北京市新技术新产品认定之烟气治理副产物及工业固废制备胶凝材料

一、背景

近日，2021年度第二批（总第十六批）北京市新技术新产品（服务）认定发布，中晶环境科技股份有限公司（以下简称“中晶环境”）高炉热风炉烟气固定床脱硫系统、高炉煤气精脱硫技术、烟气治理副产物及工业固废制备的胶凝材料荣获认定证书。北京市新技术新产品（服务）认定，是由北京市科学技术委员会、北京市发展和改革委员会等部门根据北京市委市政府发布的《北京市新技术新产品（服务）认定管理办法》要求，在北京市重点发展的战略性新兴产业中遴选出的技术先进、产权明晰、质量可靠、市场前景广阔的创新型产品（服务），目的是推动新技术新产品（服务）应用，提升全社会自主创新能力。中晶环境凭借烟气治理副产物及工业固废制备的胶凝材料技术的先进性与突破性，赢得了专家组的一致认可。

随着工业经济的快速发展，我国工业固体废弃物产生量持续增长，对环境的危害也日益加剧。据统计，2020年我国工业固体废物产生量达36.75亿吨，2021年我国工业固废产生量达38亿吨，2022年我国工业固废产生量将超40亿吨。因此，对工业固体废弃物的收集、处理和资源化利用成技术难题。在国家政策的扶持下，大宗固废的综合利用能力显著提升，固废的综合利用规模不断扩大。国家发改委等十部门发布《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，提出到2025年新增大宗固废综合利用率达到60%，意味着不仅要鼓励多固废协同利用，还需鼓励多产业协同利用，推进大宗固废综合利用产业与上游煤电、钢铁、有色、化工等产业协同发展，与下游建筑、建材、市政、交通、环境治理等产品应用领域深度融合。

与此同时，现在的硅酸盐水泥生产过程中需消耗大量能源、石灰石和黏土，每生产1吨硅酸盐水泥熟料约排放0.65-0.95吨CO2。中国水泥产量常年位居世界第一，约占全球产量的55%，碳排放量约为全国一年CO2排放的13%，占我国建材行业碳排放的80%以上。由此可见，水泥行业如何降低能源与资源消耗、减少CO2排放，是关乎国家碳达峰、碳中和战略成败的关键因素。为了减少水泥生产过程碳排放的问题，急需选择一种低碳、无二次污染（废渣）、可替换部分硅酸盐水泥熟料的辅助性胶凝材料成为重中之重。

二、烟气治理副产物及工业固废制备的胶凝材料

为了能够减少生产过程中CO2的排放和能源消耗，中晶环境利用大宗工业固废为基本原料自主研发出一整套具有自主知识产权的固废基胶晶粉 胶凝材料。

图1：晶粉 胶凝材料

晶粉 胶凝材料是一种能整合脱硫脱硝后形成的硫酸盐、硝酸盐和赤泥、电石渣、水渣、粉煤灰等工业固废的新型胶凝材料生产技术。基于硅、镁、铁、铝、硫、氮在特定比例与反应条件下，形成的一种具高强性质的胶凝材料。该技术从根本上突破了赤泥、电石渣固废不能持续、经济、循环处理的技术瓶颈，让烟气治理副产物与各种工业固废都能焕发出新的生命力，实现了固废资源的无害化处理、资源化利用及可持续性产出的目标，真正实现了“以废治废”。这是一种全新的环境治理范式，是先进技术理念与先进生产力的一次完美融合。

工艺原理：晶粉 胶凝材料的制备工艺简单，在生产过程中不使用不可再生的石灰石资源，不同于水泥“两磨一烧”的复杂工艺，没有利用燃煤的高温煅烧环节，可减少80%以上的CO2排放量，原材料及生产过程都符合低碳的目标。强度指标可达到80-100兆帕（28d)，最高可稳定在100兆帕，可根据后续的使用场景，不仅可生产对标普通硅酸盐水泥标号等级的产品，亦可生产5-40兆帕特定需求强度的产品。基于硅、铁、铝、钙等对应的物质在特定的比例与反应条件下，大宗工业固废中的分子物质释放出可溶性的活性物质，再进行解聚和缩聚反应，形成一种特殊的网络结构，进一步硬化成具有“早、强、快、硬”等性质的胶凝材料。

三、晶粉 胶凝材料技术主要创新型成果

中晶环境研发团队经过多年的潜心研发，在实验室和规模化生产中反复打磨研发出晶粉 胶凝材料，将烟气治理副产物与工业固废相结合，形成了一系列创新性成果，完成烟气、废水、固废一体化协同治理。

1. 无煅烧、低碳技术

中晶环境首创晶粉 胶凝材料，主要以粉煤灰、钢渣、电石渣、水渣、尾矿等工业固体废弃物为原料，其制备工艺简单，在生产过程中不使用石灰石资源，优化了水泥“两磨一烧”工艺，减少燃煤的高温煅烧环节，可有效地减少了CO2排放和降低能源消耗，大力推进水泥、建材等领域低碳技术全流程应用。

2. 早强快硬、力学性能好

晶粉 胶凝材料具有凝结硬化速度快，早期强度高的特点。采用改进工艺制备的晶粉材料，凝结硬化较快，3小时左右可以硬化；早期强度较高，1-3天抗压强度即可发挥80%以上，具有快硬水泥的特点；能够满足各种紧急、抢修工程的施工。

3. 良好的耐久性、热稳定性

由于其具有稳定的网络结构，晶粉可以完全避免其他胶凝材料因金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应，经受自然破坏的能力很强，具有良好的耐腐蚀性、渗透率低、耐冻融循环等性能。同时，晶粉也具有良好的热稳定性，本身是个氧化物网络结构体系，在1000 -1200 之间不氧化、不分解。耐火度可达1000 ，具有良好的防火性能，完全可满足防火阻燃的要求。

4. 原材料来源广

制备晶粉的原料都是大宗的工业固体废弃物，比如粉煤灰、矿渣、赤泥和建筑废弃物等，这些固废每年新增量大、堆存量大。实际生产时，可以结合当地的主要固废为主原料、辅之以周边其他种类固废。

5. 不产生二次固废

不同于利用单一固废提纯有价元素，或者改性制备其他材料，晶粉 胶凝材料可根据固废的品位不同生产相应品质的产品；对产品进行高中低的品质搭配。在对工艺不做大的调整的前提下，对固废最大限度地利用，使其资源化、产品化、商品化。对外部，不再产生残渣等二次固废，对固废做到“吃干榨尽”。

四、应用情况与效果

晶粉 胶凝材料可应用于各种工程的场景，如制备晶粉基混凝土、清水混凝土、生产装配式墙板、预制构件等。结合晶粉 胶凝材料的特点，中晶环境研发了如晶砖、晶板等系列实用、高值产品，可用于商用及民用建筑及装修，也可应用于各种矿洞（矿坑）回填，结合调质用的其他固废，获得符合回填要求的填充体。该技术已取得发明专利16项、实用新型专利2项，获“中国循环经济专利一等奖”、“北京市科学技术进步奖——三等奖”等奖项。

1. 晶砖、晶板等系列实用、高值产品

以晶粉 胶凝材料为原材料的晶砖、晶板等建材系列产品均已通过国家建筑材料质量检测中心的检验，强度高、密度小，防火性能达到A1级别，其还具有导热系数低、保温性能好、吸水率低等优点。和市场上的其他同类型建材产品相比，在成本和性能上具有很强的竞争优势，成本较水泥类产品低30%以上，抗压与抗折性能比水泥类产品高50%以上。

图2：晶砖产品展示

2. 矿山修复

中晶固废技术可利用开采矿石遗留的剥离表土、岩石碎块、低品位矿石、选出精矿后产生的尾矿等作为原料，辅之以其他常见的大宗工业固废，就地取材、因地制宜、变废为宝，生产固废基胶凝材料“晶粉”。晶粉 胶凝材料无需高温煅烧，可以替代传统的水泥，既可直接用于矿山的修复整治，也可作为产品应用于基建、建材制品等各领域。晶粉 胶凝材料技术的应用，符合我国“双碳”政策的要求，可为实现零碳治理乃至负碳治理作出应有的贡献。

图3：矿井开采可采用该技术进行回填

3. 矿井回填

晶粉 胶凝材料亦可在各类矿井回填过程中加以有效运用。以地下开采的矿井为例，可以采用少量常规“晶粉”替代传统熟料基胶凝剂，配比采矿尾砂形成回填用填充体；也可以按照“晶粉”生产原理，直接以尾矿作为基础原料，辅之以常见的大宗工业固废，就地生产满足要求的填充体。将尾砂大量充填于井下，减少尾砂排放等废弃物污染，对井下采空区起到良好的支撑作用，避免采空区围岩塌落，防止大量采空区对生态环境的破坏，从而使矿区地表得到切实有效的保护。中晶环境“晶粉”技术及“晶粉”的应用，可替代熟料基填充体，可有效降低回填成本，提高利用固废回填矿井的积极性。

图4：矿山开采可采用该技术进行修复

五、结语

在国家“双碳”战略驱动下，以工业固废为主要成分非煅烧的低碳胶凝材料替代普通硅酸盐水泥已成为助力水泥行业绿色低碳发展的新选择，相信该技术将会成水泥行业实现“双碳”战略的首选工艺技术。