非金属产业循环经济发展进程述评

[摘 要] 本文从能耗减量化、副产品和废弃物综合利用、生态产业链三个方面详细综述非金属产业循环经济的发展进程,得出非金属产业需要从产业高度构建生态产业链,加强产业内行业耦合性。通过对非金属发展进程的述评,旨在探索非金属产业发展循环经济的经验与不足,为我国非金属产业的可持续发展提供参考。

[关键词] 非金属产业 循环经济 发展进程

非金属产业是以非金属矿为开采、加工对象的产业,主要包括非金属原料类和燃料类产业。其中煤炭业、磷化工业、水泥业是具有代表性的行业。非金属产业作为社会经济体系中的重要组成部分,支撑着我国国民经济发展。然而,非金属产业属于高耗能、高污染、高排放产业。因此,非金属产业循环经济的发展影响着我国循环经济的整体发展水平。研究非金属产业循环经济发展进程,探索非金属产业发展循环经济的可供借鉴的经验,思考今后非金属产业的可持续发展方向和趋势,对非金属产业甚至国民经济的发展意义重大。

一、降低能耗方面的进程

降低非金属产业加工、生产过程中的能源消耗量,不仅符合循环经济3R原则中的“减量化”原则,而且对于建设节约型社会、维护我国能源安全意义重大。在循环经济理念的指导下,我国非金属产业节能工作取得重大进步。

1.煤炭行业降低能耗方面的进程

煤炭是一种自然资源,同时也是我国的支柱能源。煤炭行业最初以煤炭资源作为唯一的消耗性能源,在循环经济的实践中,煤炭企业积极探索使用新能源,如水力发电、煤层气与焦炉煤气发电、沼气发电、生物质能发电等。据统计,2006年纳入中国炼焦行业协会重点统计的焦化企业,焦化工序能耗比上年同期下降15千克标准煤/吨,同比下降10.64%;

煤炭行业还从改进生产技术、优化产品结构等方面着手,降低煤炭业能耗,取得了一定的成果。其主要成果如下:

(1)大力发展节能技术,减少煤炭消耗。推广高效燃烧设备、先进的燃烧技术和系统;更新改造工业窑炉、锅炉及其他燃煤设备(如采取分层加煤、燃烧型煤、加装烟气净化装置等);开发、生产先进的中小型燃煤锅炉换代产品,逐步淘汰现有技术及落后装备;减少技术落后的中小型锅炉数量、变分散供热为集中供热。节能技术的推广使用实现物料循环利用,减少了进入生产环节的物质、能量消耗。

(2)通过产品深加工,提高能源利用边际效益,减少一次性煤炭、原煤的燃烧利用。原煤的燃烧利用率低,但其在一次能源生产和消费结构中均占70%以上。针对这种能源浪费现象,煤炭行业积极开展原煤深加工,通过煤炭的气化与液化,开发使用二次高效能源。

(3)能源梯级利用。能源梯级利用是能源合理利用的一种方式,它要求不管是一次能源还是余能资源,均按其品位逐级加以利用,可以提高整个系统的能源利用效率,是节能的重要措施。能量梯级利用技术和热电联产、热电煤气联供的推广,大大提高了供热系统的效率。

2.水泥行业降低能耗方面的进程

以“矿业+窑业”为特征的水泥业属资源、能源消耗型行业。水泥行业主要以石灰石、黏土、硅岩以及氧化铁为主要原料,以天然化石燃料(煤、油、天然气)作为主要燃料[1]。按照我国现有的水泥生产工艺水平计算,每生产一吨水泥,平均综合能耗约120千克标准煤,高于世界先进水平50%。其每年总能耗已超过l亿吨标准煤。行业的特殊性使得水泥行业在原料替代、燃料替代、余热发电、废弃物处理等方面节能减排潜力巨大。目前在循环经济理论的指导下,水泥业不断开展创新,在其降低能耗方面取得了如下进步:

(1)大力开发利用各种替代燃料。水泥厂将废塑料、废木材、污泥等废弃物作为热能源加以利用,不但节约了煤炭使用量,还消减了温室气体的产生量。目前水泥行业消纳的废弃物在全国固体废弃物利用总量中超过80%。

(2)水泥生产工艺的不断创新大大减少了能量消耗。水泥生产的过程实际上就是“二磨一烧”,也就是生料磨,水泥磨,熟料烧成。在生料磨方面,使用粉磨效率高、耗电少的立式磨逐渐取代粉磨效率低、耗电量大的球磨机,可节能减排5%至7%。而在水泥磨方面,加装一个辊压机可较单独的球磨机系统节约能耗6%至10%;水泥企业纷纷上马新型干法旋窑,用国际先进的技术水平来促进水泥工业节约能源和资源。到2010年,新型干法水泥比重达到70%以上,日产4000吨以上大型新型干法水泥生产线技术经济指标,达到吨水泥综合电耗小于95KWH、熟料热耗小于740千卡/千克;采用供热机组集中供热,不仅可减少向大气排放烟尘,并且集中供热可节约大量燃料。

(3)余热发电技术已成为水泥业降低能耗的一大亮点。余热发电技术可以实现水泥企业对外界电能的零消耗。熟料烧成会产生大量余热,建设余热发电系统,即可节能30%至45%。国务院在发展循环经济电视电话会议明确提出,水泥行业现有日产2000吨以上和新建的新型干法水泥生产线,要安装或建设低温余热发电设备。

3. 磷化工行业降低能耗方面的进程

化工行业的耗能大约占全国能源消耗的10%左右,每年电耗约占全国用电的17%左右。磷化工业作为一种重要的化工行业,其产品能耗相当高,例如每吨黄磷电耗在13500～15000 kW•h,消耗焦炭(或白煤) 1.8～2.0t。以循环经济模式发展磷化工业,不但改善环境,而且回收大量能量,相应降低了磷化工总能耗。

主要成果有:(1)磷化工行业通过“拆小改大”,淘汰落后的、能耗高的小黄磷电炉;(2)采用三相七极等炉型以及数字化专家智能控制系统等技术、黄磷电炉智能化节电技术,对黄磷生产全方位实行计算机控制;(3)开发磷酸余热回收装置,利用磷酸生产的余热替代燃煤锅炉向生产装置供汽等一系列措施,使其生产过程中能耗大大降低。

二、副产品综合利用、三废处理进程

副产品是指在主要产品的生产过程中附带生产出来的非主要产品,即制造某种物品时附带产生的物品,也叫副产物。三废指废水、废气、废渣。废水包括生活污水、工业废水和初雨径流入排水管渠等其它无用水,一般指没有利用或没利用价值的水。废气包括粉尘、烟、雾、蒸气等,主要有工业废气、有机废气等。废渣指人类生产和生活过程中排出或投弃的固体、液体废弃物,按其来源可以分为工业废渣、农业废渣和城市生活垃圾等。

随着循环经济理论和实践的发展,非金属产业副产品、三废的利用经历了末端治理阶段、清洁生产阶段、零排放生产阶段三个不同阶段。末端治理阶段强调在生产过程的末端采取措施治理污染,其具体做法是“先污染,后治理”。对生产过程,清洁生产要求从生产的源头和全过程充分利用资源,节约原材料和能源,淘汰有毒原材料,削减所有废物的数量和毒性,使每个生产企业在生产过程中废物最小化、资源化、无害化;对产品,清洁生产要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响。零排放则意味着在企业清洁生产的基础上,使上游企业的废物成为下游企业的原料,不断延长生产链条,实现区域或企业群的资源最有效利用,废物产生量最小,甚至零排放。

1. 煤炭行业副产品综合利用、三废处理进程

煤炭开采过程会产生大量的煤炭伴生矿产资源如高岭土(岩)、膨润土、油母页岩、蒙脱石、石膏、硫铁矿、硅藻土、耐火粘土等。

煤炭行业生产中排放大量的废水、废气和废渣。煤矿每年排放的大量废气多为烟尘、瓦斯、二氧化硫、二氧化氮、硫化氢、一氧化碳和氨气等,他们严重危害着矿区的大气环境。矿井废渣主要是矸石、粉煤灰,另外还有少量的一些炉渣和生活垃圾。矿井废水主要是矿井生产所排废水,一般呈酸性。目前我国煤矿开采积存的煤矸石超过30亿t,我国每年因矿山生产而产生的废水、废液总量约占全国工业废水排放总量的10%以上,处理率仅为4. 23%。在废气排放方面,仅煤炭工业废气排放量每年达4000亿m3。

最初的末端治理阶段,煤炭企业不够重视对副产品的综合利用,不能将其资源优势转化为经济优势。生产排出的废水、废气只是得到简单的处理,高昂的治理成本和高难度的治理使得煤炭业三废的处理收效甚微。

清洁生产阶段,煤炭企业为了更有效的利用资源、减少环境污染,积极探索推行清洁生产的主要途径。如根据资源赋存条件选择合理的开采方法和生产工艺,提高煤炭资源的采出率和产品的质量,减少煤炭资源的浪费;减少井下岩石巷道的掘进量,采用煤巷布置,减少矸石的产生量;推广采用成熟可靠的特采工艺,减轻延缓地表塌陷技术;推行空气污染防治工程等。

在清洁生产的基础上,我国煤炭企业积极寻找废弃物的再利用途径,努力做到废弃物的零排放。煤泥、煤矸石的最好利用途径是用来发电,还可以通过回填和发展建材等途径利用煤泥、煤矸石。粉煤灰可以用来改良土壤、淤地造田、填坑造地,用作混凝土的掺合料制空心烧结砖、水泥等。SO2 可以作为硫酸工业的原料。新型脱硫技术既可以减少烟气中SO2污染,同时将脱硫过程实现为硫酸生产的原料准备过程。国务院在发展循环经济电视电话会议明确提出所有新建燃煤发电机组同步安装并运行脱硫设施,已建燃煤发电机组在2015年以前全部完成脱硫改造。煤炭加工中产生的高纯度煤气的主要成分是CO 和H2 ,不但可以作为能源,用作城市生活煤气的供应、发电,也可以作为化工原料来合成氨、制备甲醇等。瓦斯资源可以用来发电或作民用燃料。经过简单处理,矿井水就可用于煤矿生产用水,主要包括矿井开采及原煤洗选用水。

2. 水泥行业副产品综合利用、三废处理进程

水泥工业是污染大户。据资料显示,全国2003年排放粉尘557万吨,二氧化硫108万吨,氮氧化物88万吨,二氧化碳4.49亿吨,水泥生产中还会产生大量的废水。

目前水泥厂清洁生产的重点是水泥窑清洁煅烧。要做到清洁生产,首先,要采用易燃原料。用易烧的工业废渣和岩矿代替黏土做水泥原料,根据物料易烧程度配煤,以能够烧到高温形成结构理想的硅酸盐矿物为佳。第二,改进煅烧方法,关键是供氧充分、里外烧透。在立窑上烧水泥则要成小料球;料球小,动态时不易破碎、热态时不易破裂,入窑后通风顺畅、阻力小;从边部烧到球心的时间,与物料通过高温带的时间相配,从外到里的煅烧时间缩短、容易烧透,减少过烧、实现快速烧成。第三,高效利用窑灰,重视环保。窑的收尘是个重点,收尘系统应是立窑的辅助设备,不仅要收尘和消烟,还要有辅助立窑发挥煅烧能力的作用。

水泥工业“四零一负”战略中提到水泥企业可以完全实现废料、废渣、废水的零排放,实现水泥工业和生态环境和谐共存以及水泥企业对其周围生态环境零污染。该战略已成为水泥工业的发展方向。

3.磷化工行业副产品综合利用、三废处理进程

我国磷矿资源特点是中低品位磷矿较多,因此合理利用中低品位磷矿对我国磷化工可持续发展意义重大。而中低品位磷矿品位低,伴生杂质高。因此需要合理高效利用磷矿伴生物。磷矿伴生资源主要有氟资源、稀土氧化物、碘资源、砷资源等。

磷矿中含有3%的氟元素,在湿法磷酸、过磷酸钙的生产过程中,氟将会以HF和SiF 的形式逸出。目前,磷化工行业对氟元素仅进行简单的加工处理,水洗生产氟硅酸进而加工价值极低的氟硅酸盐。应加大对磷化工生产中氟资源回收和利用技术的研究,如可以采用湿法磷酸氟回收制氟化铝,制无水氟化氢进而发展制氟烃。磷矿中伴生的稀土氧化物,是今后一个重要的稀土资源。结合磷矿的浮选、湿法磷酸的生产综合开发磷矿中稀土资源回收是延长我国稀土资源使用年限的重要出路之一。碘资源回收技术对加强磷矿中伴生碘资源的综合利用至关重要。例如,宏福公司与贵州大学合作开发磷矿石伴生碘资源回收技术,并成立联合研发中心,已建成年产5吨的碘回收中试装置并生产出合格产品,现正在建设的年产100吨碘回收工业化装置,将以碘为基础,开发众多的系列产品,可创产值10亿元。为我国开发利用碘资源提供了借鉴。

磷化工在生产过程中产生的废气主要有一氧化碳、二氧化硫、二氧化碳、氟化氢、四氟化硅、磷化氢、硫化氢等,还会产生一些粉尘。磷化工企业中的工业锅炉燃煤和制造磷肥所用原料硫酸的生产是产生SO2的主要来源。磷化工在加工生产中都要产生大量的含有磷、氟、硫、氯、砷、碱、铀等有毒有害物质的废水。每采选1t磷矿要排放含有磷、氟等物质的废水2t左右。磷化工生产中产生的固体废物主要有矿山尾矿、废石;黄磷生产排出的磷渣、碎矿、粉矿、磷泥、磷铁;湿法磷酸生产中产生的磷石膏;硫酸生产中排出的硫铁矿渣、钙镁磷肥高炉灰渣等。其中,每生产1t黄磷副产磷渣10t左右。

黄磷尾气中有热源和一氧化碳等,其中含量约占90%的一氧化碳是极好的燃料,而且是重要的合成气和有机化工原料,可以用来生产目前国内外市场需求量较大的甲酸钠、甲酸、草酸、甲醇、聚甲醛、醋酸、乙酸、甲酸甲酯、碳酸二甲酯等高附加值的化学品,从而拓展产品链;而CO燃烧所产生的热能也可以作为磷化工生产中的热源。此外还可以利用黄磷尾气联合发电。目前国内外对于磷石膏的利用途径主要有:作为石膏粉体材料和建筑材料等;作为造纸和油毡生产的填充剂;制硫酸联产水泥(如中国山东鲁北化工集团等);回收硫并联产筑路材料;制硫酸铵和碳酸钙;制硫酸钾;作为土壤改良剂;深加工回收钙、磷等。

总而言之,磷化工作为高能耗、高资源消耗、重污染的行业,其生产中的环境保护和三废处理利用对磷化工的可持续发展至关重要。欧洲、美国通过关停部分磷化工的生产装置,使其磷肥和黄磷的生产能力显著下降,大大减轻了其对环境污染的压力。我国目前主要是从规范行业发展,并采取边生产边治理的方法来逐步解决磷化工生产中的环境保护和三废处理利用问题。

三、生态产业链建设进程

生态产业链是指某一区域范围内的企业模仿自然生态系统中的生产者、消费者和分解者,以资源(原料、副产品、信息、资金、人才)为纽带形成的具有产业衔接关系的企业联盟,实现资源在区域范围内的循环流动。研究非金属生态产业链的发展进程,不仅符合循环经济3R原则中的“RECYCLE”原则,还对非金属产业整体的发展产生了变革式的影响。非金属生态产业链的规划需要遵循生态学规律,符合可持续发展思想。一方面随着产业链的延伸,不断提高资源深加工程度,产品价值不断提高。另一方面要综合利用资源,寻找废弃物、伴生物的再利用途径,构建其再利用链条,从而减少废弃物的排放。随着非金属生态产业链理论研究和实践的深入,非金属生态产业链由单一、简单转向复杂,演化成产品价值增值链。非金属不同行业之间生态产业链开始出现交叉与偶合。

1.煤炭行业生态产业链

煤炭行业生态产业链主要有煤电产业链、煤化工产业链以及煤矸石建材产业链。具体来讲,以煤炭资源为基础的价值纵向延伸方式有:①原煤洗选中煤中煤发电;②原煤洗精煤配比(汽煤、肥煤、焦煤配比) 焦化焦炭、焦油、粗苯、煤气煤化工;③ 原煤煤炭液化煤化工;④ 原煤煤炭气化煤气煤化工;⑤ 原煤发电高能耗产业;⑥ 原煤发电;⑦ 煤炭物流;⑧煤矸石建材一体化产业。

煤炭企业可根据实际情况,进行科学预测和充分论证,在实施过程中,可结合矿区特点进行生态产业链的有机组合,最终确定具有经营特色和市场竞争力的产业链延伸方式。

2.水泥行业生态产业链

(1)煤电焦化水泥建材循环经济产业链

整个产业链以煤矿建设为基础,原煤经洗选加工后,精煤用于炼焦,中煤、矸石用于发电。焦炉煤气转化为合成氨,作为生产化肥、钾盐产品所需的上游原料。电厂产生的炉渣、粉煤灰与石灰石资源结合,生产高标号的优质低碱水泥。电厂为整个项目生产提供电能,产生的余热除满足生产系统需求外,还可解决当地集中供热问题。

(2)煤电冶炼矿渣水泥联产。

水泥厂可消纳电厂的粉煤灰用作混合材以及冶炼厂的废渣(赤泥)用作原料。

(3)硫酸磷肥水泥联产。

水泥窑将磷石膏分解成S02和CaO,前者送到硫酸厂制成了硫酸,后者则烧成水泥熟料,实现硫元素的循环利用。

3.磷化工行业生态产业链

在循环经济理论的指导下,我国磷化工行业生态产业链已由最初的“矿一肥”结合路线延伸为“矿一肥+盐”的模式,逐渐形成以肥为基础,以精细磷化工发展方向的发展趋势。目前其主要生态产业链如下:

(1)产品生产链:

①黄磷(黄磷尾气为燃料)五钠、六偏、次磷酸钠;六偏三偏磷酸钠、偏磷酸钾、牙膏级磷酸氢钙等精细磷产品;

②矿石加工磷酸磷复肥,磷酸精制磷酸盐,黄磷磷酸磷酸盐精细磷酸盐专用磷酸盐

该产业链可以同时与氯碱、其他一些有机和无机化工产业综合配套,形成产业链的有效和有序的延伸、交错和扩张,从而组成综合性的化工产业链。

(2)废弃物利用产业链:

①磷石膏硫酸水泥

磷石膏联产水泥和硫酸的技术是将磷石膏高温分解,所得二氧化硫用于生产硫酸,CaO用于生产水泥。山东鲁北集团总公司建成了世界上最大的磷石膏一硫酸一水泥联产装置,即150 kt/a磷酸铵,200 kt/a磷石膏制硫酸联产300 kt/a水泥的生产线。整个生产过程无三废排出,资源得到高效循环利用,形成一个功能完善的生态产业链。

②磷渣水泥;磷泥黄磷、次磷酸钠残渣、磷化氢亚磷酸、磷阻燃剂亚磷酸酯增塑剂;氢气(烧碱装置副产)过氧化氢;氯化钠(草甘膦生产中的副产品)氯碱烧碱甲酸氯气三氯化磷和盐酸草甘膦。

四、评述

虽然非金属产业循环经济的发展取得了很大成就,能耗初步实现了减量化、副产品以及废弃物也得到了一定程度的综合利用、基本形成了一定规模的生态产业链。但非金属产业内行业耦合性能差。今后需要从产业的高度来规划发展循环经济,把非金属产业打造成资源再利用产业,加强煤炭、水泥、磷化工不同行业的关联度和行业耦合性,打造产业内不同行业产业链。总而言之,非金属产业要依据循环经济理论来指导其发展,加快非金属产品深加工进程,提高资源利用效率,积极探索非金属产业循环经济的发展模式,走可持续发展道路。

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