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当前版:09版:科技
发布日期:2021年10月08日
科技支撑 物尽其用

科研人员在实验室进行测试。

调试设备。

获取实验样品。

本报记者 张梅文/图

如何把煤炭“吃干榨净”?如何让钢铁废渣“物尽其用”?如何高效利用矿产资源?……这些看似普通的问题都是面向国家重大需求和经济主战场、提升资源利用效率、保障国家资源安全的大课题。

日前,记者走进西安建筑科技大学粉体工程研究所建材冶金工业循环经济工程技术协同创新中心,了解这里的科技工作者如何解决这些看似普通的大课题。

该中心组建于2012年,由西安建筑科技大学牵头,依托陕西循环经济工程技术院,协同陕西煤业化工集团有限责任公司等单位共同组建,旨在为区域传统工业转型升级和战略新兴产业发展提供关键共性技术、系列装备、高端人才培训及科技咨询服务。

与普通科研机构不同的是,该中心自成立以来就建立了高校同科研机构、企业深度合作的协同创新联盟,保持高度的产学研一体化。“中心的科研工作不以发文章为目标,只为服务产业发展和企业需求。中心一半以上员工都是工程技术人员。”西安建筑科技大学粉体工程研究所常务副所长、总工程师陈延信介绍。

把煤炭“吃干榨净”

煤炭是我国重要的能源基础和化工原料。煤炭资源在我国能源结构中具有重要的战略地位。但是,煤炭资源的利用仍存在转化率低、技术水平低、投资大、能耗高、排放多、污染重等问题。发展清洁高效的煤炭资源转化路线,不仅是煤炭产业转型升级的必然选择,也是我国建立清洁、低碳、安全、高效能源体系的重要途径。

2012年开始,西安建筑科技大学与陕西煤业化工技术研究院合作开发了输送床粉煤快速热解技术。“该技术原创性地集粉煤悬浮态快速预热、粉煤快速热解、焦粉高效冷却、余热回收于一体。我们希望从根本上解决粉煤热解过程中技术与装备存在的问题,使过程更简单、反应更高效、节能减排效果突出、更易于实现装置大型化。”陈延信介绍。

2020年9月,项目组成功实现粉煤快速热解成套工业化技术在万吨级工业化试验装置上满负荷连续稳定运行。热解技术可以使榆林地区典型低阶烟煤煤焦油产率达到16.5%,并得到性质优良的焦粉、焦油和产品气。其中,焦粉作为清洁、高热值燃料,可部分或全部替代无烟煤,用于型焦、发电、气化、喷吹等领域,突破了传统兰炭可磨指数低、磨机出力差、能耗大的瓶颈问题。焦油产量大,可提取酚、咔唑等化工产品,也可作为制芳烃、燃料油品、特种油品的原料。产品气可作为制液化天然气、甲醇等的燃料气,具有优良的社会效益和经济效益。

伴随着煤炭的开采,我国每年大约产生3亿吨的固体废物——煤矸石。据统计,我国煤矸石历史堆存量超过70亿吨,尚未得到有效利用,对环境影响严重。“我们对富铝的煤矸石进行高效活化后,作为非传统混合材料在水泥中应用,能够在替代水泥熟料20%至40%的情况下,不降低水泥的性能。”团队技术人员酒少武介绍,团队采用该技术对山西、安徽、辽宁等地的我国典型的富铝煤矸石进行处理,取得了良好的效果。

每燃烧3.5吨标准煤会产生1吨粉煤灰。粉煤灰可用于制备生态胶凝材料。针对粉煤灰的高效利用,团队开发出制备超细粉煤灰的高效粉磨系统,并系统研究了在制备生态胶凝材料过程中的一系列科学问题。

“超细粉磨有助于打破粉煤灰玻璃微珠的外壳,把内部包裹的纳米级甚至更细小的微珠释放出来,同时把其中的莫来石、石英等惰性微晶体均匀分散在胶凝材料中,大大改善胶凝材料的抗折强度。”陈延信介绍,经过实践证明,在波特兰水泥与混凝土体系中使用超细粉煤灰可以改善胶凝材料的力学性能,减少需水量,增强混凝土抗硫酸盐侵蚀、抗冻融和抗氯离子渗透的能力,提升混凝土的热使用性能。

因此,用超细粉煤灰替代硅灰制备高性能混凝土,不论是在技术方面,还是在经济效益方面,都有光明的前景。

钢铁废渣变“新材”

在工业生产中,废钢、冶金渣等工业废弃物的有效利用将大大提升资源利用效率。统计数据显示:2020年,我国利用废钢约2.6亿吨,相当于替代62%品位铁精矿约4.1亿吨;再生有色金属产量1450万吨,占国内10种有色金属总产量的23.5%,相当于减少开采原生金属矿产7.03亿吨。“十三五”期间,我国累计利用大宗固废超过130亿吨,规模接近全国同期水泥产量总和。

针对常规粉磨工艺将水淬高炉矿渣与水泥熟料共同粉磨导致水淬高炉矿渣粒度过大、胶凝活性难以有效发挥,传统球磨机装备粉磨能耗过高、粉磨效率低、噪音大、维护困难等问题,团队创造性地将高压立磨用于矿渣、钢渣微粉的制备,集成研发出集渣料烘干、高压辊式挤压粉磨、颗粒分级和气体与微粉分离为一体的先进水淬高炉矿渣超细制备工艺,形成年产30万吨、60万吨、100万吨、150万吨等不同规模的系列工艺。团队还研发出水淬高炉矿渣粉配制高性能胶凝材料的技术,有效提高了水淬高炉矿渣微粉在水泥、混凝土中的掺入量,改善了混凝土耐久性,实现了水淬高炉矿渣在建材工业大规模资源化利用。

与此同时,团队针对冶金钢渣亟待解决的大规模资源化问题,开发出集挤压粉磨、富铁矿物相与活性组分多级分选分离、气固相分离与净化除尘为一体的冶金工业钢渣超细粉体制备新工艺和装备,并与陕西钢铁集团、陕西生态水泥有限公司签署工业示范线建设协议。

“这些技术成果在国内32条不同规模的生产线上实现了应用,年利用冶金渣2400万吨,减排二氧化碳2160万吨,年节约标准煤240万吨。”陈延信介绍。

变废料为宝藏

我国高硫铝土矿(低品质矿)储量近30亿吨,约占我国铝土矿总储量的50%。然而,高硫铝土矿无法满足生产氧化铝对原料品质的要求,导致其基本处于废弃状态。针对这一问题,该团队创造性地提出采用悬浮态粉体物料热处理技术完成粉料的预热、快速反应与冷却过程的完整工艺方案。

陈延信介绍,在研究过程中,团队先后以贵州、重庆、河南等地硫含量为1.2%至4.2%的高硫铝土矿为原料,通过基础研究和小型试验,确定了工艺技术路线,构建并逐步优化了中试系统的工艺流程和设备参数。

“长时间的连续性验证试验显示,该工艺系统运行平稳,各项工艺参数稳定,反应速率快、热效率高,节能效果显著,基本实现了无人值守。”陈延信介绍。更为重要的是,通过焙烧后铝土矿的后续加工性能得到明显提升,原系统产能提高5%以上,对同样的原料氧化铝的溶出率提高1到3个百分点,经济效益显著。

2020年,项目团队与国家电投集团贵州遵义产业发展有限公司签署协议,建设了第一条焙烧脱硫系统的工业示范线,建设规模为年处理高硫铝土矿200万吨。今年8月,该示范线正式投产,生产线运行稳定,质量指标完全达到预期目标。“使用该技术工艺的百万吨级氧化铝生产线,每年可为企业带来超过5亿元的直接经济效益!”陈延信自豪地说。

此外,该团队还开发了难选铁矿悬浮态磁化焙烧工艺技术,技术集成后可以彻底解决低品位铁矿石的大规模利用问题,提升铁矿资源的利用水平。该工艺技术对陕西大西沟菱铁矿、新疆菱铁矿,以及河南黄金尾渣的试验研究均取得了较好的效果。目前,该项技术已具备工业化示范条件,适用于菱铁矿、赤褐铁矿、镜铁矿、工业高铁尾渣等难选矿的高效选铁。

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