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中国非金属矿行业新一代技术装备创新研发攻关行动方案

来源:中国建筑材料联合会 中国非金属矿工业协会  撰稿人:  发布时间:2020年04月01日 浏览:
摘要:

【中国建筑材料联合会 中国非金属矿工业协会】非金属矿工业作为中国经济和建材工业的重要组成部分,担当着国民经济和社会五分PK10的重要使命。

中国非金属矿行业新一代技术装备创新研发攻关行动方案

一.非金属矿行业国内外技术装备五分PK10现状及趋势

  非金属矿工业作为中国经济和建材工业的重要组成部分,担当着国民经济和社会五分PK10的重要使命。

  近十年来,我国非金属矿产业得到较快五分PK10。产量稳定增长,产品类别增多,应用领域不断拓展;产业区域集群加快,产业集约化结构有所优化;新技术新装备创新加快,行业技术水平不断提升;绿色矿山建设初见成效,生态环境开始改善;安全环保措施严格实施,资源集约化水平有所提高;行业管理不断加强,引导企业高质量五分PK10;国家支持新材料产业,矿物功能材料成为五分PK10重点。

  我国非金属矿行业技术装备研发取得了一系列成果。研究开发出一批非金属矿新工艺、新技术、新设备、新仪器,主要有无尾矿深加工技术、石墨短流程浮选工艺、干法选择性粉碎及提纯技术、石墨低温煅烧纯化技术及装备,大尺寸超导磁选技术与装备、光电色选机、超细粉体磨分设备等200多项;农药载体新材料、光伏大发排列3高纯石英材料、天然石墨烯材料、硅藻土环保涂料、电子级球状硅微粉材料、石墨储能材料、凹凸棒、膨润土、海泡石工业废水废气净化材料等一批非金属矿深加工产品和新材料500多种。新技术新装备、新产品新材料的创新研发和推广应用,缩小了我国非金属矿产业与国际先进水平的差距,较好的推动了我国非金属矿产业的升级换代和矿物功能材料新兴产业五分PK10。

  但是,我国非金属矿产业五分PK10总体还呈粗放型,环境污染较严重、资源利用率偏低、先进釆选技术有待突破;低端原辅材料产品产能过剩、矿物功能材料开发应用迟缓、矿物功能材料产业全面五分PK10与重点突破目标不明确;行业科技创新总体实力不强、领军人才、创新平台少,创新要素不完善、目标碎片化、研发层次不清晰;以企业为主体的技术创新能力和条件薄弱,技术创新动能不足;产业缺乏重大原创性成果,难以引领带动产业爆发式增长;行业检测与标准化一分快三有待加强、行业团体标准体系尚未建立等一系列问题。

  国外非金属矿行业的技术研发和应用,主要在跨国企业和集团的主导下以应用市场需求为牵引,以“先进开釆加工技术、生产过程智能化控制、产品系列化高值化”全产业链技术研发为目标,强化“机理基础研究、产业技术研究和应用研究”一体化研究,高度重视标准制定、专利保护。密切关注非金属矿及材料在未来经济社会五分PK10中的应用,瞄准今后10-20年非金属矿物功能材料新的应用领域及产品和技术装备的开发研究,形成了“生产一批、研发一批、探索一批”的技术研发格局,持续巩固和强化其在非金属矿领域的技术及产品的垄断地位。

  国内外非金属矿行业的技术装备创新研发的总体趋势和要求是明确的,目标是提高资源高效利用率,优化开采加工的工艺技术流程,提升生产过程智能化水平,重视矿物结构等基础研究和新产品新材料应用及评价研究,持续开发新产品新用途,研发规模化、数字化、智能化、专用化的成套技术与装备,以及安全、环保、质量的标准化,促进产业绿色五分PK10。

二. 新一代技术装备创新研发攻关的目的和作用

  我国经济五分PK10正在进入高质量五分PK10的战略机遇期,高技术和新材料是21世纪技术和产业革命的重大标志。“生物医药、环境治理、电子信息、绿色建材、新能源”等高新技术及其产业五分PK10与非金属矿及其功能材料五分PK10密切相关,支撑着国家重大战略和关健需求。实施“创新提升,超越引领”战略,开展新一代技术装备创新研发攻关,攻克制约矿物功能材料产业五分PK10的技术装备的关键瓶颈,是加快从原料工业向材料工业的转型步伐,引领和推动非金属矿产业高质量五分PK10,实现从追赶到超越目标,使我国成为世界一流非金属矿強国的关键举措。

(一)实现非金属矿产业绿色五分PK10

  矿业开发绿色五分PK10是实现党中央提出的打好“污染防治”三大攻坚战的关键举措,是当前我国非金属矿业五分PK10的重大要求和任务。通过新一代技术装备创新攻关,研发绿色矿山及绿色工厂建设的数字化智能化;基于大数据的矿物分类分级开采及应用;短流程选矿节能环保加工;难提纯矿物高纯度锻烧纯化;尾矿全组份复配高效利用;开采加工工艺技术流程优化等一系列关键技术,大大提升资源的开采率、高效和综合利用率,提高产业智能化水平,实现我国非矿产业绿色五分PK10,有效保障我国战略与优势非金属矿资源的安全。

(二)支撑国家战略和市场的重大需求

  加快开发“牲畜饲料替抗材料”、“农田土壤改良、难垦土地治理材料”、“辐射烧伤无痕修复材料”、“快速凝血止血产品”、“黏土矿物靶向药物载体材料”、“绿色建材功能化矿物填料”、“大规模集成电路用高纯球状硅微粉新材料”等新产品新材料,大力五分PK10战略性新兴产业、高新技术产业配套的矿物功能材料,支撑国家战略和市场的重大需求,彻底扭转部分关键技术与材料国外公司卡脖子的局面。

(三)引领和推进行业技术装备创新一分快三

  围绕“重点矿种、重点领域、重点技术、重点产品”,加强顶层设计,重视矿物结构等基础理论研究和新材料应用及评价研究,发明重大原创性成果,研发规模化、数字化、智能化、专用化的成套技术与装备,创新“基础研究、产业技术研究和应用技术研究”的责任和利益共享机制,以《非金属矿产业技术五分PK10路线图》为指引,分步实施非矿技术装备创新的近中远期任务和目标,引领和推进行业技术创新一分快三的连续性、针对性、有效性。

(四)支撑产业转型升级、实现超越引领五分PK10的关键举措

  新一代技术装备创新研发攻关以关系国计民生的重大领域和领先技术装备为突破口,支撑石墨、萤石、石英、黏土矿等优势重点矿种产业升级,培育壮大一批大型骨干企业集团,发挥“超越引领”示范带头作用,开创非金属矿行业走出一条中国特色的“引领五分PK10、创新五分PK10、绿色五分PK10、持续五分PK10”新路子。

三.新一代技术装备创新攻关目标和任务

(一)总体目标

  通过新一代非金属矿行业技术装备创新研发攻关行动,充分发挥“国家非金属矿物功能材料产业联盟”的组织和纽带作用,在已有国家、省市及企业技术研究中心的基础上,联合行业内外骨干企业搭建具有“产学研用”创新特色的平台和队伍,针对新一代技术装备创新攻关目标和任务,在“石墨、萤石、黏土矿物、石英、硅灰石、滑石”等我国优势重点矿种和“农村农业、环境治理、绿色建材、新能源、生物医药”领域开展技术装备材料创新,实施重点突破攻关行动,力争用3年左右的时间,攻克一批共性关键工艺技术、创造一批关键装备仪器、开发一批重要矿物功能材料产品,培育壮大一批企业集团,实现我国的非金属矿产业赶超国际先进水平的目标。

(二)主要任务

  非金属矿行业新一代技术装备创新攻关要坚持“市场需求牵引、重点突破导向、把握共性关键、重构研发平台、完善创新机制”的原则。攻关项目选择具有跨越性的共性关键技术,实现赶超国际先进水平;具有较好的前期一分快三基础,实施期内达到预期的目标;具有较好的市场应用前景,支撑国家重大需求,具有显示度和导向性,推动和引导行业技术装备创新。通过第一批技术装备、新材料创新研发项目(由协会组织中国科学院兰州化学物理研究所、国家非金属矿深加工工程技术研究中心、武汉理工大学、丹东百特仪器有限公司、中南大学、湖南湘潭海泡石科技公司、合肥学院、浙江大学等单位提出),重点突破“数字化开釆技术、智加化加工技术装备、典型矿物功能材料”,解决“优势资源高效开釆与分级利用、特殊结构矿物加工与制备、生产全过程在线监测与智能控制、典型医药环保材料制备及应用机理”的产业全链条工艺技术装备仪器等重点卡脖子难题,实现行业关键技术装备重大突破,为中国非金属矿产业迈进世界一流提供支持。

(三)新一代(2020-2023)非矿行业技术裝备创新研发的重点项目和内容

  1.新一代数字化开采工艺技术

  1-1基于地勘大数据的黏土类矿物分类精細开采技术与应用研究

  黏土类矿物开釆加工在我国非金属矿采选业中占比最高。目前我国各类型黏土类矿种的开发利用,缺乏各类产品对原料差异的要求,缺少“分质勘探、分类开采、分级利用、高效开发”的先进技术,形成“乱釆、乱挖、乱用”的资源开发局面,造成我国黏土类优质矿产资源的极大浪费。国际上黏土类矿物拥有国则已开发出了“环境治理、生物医药”等2000余种产品并广泛用途,使黏土矿物的应用领域涉及工农业生产和人类活动的各个领域。

  本项目围绕黏土类矿物“分类开采、分级利用”的核心目标——

  (1)研究黏土类多源异构地勘数据库的构建方法;

  (2)分析不同产品(市场)需求下的黏土类矿物露天精細化开采工艺;

  (3)评估已开采资源、备采资源价值的动态变化规律;

  (4)探究基于地勘大数据以及开采现状条件下黏土类矿物的找矿方向;

  (5)针对不同用途及品质黏土类矿物的赋存特点、开采条件,开展黏土矿物虛拟开采、高效开发仿真实验;

  (6)形成黏土类矿物“分质勘探、分类开采、分级利用”的标准与规范。

  项目对提升我国黏土类矿物的资源开发和综合利用水平,保障我国资源供给安全具有重要经济、环境和社会效益。项目成果达到国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①回采率提升10%,贫化率降低10%;

  ②编制《黏土类矿物分类开采、分級利用指南》;

  ③建立2-3个黏土类矿物分类开采、分级利用示范点。

  2.新一代智能化加工技术装备

  2-1高纯石墨高温连续提纯炉研发

  高纯石墨是指碳含量大于99.99%的石墨,需利用天然石墨深加工而成,具有电阻系数小、导电性能好、机械强度高、抗热震性能好、耐高温等优点和特性,不仅可以制备新能源汽车电极材料、锂电池负极材料、高性能密封材料、耐磨润滑材料、航空航天特种材料、核电材料等,也是制备石墨烯的重要原料。日本、美国等发达国家掌控着这一先进技术装备。

  本项目要解决高纯石墨传统酸碱法、氢氟酸法等工艺方法污染大、质量差、纯度低的难题,研究在隔氧条件將石墨原料加热到2800-3000℃,利用石墨耐高溫(熔点3625℃),使杂质元素(硅、铝、镁、铁)气化,通入工业气体将杂质气体帶出,从而起到石墨纯化度>99.99以上。项目将填补我国超高溫石墨连续提纯技术和裝备的空白,打破了西方国家对我国禁控。项目成果具有国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①最高设计溫度2600℃;

  ②产品固定碳含量≥99.99%;

  ③产品产量1kg/h;

  ④吨品的电耗量6500-7000kW·h。

  2-2超細粉体智能化成套生产技术与装备研发

  我国是非金属矿物粉体生产大国,产量居世界前列。本项目以《中国制造2025》的“智能制造工程、绿色制造工程和高端装备创新工程”为宗旨,以国家重点支持的高新技术领域的“节能与环保用新型无机非金属材料制造技术”和“清洁生产、绿色制造关键技术”为核心,开展非金属矿物材料高值化制备及其智能控制生产线工程技术研发,解决矿物功能粉体材料产业在五分PK10中缺乏系统性智能制造技术带来的五分PK10瓶颈。

  本项目实现我国非金属矿物材料高值化制备过程与智能控制等关键技术的系统集成创新,建立从原料到产品的全链条智能生产工厂。实现非金属矿物“从原材料-粗加工-深加工-材料加工”的整个生产过程的蜕变,突破被国际巨头企业垄断的多功能性复合粉体材料如人造石、透气膜、母料行业等高端制造业应用的技术瓶颈,迈出国内非金属矿物粉体产业进军国际高端应用领域的步伐,为国内功能性复合粉体材料智能制造提供技术支撑。

  项目以通过原故高值化精細分析技术、加工过程的在线检测与控制技术、包裝储存过程的智能控制技术,和生产(车间)系統智能控制集成技术,实现超細粉体加工的智能制造、绿色制造和高品质制造。项目成果填补国內空白,具有国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①原矿智能处理:除杂率达到≥95%,处理后的矿料总色差在≤0.5,固废利用率98%以上,固废排放(道路填埋)占石总量的0.1%以下,水分在2%以下(国际先进水平)。

  ②高值化碳酸鈣产品智能制备:产品细度:适应d97=5-23μm产品的生产,粒度分布窄;产量:d97=10μm产品,≥7.2t/h;d97=23μm产品,≥12t/h;吨产品电耗:d97=10μm產品,≤126kWh/t;d97=23μm產品,≤56kWh/t;产品细度指标d100、d97、d50值波动控制在5-10%,2μm含量值波动控制在≤5%。

  ③成品智能(在线)检测、包裝与储运完成产品智能化在线检测系统,d100、d97值误差控制在≤0.1%,智能化包裝系统3套以上,智能码垛系统。包裝效率提高80%以上,码垛效率提高一倍以上。

  ④完成系統智能控制集成及其产业化应用:生产效率提高25%以上;运营成本降低20以上%;产品研制周期缩短30%以上;产品不良品率降低25%以上;能源利用率提高15%。

  2-3物联网在线激光粒度粒形,监测与控制系统项目

  我国是世界粉体材料的生产大国,但不是粉体材料生产强国。要由大变强,粉体生产过程在线粒度监测与控制技术是一项关键技术。同时,中国粉体材料生产也是耗能大户,要实现持续的节能降耗,在线粒度监测与控制技术将起到关键作用。这项技术与仪器长期以来被西方发达国家垄断。

  本项目包括“动态光散射納米在线粒度监测与控制系统”“干粉粒度在线激光监测与控制系统”“漿料粒度在线激光监测与控制系统”和“粗顆粒材料粒度粒形在线监测与控制系统”等四个子项目。应用范围涵盖納米、微米和毫米粉体(颗粒)材料领域;应用领域包括納米制备、干法粉碎、湿法研磨、造粒和机械制砂等领域;应用行业包括滑石、碳酸鈣、高岭土等各类非金属矿粉体加工,还可应用在高純二氧化硅、水泥、陶瓷、电池材料、塗料、铝粉、碳素、氧化铝、制药、农药、磨料、造粒、机制砂等行业。项目研制成功后,将实现上述行业粉体材料的粒度粒形监测在线化、监测与控制一体化、实时化、网络化和无人值守化,使中國在线粒度粒形监测与控制水平达到国际先进水平,同时助力中國粉体材料产业提质增效,节能降耗,绿色环保。

  主要技术指标:

  ①主要测试项目:粒度、粒形;

  ②适应范围:10纳米-10毫米间的所有粉体材料;

  ③粒形项目:长径比、圆形度、粗糙度、凸起度、积实度等;

  ④连续运行时间(两次维护的时间间隔):≥180天;

  ⑤重现性误差:≤3%;

  ⑥准确性误差:≤3%;

  ⑦单次测试时间:<30秒;

  ⑧单次试样量:<500克;

  ⑨相应速度:<0.1秒;采样速度:≥10K/秒;

  ⑩系统测控响应时间:≤100ms;单机测试点:≤4个。

  2-4非金屬矿物微波解离納米化技术裝备研究

  非金属矿物大多都有着特殊的“层状、管状、片状、卡屋状态、纤维状”等结构。其特殊的矿物结构,必须经过特殊解离加工,保护其矿物结构,最终才能制备出石墨烯一类的新型功能性材料。新型非金屬矿物解离納米化技术裝备是在分析传统解离方式(对辊磨、搅拌磨、碾磨)等解离納米矿物生产工艺的基础上,深入认识矿物纳米单元聚集体解离和剝片机理的基础上,研究开发运用微波活化消解技术设备和智能控制矿物纳米化技术和设备,实现矿物純度高、解离分散好,纳米材料保持了矿物的特殊形貌,能夠将矿物精准高效可控地解离成一维、二维或三维纳米材料,满足不同材料制备的要求。该装备是一套全自动、全封闭的智能化裝备。项目技术装备将对我国矿物功能材料产业的五分PK10提供关键支撑。成果达到国际领先水平。

  主要技术指标:

  ①微波氧化和膨胀设备。设计频率为2450 MHz,设计输入功率40 -80 KVA范围內可调控;设计溫度范围:室溫-800℃。

  ②解离和剝离设备。超声辅助解离设备单探头功率为1000-2000 W可调,频率为10-20 KHz范围內可调,压力辅助膨胀解离设备的设计压力为10-100 MPa范围內可调。

  ③产能和能耗指标。产能500公斤/小时,吨产品电耗60-100 KWh。

  ④产品的性能指标。黏土矿物(凹凸棒石、海泡石、埃洛石等)的解离效率达90%以上,产品达到纳米级分散,用于工程塑料和功能塗层时,使塑料或塗层关鍵技术指标提高10%~20%。

  3.高性能典型矿物功能材料

  围绕“农村农业、环境治理”等领域,加强矿物功能材料基础研究和应用研究,开发系列化高值化新材料新产品。

  3-1凹凸棒替(代)抗(生素)产品研发及产业化应用

  我国作为世界第一饲料生产大国,饲料年产量在2亿吨以上,按饲料抗生素替代品添加量为1.5kg/T计算,全国饲料抗生素替代品的市场容量非常广阔。

  项目以我国特色资源凹凸棒石高值化利用为背景,以解决凹凸棒石在饲料无抗养殖中应用关键前瞻性技术为目标,项目实施后在凹凸棒石高端产品的研发和产业化起到引领和示范作用。项目产品不仅满足我国动物安全养殖对替抗产品的迫切需求,解决我国动物养殖产业因抗生素过度使用引发的关乎民生的重大食品安全。

  本项目采用凹凸棒特殊的纳米矿晶和孔道结构设计新型凹凸棒杂化抗菌剂。通过凹凸棒表面改性、电荷调控、抗菌因子组装,表面交联等工艺制备而成,制备具有高效定向抑制体内病原菌,促进动物生长等功能的新型抗生素替代品。凹凸棒替抗产品研发有望为2020年底为我国“全面禁抗”提供技术支撑。成果达到国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①获得具有自主知识产权的凹凸棒石替抗产品关键技术;

  ②凹凸棒石替抗产品对革兰氏阴性菌(大肠埃希菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)的最小抑菌浓度≤200μg/mL;

  ③凹凸棒石替抗产品理化性能及安全性能达到饲料行业使用标准;

  ④凹凸棒石替抗产品生产线建设,实现5000吨/年规模化生产,产品合格率高于98%,实现批次稳定生产。

  3-2重金属污染土壤修复用海泡石基稳定剂制备技术

  我国土壤污染严重,全国受重金属污染的土地达2000万公顷,其中严重污染的土地达70万公顷。2016年5月,国务院发布《土壤污染防治行动计划》。目前,我国已开始规范、有序开展全国性受污染地块的治理与修复,开启了一批重金属污染综合防治项目。

  目前市场越来越需要大量天然无毒害的非金属矿物材料治理重金属等污染土壤。研发应用海泡石制备土壤重金属修复剂,对污染土壤治理和保障食品安全建设具有重要意义和作用。海泡石基土壤重金属修复剂无毒无害,操作简单,效果好,不易破坏生态环境,能增强土壤自净能力,应用前景广阔,将为我国环境保护产业五分PK10提供技术与产品重要支撑。

  本项目研发的砷、镉、铅污染土壤(化工厂、冶炼厂等搬迁旧址)修复用海泡石基稳定剂,实现稳定化率在99%以上(2%投加比),浸出浓度满足国家环保要求,解决工业污染场地(化工、冶炼)土壤重金属污染治理难题。项目成果达到国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①对砷、镉、铅等重金属稳定化率为99%左右(2%投加比);

  ②建设年产1万吨的海泡石重金属稳定剂中试生产线。

  3-3硬石膏高温活化复配生产降镉土壤调理剂工艺与应用

  本项目研究以改良土壤理化特性,降低农作物中镉等重金属含量为目的,提升土壤PH值,钝化土壤重金属离子活性,阻隔其生物有效性,改善土壤营养结构为突破口,实现既治理污染,又改善土壤品质。项目成果填补国内空白,达到国际先进水平。

  主要技术指标:

  ①土壤有效态镉含量降低20%以上;

  ②有效钙(CaO)含量≥32%;

  ③有效硅(SiO2) 含量≥5%;

  ④pH 值10.5~12.5。

  3-4、黏土矿物靶向药物载体制备关键技术及应用

  目前我国医用材料市场销售额复合增速接近30%,已进入医用材料研发应用的重要机遇期,未来15年我国将成长为世界生物医用材料市场最大的国家。

  加快生物医用矿物材料研发及推广,以高端需求为驱动,深入研究纳米尺寸黏土矿物材料理化性质与生物学效应的关系、突破黏土矿物靶向药物载体的纳米化加工及性能调控技术,重点开展矿物基靶向药物精准治疗载体材料,研制具有生物相容性好、载药量高、靶向性准、缓控释性能好的矿物药物载体,构建新型生物医用矿物材料产业体系,是我国非金属矿产业高质量五分PK10的重要特征,也填补了我国生物医药产业技术及产品的空白。

  利用黏土矿物(蒙脱石、高岭石、埃洛石等)的天然纳米结构,通过纳米组装、表面设计、结构改型等方法制备功能性黏土矿物靶向药物载体,具有生物相容性好、载药量高、靶向性准、缓控释性能好等综合性能,有望为提高恶性肿瘤的药物治疗效果提供技术支撑。项目总体达到国际先进水平,其中黏土矿物纳米结构调控方面达到国际领先水平。

  主要技术指标:

  ①用作靶向药物载体的黏土矿物的理化性能及安全性能达到《中国药典》标准;

  ②获得具有完全自主知识产权的黏土矿物靶向药物载体制备核心技术;

  ③蒙脱石、高岭石靶向药物载体的纳米片厚1~50 nm、矿物层间距1~5 nm可调,埃洛石靶向药物载体的纳米管长度100~300 nm、管内径15~40 nm可调;

  ④黏土矿物靶向药物载体对广谱抗肿瘤药(盐酸阿霉素)的药物装载率≥50%,药物在中性环境下不释放,在肿瘤组织微酸环境下可缓控释放;

  ⑤建立黏土矿物靶向药物载体的动物模型评价体系;

  ⑥建立一套具有临床应用前景的恶性肿瘤药物治疗的黏土矿物靶向载药体系,靶向效率比传统载药体系提高30%,动物试验抑瘤率比传统载药体系提高30%。

四、新一代技术装备创新研发攻关主要措施

  1.成立由协会、相关企业、科研院所主要技术负责人组成的非金属矿新一代创新领导小组。负责项目的组织实施和管理。

  2.研发攻关项目要充分体现高校、科研院所、骨干企业的互补优势和共担共享的责任机制。克服项目多头管理、责任不清的弊病,创新研发攻关的责任、利益、奖惩制度。

  3.建立以中国建材等大集团和相关非矿产业园为实施主体的“产学研用”协同创新平台,有利于提升成果的转化率和示范性,有利于形成引领、带动作用,有利于打造非金属矿工业强基工程,促进我国由非金属大国向非金属矿强国迈进。

  4.全力以赴争取将新一代非金属矿行业技术装备创新研发项目列入国家科技部、工信部、发改委、自然资源部有关项目给予支持。

  中国建筑材料联合会

  中国非金属矿工业协会

  2020年3月31日

责任编辑:单建庆
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