潘寶峰,時(shí)彥寧
(大連理工大學(xué),遼寧大連116023)
鐵尾礦綜合利用研究現(xiàn)狀
潘寶峰*,時(shí)彥寧
(大連理工大學(xué),遼寧大連116023)
鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)過(guò)選礦工藝選取鐵精礦后排放的廢渣,隨著鐵尾礦排放量增高,鐵尾礦砂回收利用已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題。主要介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵尾礦回收途徑的研究方向,并對(duì)研究成果做了簡(jiǎn)要的陳述,提出了國(guó)內(nèi)鐵尾礦利用存在的問(wèn)題,并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀對(duì)鐵尾礦利用方向提出了展望。
鐵尾礦;建筑材料;尾礦庫(kù)復(fù)墾
鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)過(guò)選礦工藝選取鐵精礦后排放的廢渣。當(dāng)前,我國(guó)鐵尾礦的排放量增長(zhǎng)迅速,據(jù)有效數(shù)字統(tǒng)計(jì),自1949年以來(lái),我國(guó)鐵尾礦砂排放量超過(guò)60×108t,尤其在2003年以后鐵尾礦排放量大幅上升,2009排放量達(dá)到5.5×108t,2010年排放量超過(guò)6×108t[1]。因此,鐵尾礦的綜合回收利用問(wèn)題已受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。
我國(guó)鐵尾礦綜合利用起步較晚,但進(jìn)展很快。特別是“十一五”期間,在高校、研究院以及鐵尾礦企業(yè)的努力下,鐵尾礦回收利用技術(shù)已經(jīng)得到很大提升,現(xiàn)階段我國(guó)鐵尾礦再利用主要有3個(gè)方面:鐵尾礦再選及回收有價(jià)元素;鐵尾礦生產(chǎn)建筑材料;鐵尾礦充填采空區(qū)和尾礦庫(kù)復(fù)墾。
1.1 回收有價(jià)元素
鐵尾礦回收利用的最大著眼點(diǎn)是提取鐵尾礦中的有價(jià)元素,從鐵尾礦中回收原本不能分選或沒(méi)有分選的有價(jià)組分。我國(guó)在這方面做了很多研究工作。
東北大學(xué)劉文剛[2]等人(2011)采用正—反浮選聯(lián)合流程對(duì)齊大山選礦廠的浮選尾礦(鐵品位為19.75%)進(jìn)行了鐵回收試驗(yàn)研究,正浮選試驗(yàn)結(jié)果表明:在2,4—二羥基苯甲酸為石英抑制劑、油酸鈉為捕收劑和不加pH值調(diào)整劑的條件下,當(dāng)抑制劑用量為800g/t、油酸鈉用量為550g/t時(shí),可以獲得鐵品位31.86%、鐵回收率78.85%的浮選粗精礦。反浮選試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)磨礦細(xì)度小于0.045mm占95.50%時(shí),經(jīng)過(guò)1次粗選、2次精選、1次掃選,可獲得鐵品位66.17%、鐵回收率27.64%的反浮選精礦。
北京科技大學(xué)劉占華[3]等人(2012)采用弱磁選—直接還原焙燒—磁選工藝對(duì)內(nèi)蒙古某高硫鐵尾礦進(jìn)行處理,得到了鐵品位為92.86%、相對(duì)弱磁精礦回收率為82.37%、硫含量為0.40%的還原鐵,獲得了較好的提鐵降硫效果。
孫達(dá)[4]嘗試從鐵尾礦中回收銅元素,將鐵尾礦砂經(jīng)過(guò)1次粗選、2次掃選以及4次精選的閉路浮選流程,從銅品位0.3%鐵尾礦中獲取到銅品位23.7%的銅精礦,并且回收率可達(dá)到68.9%。
馬鋼鐵尾礦儲(chǔ)量大,且其中含有大量的的石榴石。為充分利用這一資源,馬鞍山礦山研究院[5]成功研究了強(qiáng)磁一粗二精分級(jí)搖床選別流程,選出了石榴石含量97.4%的石榴石精礦,其回收率可達(dá)到41%。
綜上,鐵尾礦回收有價(jià)元素的經(jīng)濟(jì)效益顯著,最近幾年回收工藝技術(shù)和回收設(shè)備也都取得很大進(jìn)步,但該途徑受鐵尾礦本身特性的影響較大,對(duì)很多尾礦并不適用,并且回收有價(jià)元素后的鐵尾礦仍然會(huì)產(chǎn)生固體廢物污染,因此需要聯(lián)合其他回收利用技術(shù)來(lái)解決鐵尾礦問(wèn)題。
1.2 鐵尾礦生產(chǎn)建筑材料
鐵尾礦主要化學(xué)成分有鋁、鈣、硅、鎂的氧化物。其中,鋁、硅含量較高,且80%以上都是非金屬礦物,與建筑材料十分相近,這為鐵礦在建材業(yè)的應(yīng)用提供了前提條件。目前,我國(guó)鐵尾礦在建筑材料應(yīng)用中已經(jīng)取得明顯成效,主要表現(xiàn)在制作墻體材料、道路材料、制磚材料、裝飾材料以及陶瓷材料。
(1)鐵尾礦制作墻體材料。清華大學(xué)田景松[6]等人(2010)將鐵尾礦砂與機(jī)制砂搭配組成混合砂,按照顆粒級(jí)配理論合理調(diào)整鐵尾礦砂與機(jī)制砂的混合比例,配制出工作性能、力學(xué)性能和耐久性能都能夠滿足現(xiàn)代施工技術(shù)要求的不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。
海南大學(xué)張浩[7]等人(2012)用正交試驗(yàn)法確定了利用鐵尾礦來(lái)制備加氣混凝土砌塊的最優(yōu)配合比,試驗(yàn)結(jié)果表明鐵尾礦、石英砂、水泥、氧化鈣、石膏、鋁粉、穩(wěn)泡劑分別為原材料干重的59.20%、8.26%、15.96%、14.03%、1.00%、0.06%、0.07%,且水料比為0.58時(shí),其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了4.85MPa,并研究了熱帶海洋性氣候環(huán)境對(duì)加氣混凝土砌塊與混凝土之間界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。
(2)鐵尾礦用作道路材料。楊青[8](2008)通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明:11%水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂、31%石灰穩(wěn)定鐵尾礦砂、2%水泥和12%石灰穩(wěn)定鐵尾礦砂均能滿足低等級(jí)道路基層強(qiáng)度要求。
河北工業(yè)大學(xué)孫吉書(shū)[9]等人(2012)對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石的強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性能、水穩(wěn)定性等路用性能的研究,分析了其強(qiáng)度的影響因素,并闡述了石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石的強(qiáng)度形成機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明,石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石(石灰∶粉煤灰∶鐵尾礦碎石為10∶20∶70)的各項(xiàng)技術(shù)性能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求,可以作為各級(jí)公路的基層材料。
張鐵志[10]試驗(yàn)研究利用加筋鐵尾礦用于道路基層施工,試驗(yàn)表明:水泥劑量3%,聚丙烯纖維0.3%的混合料均可滿足各等級(jí)公路技術(shù)要求,并證明加筋鐵尾礦可以比單純水泥穩(wěn)定鐵尾礦節(jié)省2%水泥劑量,且混合料性能得到極大提高。但該技術(shù)存在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)平衡問(wèn)題,纖維含量維持在0.3%,才能保證混合料強(qiáng)度最佳;水泥劑量維持在3%時(shí),才能在符合技術(shù)要求的基礎(chǔ)上達(dá)到最經(jīng)濟(jì)水泥用量。
(3)鐵尾礦用于制磚。建筑用磚仍是我國(guó)建筑業(yè)用量最大的建材產(chǎn)品之一,馬鞍山研究院[11]以齊大山、歪頭山的鐵尾礦為主要原料,配入少量骨料、鈣質(zhì)膠凝材料及外加劑,加水均勻攪拌,在60t的壓力機(jī)上擠壓成型,脫模并養(yǎng)護(hù)28d,成功地制成免燒磚。
大連理工大學(xué)徐博書(shū)[12]等人(2010)以遼寧地區(qū)的鐵尾礦砂(SiO2含量為74.98%,F(xiàn)e2O3含量為7.63%)為原料,并摻加一定比例的碎石、水泥,通過(guò)采用靜壓成型、脫模養(yǎng)護(hù)的方法,制備得到了用于道路工程的MU20級(jí)鐵尾礦免燒磚,并對(duì)其強(qiáng)度形成進(jìn)行了機(jī)理分析。
張錦瑞、賈清梅[13-14]以唐山地區(qū)的鐵尾礦為主要原料,摻加一定比例的粗骨料、水泥,采用特定方法制辦成型后,再經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù),研究出鐵尾礦含量50%以上的蒸壓磚,采用該方法所制得的鐵尾礦磚各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求。
尹洪峰[15]對(duì)邯鄲地區(qū)鐵尾礦進(jìn)行了制磚試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:采用擠出成型法可以制備出MU 7.5的建筑用磚;采用壓制成型法可以制備出MU10以上的建筑用磚,尾礦磚體積密度與普通磚相近,試樣泛霜試驗(yàn)合格、抗冷凍性好。
目前尚未見(jiàn)到用鐵尾礦研制多孔磚和清水磚的報(bào)道,隨著研究的深入和擴(kuò)大,用鐵尾礦制作多孔磚和清水磚等新型建材會(huì)成為新的研究方向。
(4)鐵尾礦用于生產(chǎn)裝飾材料。吉林大學(xué)李亞超[16]等人(2011)以鞍山式鐵尾礦粉和玻璃粉為原料,采用無(wú)壓燒結(jié)法來(lái)制備鐵尾礦建筑飾面材料。研究結(jié)果表明其物理力學(xué)性能都達(dá)到了天然石材的標(biāo)準(zhǔn),可以作為建筑飾面材料。
(5)鐵尾礦用于陶瓷材料。將鐵尾礦應(yīng)用于陶瓷材料,在有效利用廢棄尾礦、保護(hù)環(huán)境的同時(shí),也可以極大改善陶瓷性能。目前這方面的研究已展開(kāi),但主要表現(xiàn)在小范圍燒制陶瓷材料、尾礦陶瓷釉料和尾礦衛(wèi)生潔具,尚未有大規(guī)模陶瓷生產(chǎn)線。
1.3 鐵尾礦充填采空區(qū)和尾礦庫(kù)復(fù)墾
近年來(lái),充填采礦技術(shù)快速發(fā)展,將尾礦填充采空區(qū)不僅可以解決尾礦的排放問(wèn)題,還可以降低充填成本,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
河北寬城冶金建材工業(yè)公司周杰[17]等人(2011)利用承德地區(qū)某鐵礦廠尾礦干排充填采空區(qū),不僅解決了建設(shè)鐵尾礦庫(kù)所帶來(lái)的安全隱患,也消除了采空區(qū)的安全隱患。
沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)李曉雷[18]等人(2012)通過(guò)對(duì)紅透山尾礦庫(kù)復(fù)墾適宜性評(píng)價(jià)得出了影響尾礦庫(kù)復(fù)墾適宜方向的關(guān)鍵是有效土層的厚度、污染物的處理和基底穩(wěn)定性;同時(shí)尾礦庫(kù)復(fù)墾應(yīng)以三級(jí)牧草地和林地為主,復(fù)墾植被應(yīng)選擇抗逆性較強(qiáng)的植物。
實(shí)踐表明,以鐵尾礦砂代替砂石充填采空區(qū)可以起到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的效果,這將成為礦山研發(fā)推廣的新工藝。
1.4 其他利用方式
除上面介紹的3種利用方式外,鐵尾礦還可以用來(lái)生產(chǎn)耐火材料、建筑用砂、肥料和土壤改良劑等[19-21]。
國(guó)外對(duì)鐵尾礦綜合利用的研究工作起步較早,特別是1970年以后,制定了一系列法規(guī),大大改善了礦山和尾礦場(chǎng)的環(huán)境。他們?cè)阼F尾礦再選及回收有價(jià)金屬、制作建筑材料、尾礦庫(kù)復(fù)墾等方面也早已取得很多實(shí)用性成果。
伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)Sirkeci A.A.[22]等人(2006)采用浮選法,在最佳浮選條件下從迪夫里伊選礦廠的老尾礦中回收鈷、鎳和銅,回收率分別達(dá)到了83.1%、57.7%和59.0%。
印度作為世界上第六大鐵尾礦生產(chǎn)國(guó),每年產(chǎn)生近1800×104t的尾礦,如何安全處理和利用這些尾礦對(duì)于鐵礦行業(yè)而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。2000年4月印度國(guó)家冶金實(shí)驗(yàn)室Das S.K.[23]等人利用鐵尾礦生產(chǎn)陶瓷地板和墻磚,其強(qiáng)度和硬度基本上符合歐洲的標(biāo)準(zhǔn)。
印度礦業(yè)環(huán)境中心Maiti S.K.[24]等人(2005)發(fā)現(xiàn)在鐵尾礦庫(kù)上種植植物有利于穩(wěn)定和減少水土流失,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)尾礦中鐵含量不但不會(huì)影響植物的自然生長(zhǎng),相反高含鐵量還會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。
美國(guó)Norland M.R.[25]等人(1994)在明尼蘇達(dá)州選取了2處鐵尾礦庫(kù)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn),經(jīng)過(guò)4年的研究調(diào)查,發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)率達(dá)到了72%。
盡管鐵尾礦的綜合利用在“十一五”期間取得了較為明顯的成效,但仍存在一些問(wèn)題:
(1)技術(shù)支撐能力不足,利用率不高。目前鐵尾礦的綜合利用存在許多技術(shù)瓶頸,尤其缺乏大規(guī)模、高附加值利用的重大技術(shù)和裝備。大多數(shù)鐵礦山企業(yè)研發(fā)能力較弱,技術(shù)裝備落后,缺少研發(fā)投入的積極性。而現(xiàn)有技術(shù)裝備水平不能為鐵尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)提供有效支撐,制約了綜合利用的發(fā)展。
(2)企業(yè)規(guī)模小。目前從事鐵尾礦綜合利用的企業(yè)以中小型為主,年平均產(chǎn)值不到2000萬(wàn)元,缺乏具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的跨區(qū)域、跨省份的大型專業(yè)化企業(yè)集團(tuán)。
(3)鐵尾礦資源循環(huán)利用的法律、法規(guī)建設(shè)相對(duì)落后,鐵尾礦利用的基礎(chǔ)管理薄弱,缺乏資源和環(huán)保意識(shí);另一方面由于投資回報(bào)率小,鐵尾礦山企業(yè)對(duì)尾礦資源循環(huán)利用的積極性不高。
總之,我國(guó)在鐵尾礦綜合利用方面雖然取得了很大進(jìn)展,但與當(dāng)前需要之間還是存在很大差距,鐵尾礦綜合利用任務(wù)艱巨,應(yīng)當(dāng)引起全社會(huì)的高度關(guān)注。鐵尾礦的資源化利用研究前景廣闊,尤其是在道路各個(gè)層面中的應(yīng)用都還有很大的研究空間,鐵尾礦砂在道路中的綜合應(yīng)用必然會(huì)成為一個(gè)新的課題。
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TD926.4
A
1004-5716(2015)05-0153-04
2014-06-09
2014-06-10
潘寶峰(1967-),男(漢族),內(nèi)蒙古赤峰人,教授,現(xiàn)從事道路工程教學(xué)研究工作。