工業副產石膏資源化利用生態環境技術發展報告

陳家偉，張仁亮

(1 江蘇一夫科技股份有限公司，江蘇 南京 211178；2 南京中電熊貓平板顯示科技有限公司，江蘇 南京 210033)

隨著我國磷肥、氯堿、發酵、鈣法脫硫等行業的快速發展，各類工業副產石膏產出量巨大，而國內現有處理技術和裝備轉化效率低、自動化水平低，處理量小，導致長期堆存造成的環境污染和安全問題日益嚴重，且成品性能低。同時，生態型高性能石膏膠凝材料作為一種基礎工業材料，在建筑、裝飾、增材制造、陶瓷模具、醫療等領域應用廣泛[1-2]。因此，開發以工業副產石膏為原料制備生態型高性能石膏膠凝材料的技術及成套裝備意義重大、市場廣闊。

1 本行業及專業領域總體概況

1.1 2018-2019年國內外相關法規、政策標準體系現狀

工業副產石膏資源化利用是“十三五”時期工業綠色發展的主要指標之一。2019年，國家發改委、工信部在《關于推進大宗固廢綜合利用產業聚集發展》中，將工業副產石膏列為固體廢棄物綜合利用的工作重點，“推廣脫硫石膏、磷石膏等工業副產石膏替代天然石膏的資源化利用，擴大副產石膏生產高強石膏粉、紙面石膏板等高附加值產品規模，鼓勵工業副產石膏綜合利用產業集約發展”。政策推動下，工業副產石膏的深加工產業必將得到長足發展。

目前全球對工業副產石膏利用總量較少，且90%都處于低端、低附加值利用，絕大部分用來生產石膏板、粉刷石膏，也有少量用來生產砌塊或作為填料等[3-4]。

隨著我國經濟和工業的高速發展，工業副產石膏增速很快，據中國建筑材料聯合會石膏建材分會發布的數據顯示：2018年我國工業副產石膏產生量約2.12億噸，綜合利用率僅為43.1%。其中，脫硫石膏約7300萬噸，綜合利用率約72.4%；磷石膏約7600萬噸，綜合利用率約39.7%；鈦石膏約2300萬噸，綜合利用率約10.0%；鹽石膏約1500萬噸，綜合利用率約4.3%；發酵石膏約800萬噸，綜合利用率約31.3%；氟石膏約200萬噸，綜合利用率約48.0%；其他副產石膏約1500萬噸，綜合利用率約13.3%。工業副產石膏的大面積堆積，占用并污染大量土地、嚴重破壞水土資源。工業副產石膏存在雜質高、成分不穩定等劣勢，導致用工業副產石膏替換天然石膏進行生產的積極性較低，技術相對滯后[5-7]。

高性能的石膏膠凝材料主要用于制備GRG高端裝飾、石膏基自流平砂漿、陶瓷模具等精細領域，需求量大、對石膏品質要求高(干燥強度需要達到50 MPa以上)。利用工業副產石膏制備高性能石膏膠凝材料，可在解決固廢堆積問題的同時，產生較大的經濟效益，符合可持續發展理念，產業前景廣闊，如圖1所示。

圖1 產業鏈示意圖

近兩年，國家、相關部門、行業協會以及地方政府出臺了一系列鼓勵政策以支持其未來發展，部分摘錄如表1所示。

表1 國家及相關部門產業政策一覽表

在國內標準體系建設方面，石膏行業從上游的原料、中間環節的生產設備及能耗、下游制品的相關標準都有涉及，標準品類齊全，標準更新速度較快。截至目前，石膏行業相關標準共計64件。其中國家標準18件，行業標準共計31件，團體標準29件。由于標準體系改革，鼓勵市場自主制定標準，增強市場活力，石膏行業團體標準的發展勢頭強勁。

1.2 2018-2019年國內工業副產石膏污染控制管理現狀

隨著國家在生態環境治理力度的持續加強，全國工業副產石膏主產區也陸續出臺了一系類政策法規，鼓勵支持工業副產石膏資源化利用技術的發展。

貴州省及貴陽市陸續出臺關于磷石膏綜合利用的相關政策及要求。2018年4月4日，貴州省人民政府辦公廳印發《貴州省關于加快磷石膏資源綜合利用的意見》(以下簡稱《意見》)。意見要求貴州省全面實施磷石膏“以用定產”，實現磷石膏產消平衡，爭取新增堆存量為零。自2019年，力爭實現磷石膏消大于產，且每年消納磷石膏量按照不低于10%的增速遞增，直至全省磷石膏堆存量全部消納完畢。到2020年，攻克一批不產生磷石膏的重大關鍵技術并盡快實現產業化，建成一批大規模、高附加值的磷石膏資源綜合利用示范項目，磷石膏資源綜合利用產業鏈基本形成，磷石膏資源綜合利用規模和水平大幅提升。2018年7月6日，為進一步落實貴州省關于磷石膏“以渣定產”決策部署，推進磷石膏資源綜合利用，貴陽市發布磷石膏資源綜合利用十條措施(2018-2020)(試行)。措施提出：設立貴陽市磷石膏資源綜合利用高新技術產業引導基金5億元；建立貴陽市磷石膏資源綜合利用產業扶持資金1.5億元；鼓勵社會資本投資磷石膏資源綜合利用新建或技改項目，并對項目提供資金獎勵；實施產品補貼、實施運輸補貼、鼓勵科技創新、實施品牌激勵、實施生產場所租用補貼等。

2018年4月14日，宜昌市政府辦公室發布《市人民政府辦公室關于印發宜昌市磷石膏綜合利用三年行動計劃(2018-2020年)的通知》(宜府辦發[2018]39號)、《市人民政府辦公室關于促進磷石膏綜合利用的意見》(宜府辦發[2018]40號)。通知要求用3年左右的時間，建成一批規模大、附加值高的磷石膏綜合利用產業化示范項目，研發一批具有自主知識產權的重大關鍵共性技術，培育壯大一批石膏綜合利用骨干企業。通知要求，到2020年，磷石膏產量比2019年下降15%，當年綜合利用率不低于65%，綜合利用約590萬噸磷石膏。宜昌市同時出臺相關鼓勵政策，宜昌市政府設立2000萬元化工產業磷石膏綜合利用補助資金，要求有工業副產石膏的縣市區給予配套資金支持。另外，宜昌市為支持企業加大磷石膏綜合利用，還提供加強生產要素保障、支持開拓市場，并落實稅收支持政策。

上述工業副產石膏尤其是磷石膏產量聚集區相關政策的出臺，勢必會加大工業副產石膏存量的消納速度，提高資源利用化水平和產品附加值。

2 本行業主要技術發展情況

2.1 磷石膏、鈦石膏、含高鈣廢水及含硫酸根廢水的綜合利用

磷石膏的年排放量達接近一億噸，但其綜合利用率仍不到40%。目前，絕大部分的磷石膏只是用作水泥緩凝劑、建筑石膏以及土壤改良劑等。鈦石膏的年排放量超過2000萬噸，而且原料含水量高，很難直接應用。由于鈦石膏粒徑小，而且鈦石膏中含有大量的鐵離子，更加大了鈦石膏綜合利用的難度。目前主要做減量化后堆存處置，采用的手段是采用壓濾機將鈦石膏進行壓縮，使其游離水含量降至20%以下。含高鈣廢水及含硫酸根廢水主要是通過合成結晶成二水硫酸鈣，再進行下一步應用，通過不同工藝制備成α高強石膏或者建筑石膏。

2.2 利用工業副產石膏制備高附加值制品研究

工業副產石膏由于自身經濟附加值低、來源廣、雜質多等問題，很難得到投資者的關注。但是天然石膏下游制品的附加值相對比較高，所以國內外許多科研人員開始采用工業副產石膏代替天然石膏作為原材料，制備高附加值產品，如α高強石膏、石膏晶須、超細石膏、晶須造紙、晶須代替石棉生產摩擦片、GRG纖維增強石膏、3D打印等產品。

α型半水石膏具有標準稠度需水量小、強度高等特點，可用于制作各種工業和醫用模型，又稱為模型石膏。隨著科學技術的迅速發展，近年來高強石膏應用領域日趨廣泛，已涉及航空、汽車、橡膠、塑料、船舶、鑄造、機械、醫用等多種領域，而且產品呈現系列化。α型高強石膏憑借其自身優越的性能和具有市場競爭力的價格，目前已在陶瓷模具、GRG、精密鑄造等領域獲得了廣泛的應用。另外，α型高強石膏作為一種優質的3D打印材料，借助3D打印技術，可打印出以α型高強石膏為主要建筑材料的洋房別墅。

石膏晶須是一種晶體結構和高強石膏截然相反的材料，其長徑比可達100：1，類似與植物纖維，目前石膏纖維可在多個方面取得應用，例如取代部分植物纖維在造紙行業中取得應用，還可以作為填料在剎車片中取得應用等，產品附加值很高。

2.3 工業副產石膏煅燒Ⅱ型無水石膏

由于工業副產石膏含有較多的雜質，將其通過較低溫度煅燒成建筑石膏粉，有害雜質還將留存在石膏粉中，在后期的使用過程中可能會產生危害。但是，通過中溫煅燒的方式，將其制備成Ⅱ型無水石膏，有害雜質在較高溫度下會分解，產品中有害雜質的含量會大量減少。而且Ⅱ型無水石膏比建筑石膏粉具有更加優越的物理、化學性能。工業副產石膏煅燒Ⅱ型無水石膏，是工業副產石膏大規模綜合利用的主要途徑之一，單套裝置產能可實現100萬噸/年，遠超建筑石膏粉生產裝置的單機產能。

2.4 利用工業副產石膏制備石膏基自流平砂漿

早在上世紀80年代，石膏基自流平砂漿在歐洲得到了廣泛的應用，尤其是在地暖施工領域。目前隨著我國建材行業施工機械化水平不斷提高和綠色住宅的需求，石膏基自流平砂漿已經得到了大規模的應用，該行業正在迅速擴張過程中。另外，利用工業副產石膏制備石膏基自流平砂漿也是大規模利用工業副產石膏的重要途徑之一。

3 本行業知識產權技術競爭力評價

根據佰騰專利檢索平臺檢索的數據，截至目前，石膏領域在全球范圍內共計有專利102225件，主要分布在歐美、亞洲和大洋洲等地區。中國共有相關專利61589件，有法律效力的專利數量為32229件，專利總量和有效專利數量均為第一位，緊隨其后的是日本和美國。

從專利所有權人來看，目前擁有專利量第一的是美國石膏集團，數量為4087件；我國北新集團股份有限公司排名第二，擁有專利數量為846件；日本吉野石膏株式會社擁有專利數量排名第三。

4 本行業下一步研發內容和主要技術突破

4.1 鈦石膏和磷石膏制備高性能膠凝材料

針對生產鈦白粉、磷肥等相關行業生產的工業副產石膏，研發出對其中含有復雜離子的除雜工藝，與轉晶工藝相匹配，從而制備強度更高、品質更穩定的石膏膠凝材料，同時最大程度降低生產成本。將實現磷石膏干燥強度達到55 MPa，鈦石膏干燥強度穩定在60 MPa左右。

4.2 提升生產裝備智能化水平

研發在線檢測分析系統，安裝于轉晶系統內部，在線觀察轉晶過程。解決實驗室分析步驟繁瑣、物料失真等問題，確保生產產品性能的穩定性和生產線條件控制的精確度。

4.3 石膏增白技術研發

研發石膏膠凝材料的增白技術，將脫硫石膏的白度從25%增白至90%以上，以滿足市場對石膏產品白度的需求，增加其附加值至1000元/噸，提高產品附加值。

4.4 建立完備的生產管理運營體系

建立原料成分組成與工藝條件的匹配體系，在已有技術基礎上有形成一整套工業副產石膏技術方案。完善設備功能，實現前端到終端完整的自動化處理過程，達到現有設備產能的2～4倍，提高設備穩定性，降低人工成本。

5 結 語

工業副產石膏資源化綜合利用與化工、環保、建材等學科領域密不可分。要從“化工-環保-建材”多學科交叉融合創新的角度，進行工業副產石膏預處理工藝、深加工工藝及裝備的研究與開發。在國家和地方政府相關政策的支持下，建立以環保和市場為導向的綠色技術創新體系，工業副產石膏一定會得到更好的綜合利用，產品附加值會進一步提高。