底改善我国的生态环境，没有建筑建材产业的协同努力，没有墙材革新与建筑节能的系统工程，将是不可能的事情；三是建筑、建材业为密不分的两大支柱产业，必须责无旁贷地肩负起我国生态环境治理、修复的历史责任和重担。

5煤矸石利用的问题和政策建议

5.1突出问题

以国家煤炭基地之一的某市于2018年2月初所反映的煤矸石综合利用问题为例，总结几大问题：

（1）堆存分类少、再生费用高。热值达3766kJ/kg的煤矸石基本作为燃料，提供给煤矸石电厂利用。该市红砖产能约6亿块标砖，市场半径为20～30km。煤矸石砖厂基本全部停产，因为需要脱硫、除尘，成本和价格高，是黏土砖的2～3倍。

（2）综合利用低、协同处置差。该市每年煤矸石产生量约为1300万t，利用量约为200万t，利用率在15%左右，煤矸石治理投资占1/3，主要以填埋为主。

（3）产业规模小、研发能力弱。地方企业的煤矸石产量为400万t/年（其余是国企或央企），研发能力较弱。

（4）遗留问题多、政策落地难。煤企中小型居多，很多没有征收环境税，允许排矸场容量约为3年，目前堆存的煤矸石约有3亿t。

从以上案例可以看出，煤炭产区的煤矸石利用率很低，历年堆积量已经十分巨大。观察案例，可发现主管部门存在两方面的问题，一方面在基础研发上，对矸石材料的结构研究，包括性能、清洁生产技术等基础理论和相关主流产品的开发方面欠缺支持力度；另一方面，在限制黏土砖等低端产品，以及资源综合利用税收产品目录对工业固废综合利用的新产品、新工艺的覆盖面上，扶持力度不足。

5.2政策建议

（1）因地制宜

基于不同地区、不同工矿及其区域内资源综合利用水平参差不齐的现状，要从实际出发，按照因地因矿制宜的技术路径实现差异化发展。一是针对技术发展比较全面的固废种类，实施不同的发展水平和发展层次的差异化发展路径，充分发挥技术优势，开发出新产品、新技术；二是针对某一项关键核心技术的研发及产业化实施差异化发展路径，对具备产业化条件的核心关键技术，充分推动其产业化发展，对尚不成熟的核心关键技术加大研发力度、组织突破；三是针对核心关键技术布局差异化的工程项目，突出区域特色，全面推进区域固废资源综合利用产业的发展。

（2）系统工程

要加快煤矸石综合利用产业的发展，务必多管齐下和总体部署。应立足国内煤矸石资源和现有固废产业基础，坚持低碳发展，认真贯彻国家煤矸石综合利用管理办法，树立起全民“善待资源，综合利用”的理念，将可持续生态环保战略目标落到实处。通过引入政策激励机制，动员、调动各类社会资源和力量，千方百计抓大扶新，以企业需求为牵引、以集成应用带动系统研发，切忌各自为战、重复建设与盲目引进；要切实加强本产业及其产业链的产业联盟，尤其是其资（知）产的合理配置与整合，强化其技术组织、分工与集成，努力实现先进装备国产化和在核心技术上的重大突破；要因地制宜、运用系统工程方法，全面推进我国先进煤矸石建筑材料技术产业发展。

（3）具体政策建议

强化法规保障：建议工信部牵头，联合有关部门完善工业资源综合利用法律法规体系，进一步加快工业固体废物综合利用的立法进程，逐步建立完善工业园区、重点行业、重点企业工业固体废物综合利用指标及评价考核体系。加大财税支持：建议各级财政和有关部门的各类专项资金向工业固废综合利用方面倾斜，用于支持工业固废综合利用技术研发、产品推广、设备改造、清洁生产项目建设。完善产业政策：工业固体废物不宜套用原生矿产资源的产能规模和技术经济指标，应该从实际出发，实行差别化的政策；在产业政策及行业准入条件上，建议调整并制定专门的行业准则和政策、技术门槛，试行符合实情的产业政策及准入条件。侧重科技创新：建议国家从政策倾向和资金安排上，对基础研究、 技术及推广应用给予支持，加快推广先进适用技术，实现产业化应用。建立标准体系：瞄准国际先进水平，立足自主技术，健全煤矸石材料标准体系、技术规范、检测方法和认证机制；加快制定先进煤矸石材料产品标准，积极参与煤矸石材料国际标准制定，加快国外先进标准向国内标准的转化；加强煤矸石材料品牌建设和知识产权保护。