探索资源环境和谐发展之路
邓杰 邓善芝
资源的综合利用,主要是指在矿产资源开采过程中对共生、伴生矿进行综合开发与合理利用;对生产过程中产生的废渣、废水(液)、废气、余热余压等进行回收和合理利用;对社会生产和消费过程中产生的各种废物进行回收和再生利用。
资源综合利用的重要性
矿产资源综合利用不仅是解决矿产资源短缺的重要途径,而且是实现矿业经济可持续发展战略目标的现实选择,对有效利用和合理保护自然资源起着积极的推动作用。矿产资源综合利用是矿产开发的一项重要政策,也是合理开发、保护环境、维护生态平衡的一种有效手段。在矿产资源综合利用过程中,倡导低碳经济不仅有利于缓解我国经济发展的资源约束矛盾,调整优化结构和转变经济发展方式,而且对于减少污染排放、改善环境质量具有重要意义。
1.矿产资源低碳开发
就我国有色金属工业来说,每年排出废石上亿吨、尾砂7000多万吨,占用大量土地;数亿吨废水只有少部分复用或处理达标后排放。有色金属材料生产过程的许多材料含有一定量的有毒金属,如汞、镉、钍等,产生的废弃物已成为环境污染的重要因素之一。有色金属采选回收率仅为50%~60%;矿产资源综合利用率达70%的矿山仅占7%,综合利用率达50%的矿山不到15%,75%的综合型矿山企业综合利用率不到2%~5%;选矿回水利用率65%~70%;尾矿综合利用率为20%左右;冶炼的资源综合利用率为40%~60%,许多共、伴生矿没有综合回收;工业水重复利用率为72.8%;固体废物资源综合利用率为7%~8%;SO2的利用率约70%左右,致使每年排放大气中的SO2高达50余万吨。因此在有色金属工业的采、选、冶、加工过程中,对尾矿及“三废”进行综合利用显得格外迫切。
2.再生资源回收利用
除开展矿产资源的综合利用之外,发展再生资源回收利用也是非常重要。
发展再生资源回收行业,可以节省采矿、冶炼、电解等工艺环节,大量减少污染排放和能源消耗,也是降低资源对外依存度、推动我国生态文明建设的必由之路。业内预计,到2020年末,我国再生资源回收行业整体产业链产值将达3万亿元。
资源综合利用的途径
综合利用固体废物生产的产品包括:利用煤矸石、铝钒石、硼尾矿粉、锅炉炉渣、冶炼废渣、化工废渣及其他固体废弃物生产建材产品、电瓷产品、肥料、土壤改良剂、净水剂、作物栽培剂;利用制糖废渣、滤泥、废糖蜜、淀粉废渣、造纸污泥等生产造纸原料、建材产品、酒精、饲料、肥料、赖氨酸、柠檬酸、核甘酸、木糖,碳化硅、饲料酵母,及多种有机糖类。
综合利用废水(液)生产的产品包括:利用化工、纺织、造纸工业废水、制盐液(苦卤)及硼酸废液,生产银、盐、锌、纤维、碱、羊毛脂、多种无机盐类、粘合剂、酒精、香兰素、饲料酵母、肥料、制冷剂、阻燃剂、燃料等;利用酿酒、酒精、制糖、制药、味精、柠檬酸、酵母废液生产饲料、食用醋、酶制剂、肥料、沼气,以及利用糠醛废液生产的醋酸钠;利用石油加工、化工生产中的废硫酸、废碱液、废氨水以及蒸馏或精馏釜残液,生产硫磺、硫酸、硫铵、氟化铵、芒硝、硫化钠、环烷酸、肥料,以及酸、碱、盐等无机化工产品和烃、醇、酚有机酸等有机化工产品。
再生资源生产的产品包括:回收生产和消费过程中产生的各种废旧金属、废旧轮胎、废旧塑料、废纸、废玻璃、废旧家用电器、废旧电脑及其他废电子产品 ,从中提取金属(包括稀贵金属)非金属和生产的产品;利用废棉、废棉布、废棉纱、废毛、废丝、废麻、废化纤、废旧聚酯瓶和纺织厂、服装厂边角料,生产造纸原料、纤维纱及织物、无纺布、毡、粘合剂、再生聚酯产品;利用废轮胎等废橡胶、废塑料生产的胶粉、再生胶、轮胎、防水材料、橡胶密封圈、塑料制品、建材产品、装饰材料、保温隔热材料;利用杂骨、皮边角料、毛发等生产骨粉、骨油、骨胶、明胶、胶囊、磷酸钙及蛋白饲料、氨基酸、再生革、生物化学制品。
城市矿产垃圾:放错地方的资源
据测算,每回收利用1万吨再生资源,可节约自然资源4.12万吨,节约煤1.4万吨,减少6万吨~10万吨垃圾处理量;每利用1万吨废钢铁,可炼钢8500吨,节约铁矿石2万吨,节能0.4万吨标煤,少产生1.2万吨废渣,减少86%的空气污染。
在“城市矿产”回收体系当中,垃圾分类处理是废弃资源再生回收利用中重要的一个环节。通过分类投放、分类收集,把有用物资,如纸张、塑料、橡胶、玻璃、瓶罐、金属以及废旧家用电器等从垃圾中分离出来回收利用,既提高垃圾资源利用水平,又可减少垃圾处置量。按照一般城市特点,我们将城市可能产生的垃圾进行分类,主要分为:动物尸体、人畜粪便、可回收垃圾、餐厨垃圾、有害垃圾和其他垃圾。
垃圾分类处理大致分为三个步骤:湿垃圾(有机垃圾)在有机垃圾加工利用厂被加工成有机肥或有机复合肥,用于绿化或农业施肥;干垃圾(无机垃圾)在生活垃圾分拣中心被进一步细化分类为废纸张、废塑料、废玻璃、废金属等可回收利用成分,再由相应的再生利用厂进行再生利用;有害垃圾在有害垃圾分拣处置站分拣,可回收利用物送去回收利用,残渣进行焚烧或安全填埋处理。
对垃圾进行分类收集,有以下诸多优点:
一是减少占地。生活垃圾中有些物质不易降解,使土地受到严重侵蚀。垃圾分类,去掉能回收的、不易降解的物质,能减少垃圾数量达60%以上。
二是减少环境污染。废弃的电池中含有金属汞、镉等有毒的物质,会对人类产生严重的危害;土壤中的废塑料会导致农作物减产;抛弃的废塑料被动物误食,会导致动物死亡。
三是变废为宝。中国每年使用塑料快餐盒达40亿个,方便面碗5亿~7亿个,一次性筷子数十亿支,这些占生活垃圾的8%~15%。1吨废塑料可回炼600公斤柴油。回收1500吨废纸可生产1200吨纸。1吨易拉罐熔化后,能炼结成1吨很好的铝块,可减少开采20吨铝矿。生产垃圾中有30%~40%可以回收利用,应珍惜这个本小利大的资源。
石墨,缘何脱颖而出?
曾小波 徐明
2008年,英国曼彻斯特大学两位学者因发明石墨烯材料获得诺贝尔奖,在全球引发“石墨热”;欧盟宣布石墨烯入选“未来新兴旗舰技术项目”,并设立专项研发计划;日本将石墨作为重要战略性矿产资源进行储备;美国将石墨列为高新技术产业的关键矿物原料,实行立法保护。2015年10月,习近平总书记考察访问英国莫彻斯特大学石墨烯重点实验室;2015年10月,华为与曼彻斯特大学石墨烯研究所签订石墨烯合作战略协议;2016年,《全国矿产资源规划》将晶质石墨列为我国战略性非金属矿产资源。
石墨烯晶体结构模型
石墨到底是一种什么样的资源,为什么会在众多矿产资源中“脱颖而出”?在中国经济面临新常态、产业转型升级的关键时期,晶质石墨资源开发及高科技利用将会带来怎样的机遇与挑战?
一、晶质石墨是什么
石墨,别称“石涅、石黑、石螺、石黛、画眉石”,是C元素的结晶矿物之一,素有“黑金子”的美称,呈钢灰色、黑灰色,具半金属光泽,有滑感,易污手。
石墨分为天然石墨和人造石墨,天然石墨可分为晶质石墨和隐晶质石墨。晶质石墨特别是大鳞片晶质石墨是高端石墨产品的重要原料,工业价值较大。
中国石墨矿产分布及生产加工基地示意图
二、晶质石墨的战略地位
1.晶质石墨的性质
晶质石墨具有金属和非金属两种特性,同时是碳结晶矿物,具有优异的导电、导热、自润滑、耐高低温、高化学稳定性、密封、抗辐射及可塑性型强等特点,使其在光学、微电子、热力学等方面具有独特的优异性能。
2.晶质石墨的主要产品
耐火材料:鳞片石墨大量应用于冶金工业中的石墨坩埚和镁碳砖生产等。
高纯石墨:高纯石墨材料要求C≥99.9% ,用于核能、半导体等高新技术产业的材料,则要求C≥99.99 %。
铸造工业用石墨:用石墨作铸模涂料,增加铸件的光滑度,减少铸件的裂纹和孔隙。对石墨原料的要求一般粒度0.074mm,含碳70%~80%。
柔性石墨:具有较高的化学稳定性、耐高低温、耐腐蚀、耐辐射、导电、导热、安全无毒,且具有良好的柔韧性、自粘性和润滑性,广泛应用于石油、化工、冶金等领域。
胶体石墨:拉丝用石墨乳粒度小于10μm,含碳98%~99%;模锻用石墨乳呈鳞片状,含碳要求在80%~99%以上,粒度+0.15μm。
锂离子电池负极材料:目前成熟应用的主要是碳石墨材料,是电子、新能源汽车等新兴产业的关键性材料。
各向同性石墨材料:是核能、半导体、电火花加工等高新技术产业发展急需的高端石墨产品,大量用于单晶硅、多晶硅等半导体材料的制造设备。
电气工业用石墨:利用石墨制作电极、电刷、碳棒、碳管、阳极板、石墨垫圈等。对石墨原料的要求为粒度43μm,含碳94%~97%。
石墨烯:是目前发现的最薄最轻、硬度最高、韧性最强、导热性和导电性最好的纳米材料,被誉为“21世纪的新材料之王”。
3.晶质石墨的战略地位
晶质石墨是多种工业必需的关键性原料:在航空航天方面,用于制造远程导弹或者航天火箭推进器的材料、宇宙航行设备的零部件等;在国防军工方面,用于制造新型潜艇的轴承,生产国防用高纯石墨、火药、石墨炸弹、隐形飞机和导弹的鼻锥等;在化工方面,用于制作热交换器、反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、泵等设备,用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业;在电子方面,用来作电极、电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件、电视机显像管的涂层、电磁屏蔽的导电塑料等;在新能源汽车方面,可用于锂离子电池负极材料;在核能工业,高密度的高纯石墨和氟化石墨,用作核反应堆中子减速剂和防原子辐射的外壳;在光伏产业,石墨烯是一种较好的储氢材料,用于制作大比电容的超级电容,提高锂电池的充放电效率,石墨烯也是太阳能电池较好的备选材料。
晶质石墨将带动新能源、新材料等领域的技术革命。石墨烯将带来诸多工业革命性的技术进步,是未来科技竞争的核心。计算机及互联网领域的技术革命:石墨烯芯片的主频可达1000GHz,是普通晶硅电脑芯片的数百倍;通信领域的技术革命:石墨烯制成的天线以1000GHz的频率正常工作,远超目前常规的天线;新能源工业技术进步:石墨烯制成的超级电容器,充电时间只需1 毫秒,新能源汽车电池有望充电10分钟,连续开行1000公里;国防军工:石墨烯强度比钢强200倍,是现有测试材料中轻度最强的,这将带来武器工业的技术革命。
4.晶质石墨的需求
未来,传统领域石墨需求保持稳定,新兴产业石墨需求将快速增长,需求增长集中在晶质石墨。据中国地质调查局预测,2020年晶质石墨需求将达到95万吨,新兴产业需求占比将超过45%,其中,新能源和新能源汽车领域需求约23万吨,核电领域需求约14万吨,高端制造和电子信息等领域需求10万吨以上。预测到2030年,晶质石墨需求将达到135万吨,新兴产业需求占比将进一步提高。
三、晶质石墨产业发展机遇与挑战
1.我国石墨资源丰富,资源保障程度高。
据美国地质调查局(USGS)统计,2017年,全球石墨储量2.7亿吨,80%集中分布于土耳其、巴西和中国。矿石种类上,晶质石墨主要分布在中国、乌克兰、斯里兰卡、马达加斯加、巴西等国;隐晶质石墨矿床主要分布于土耳其、印度、韩国、墨西哥、奥地利、中国等地。多数国家只产出某一类型石墨,中国是少数几个石墨资源种类齐全的国家之一。
中国石墨资源丰富,总保有量长期位居世界前列,其中晶质石墨资源量约2.6 亿吨。晶质石墨以大、中型矿居多,占矿产地总数的70%,全国晶质石墨保有矿物储量约88%集中分布于大型矿中。目前,我国已形成六大石墨生产加工基地,产量占全国的80%以上,其中晶质石墨主要产地有黑龙江鸡西、黑龙江萝北、山东平度、内蒙古兴和等;隐晶质石墨主要产地有湖南郴州、吉林磐石等。
2.晶质石墨深加工技术相对落后,尚未成为资源强国。
长期以来,我国晶质石墨深加工技术相对落后,大量出口低附加值产品,高端深加工产品主要依赖进口,开发利用粗放。
石墨产品一般分为高纯石墨(固定碳含量>99.9%)、高碳石墨(94%~99%)、中碳石墨(80%~93%)和低碳石墨(50%~79%)四大类,国内企业主要生产低碳、中碳石墨产品,高碳和高纯石墨产品较少。球化石墨、柔性石墨和氟化石墨等深加工产品占比有限,深加工技术相对落后。出口的石墨产品80%为初加工产品,同类产品进出口价格相差悬殊,如球化石墨进口价格是出口价格的两倍以上。
石墨矿石中含有大量的杂质矿物,晶质石墨矿石的品位较低,一般为3%~15%,但可浮性很好。在选矿过程中,需采用多段磨矿多段选别,通过筛分或水力旋流器分级,及时将已解离的大鳞片石墨分离出来,避免受到反复磨损。
我国中小型采选企业数量多,生产规模小而散,技术设备落后,采富弃贫、采易弃难等现象突出,晶质石墨利用率仅为40%,资源浪费严重。
四、结语
晶质石墨不仅应用于耐火材料、电极电刷、铅笔、铸造、密封、润滑等传统工业领域,更是高端装备制造、新能源、新材料等战略性新兴产业及核电领域的关键资源,被誉为“21世纪支撑高新技术发展的战略资源”,素有“黑金”美誉。随着技术发展和应用领域的不断拓展,晶质石墨资源的战略地位越来越受到重视。
我国是世界石墨资源大国,第一大石墨生产国、出口国和消费国,但长期以来石墨加工技术落后,大量出口低附加值产品, 高端深加工产品主要依赖进口,资源优势未能转化为技术和经济优势。未来,随着我国石墨资源战略地位凸显,科学利用和保护天然石墨资源,开发深加工技术和发展高端产品,将成为石墨产业发展的必然趋势。