赤泥綜合利用的工業(yè)化方法簡(jiǎn)述

于水波，董菲，楊曉玲

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110000）

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，處理三水鋁石氧化鋁廠的固體殘?jiān)蚋缓趸F而呈紅色。我國(guó)沿海地區(qū)的氧化鋁廠主要處理澳大利亞、幾內(nèi)亞、印尼等地區(qū)的三水鋁石礦，這些礦的赤泥中含氧化鐵、氧化鋁、二氧化硅、鈉硅渣、二氧化鈦、有機(jī)物和其他微量金屬元素，其中幾內(nèi)亞礦赤泥中富含氧化鐵。赤泥的附液因含有低濃度的氫氧化鈉而呈堿性。

2018年中國(guó)氧化鋁產(chǎn)量累計(jì)超過7000萬噸，居于世界首位，在擁有龐大的氧化鋁產(chǎn)量的同時(shí)，我國(guó)的赤泥排放量和歷年的堆存量也非常驚人。生產(chǎn)氧化鋁的干赤泥排放量因礦石而異，一般為1～1.5噸干赤泥每噸氧化鋁，推測(cè)2018年我國(guó)的干赤泥排放量應(yīng)在0.7～1.05億噸之間。如此大的赤泥排放量將給環(huán)境、生態(tài)、安全造成巨大壓力，因此赤泥的綜合利用成了迫在眉睫的問題。

1 現(xiàn)有的赤泥綜合利用技術(shù)介紹

目前，赤泥綜合利用仍屬世界性難題，國(guó)際上對(duì)赤泥主要采用堆存覆土的處置方式。我國(guó)赤泥綜合利用工作近年來得到各方面的高度重視，開展了跨學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合利用技術(shù)研究工作，如赤泥提取有價(jià)金屬，配料生產(chǎn)水泥、建筑用磚、礦山膠結(jié)充填膠凝材料、路基固結(jié)材料和高性能混凝土摻合料、化學(xué)結(jié)合陶瓷（CBC）復(fù)合材料、保溫耐火材料、環(huán)保材料等。但這些研究中的大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。[1]以下為幾種赤泥綜合利用技術(shù)。

（1）低成本赤泥脫堿技術(shù)

（2）高鐵赤泥及赤泥鐵精礦深度還原再選鐵技術(shù)

（3）赤泥制備路基固結(jié)材料技術(shù)

（4）赤泥循環(huán)流化床鍋爐脫硫技術(shù)

（5）燒結(jié)法赤泥生產(chǎn)高性能混凝土摻合料技術(shù)

（6）赤泥生產(chǎn)新型建筑材料技術(shù)

（7）赤泥制備環(huán)境修復(fù)材料技術(shù)

（8）拜耳法高鐵赤泥強(qiáng)磁選技術(shù)

（9）拜耳法赤泥砂作為水泥生料中的硅質(zhì)原料生產(chǎn)干法水泥技術(shù)

（10）赤泥生產(chǎn)化學(xué)結(jié)合陶瓷（CBC）復(fù)合材料技術(shù)

（11）綜合回收赤泥中多種有價(jià)組分技術(shù)

以上各項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)相關(guān)單位的不斷研究和探索的情況下，都取得了一定的成進(jìn)展，但現(xiàn)在取得工業(yè)化成果的并不多。大規(guī)模的赤泥綜合利用項(xiàng)目除了考慮技術(shù)上的可能性，還要進(jìn)行小試、中試、工業(yè)化試驗(yàn)，并考核經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品的市場(chǎng)、對(duì)環(huán)境的影響等一系列問題。赤泥成為有危險(xiǎn)性的固體廢棄物，主要的原因在于赤泥中含堿，而現(xiàn)有的赤泥的鈣化、碳化等脫堿技術(shù)處理溫度高、且加入大量的石灰使脫堿后的赤泥量進(jìn)一步增加，經(jīng)濟(jì)性還有待考察。燒結(jié)法因能耗高、經(jīng)濟(jì)性差等原因，在國(guó)內(nèi)屬于落后氧化鋁產(chǎn)能，赤泥產(chǎn)量小。上述的十一種赤泥綜合利用辦法中，已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的方法有三個(gè)，即赤泥強(qiáng)磁選提鐵、赤泥制磚和赤泥改性路基，以下將對(duì)這三種方法分別進(jìn)行闡述。

2 赤泥強(qiáng)磁選提鐵

赤泥強(qiáng)磁選提鐵適用于鐵含量較高赤泥，如幾內(nèi)亞礦和廣西礦赤泥。赤泥強(qiáng)磁選提鐵的流程為赤泥漿液經(jīng)氧化鋁廠赤泥沉降倒數(shù)第二級(jí)洗滌底流泵輸送到赤泥緩沖槽，同時(shí)熱水也從氧化鋁廠熱水站經(jīng)熱水泵輸送到赤泥緩沖槽，在赤泥緩沖槽內(nèi)進(jìn)行固含調(diào)節(jié)，待固含達(dá)到要求后，赤泥漿液自流進(jìn)入圓筒隔渣篩。經(jīng)圓筒隔渣篩分離出的大顆粒赤泥固體粗渣作為尾礦進(jìn)入尾礦槽，通過圓筒隔渣篩的赤泥漿液自流進(jìn)入中磁機(jī)。在中磁機(jī)中將鐵屑選出作為精礦進(jìn)入一次強(qiáng)磁精選機(jī)，通過中磁機(jī)的赤泥漿液自流進(jìn)入一次強(qiáng)磁粗選機(jī)。在一定的強(qiáng)場(chǎng)下，將鐵礦從赤泥中選出進(jìn)入一次強(qiáng)磁精選機(jī)。一次強(qiáng)磁粗選機(jī)分選后的赤泥漿液進(jìn)入二次強(qiáng)磁粗選機(jī)，尾礦進(jìn)入總尾礦槽泵送入沉降末次洗滌槽，鐵礦進(jìn)入二次強(qiáng)磁精選機(jī)，再次經(jīng)過磁選以提高鐵礦石的品位，磁選出的鐵礦作為精礦進(jìn)入鐵精礦濃密槽，分選后的鐵礦漿液作為尾礦與二次粗選尾礦合流。從濃密槽出來的溢流液作為一次強(qiáng)磁精選機(jī)的沖洗水返回工藝流程進(jìn)行循環(huán)，濃密機(jī)的底流通過底流泵輸送進(jìn)入壓濾機(jī)。經(jīng)壓濾機(jī)壓濾后的鐵精礦通過皮帶機(jī)輸送到鐵精礦堆場(chǎng)，壓濾后的濾液進(jìn)入濾液槽，濾液作為二次強(qiáng)磁粗選機(jī)的沖洗水返回工藝流程進(jìn)行循環(huán)。鐵精礦堆場(chǎng)內(nèi)設(shè)有抓斗天車用于取料，汽運(yùn)精礦出廠。[2]廣西某氧化鋁廠的赤泥中三氧化二鐵含量平均43%左右，每年的赤泥量105萬噸左右。擁有110萬噸／年赤泥選鐵生產(chǎn)線，年可以產(chǎn)鐵精礦約11萬噸。

3 赤泥制磚

赤泥燒結(jié)磚工藝是將頁巖、爐渣等原料進(jìn)行破碎、篩分獲得顆粒級(jí)配合格均勻的原料，利用定量給料機(jī)將赤泥、爐渣、頁巖等原料按比例進(jìn)行摻配均勻（其中赤泥比例占40～50%，均為選鐵后赤泥），待陳化后使用。物料經(jīng)擠出、切坯、運(yùn)坯、碼坯等自動(dòng)設(shè)備碼放于窯車上面，利用焙燒窯冷卻帶余熱形成的熱風(fēng)將碼放好的磚坯進(jìn)行干燥脫水，干燥后的磚坯含水率降到3%以下。后用擺渡車將干燥合格的磚坯送入隧道窯進(jìn)行預(yù)熱和焙燒，在燒結(jié)過程中采用“低溫慢燒”技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)。焙燒后的產(chǎn)品經(jīng)過保溫、冷卻后用液壓頂車機(jī)頂出隧道窯，成品磚出窯后經(jīng)卸垛機(jī)、叉車運(yùn)出后進(jìn)行外售。

圖1 赤泥燒結(jié)磚生產(chǎn)線

赤泥透水磚屬于赤泥制磚的另一種，屬于專利技術(shù)。該技術(shù)解決了赤泥堿金屬、重金屬的溶出問題，使其在透水鋪裝材料領(lǐng)域可作為原料安全使用，其赤泥廢渣綜合利用率可達(dá)50%～70%。山東某公司投資4000余萬元建設(shè)日產(chǎn)3000平方米生態(tài)赤泥透水磚全自動(dòng)生產(chǎn)線，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。該生產(chǎn)線現(xiàn)可生產(chǎn)各種型號(hào)、規(guī)格鋪路磚、廣場(chǎng)磚、六角磚、異型磚、植草磚、護(hù)坡磚并可根據(jù)客戶要求調(diào)制顏色。該產(chǎn)品磚的技術(shù)指標(biāo)經(jīng)過國(guó)家建筑材料工業(yè)工業(yè)陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心及國(guó)家陶瓷與耐火材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)放射性、重金屬溶出等指標(biāo)均符合和優(yōu)于建筑材料要求。赤泥透水磚生產(chǎn)利用赤泥等工業(yè)固體廢渣和尾礦等廢棄物作為主要生產(chǎn)原料，生產(chǎn)過程中無二次污染。環(huán)保達(dá)到規(guī)定的第四時(shí)段排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)過程中無固廢、廢水排放，有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

4 赤泥改性路基

圖2 赤泥改型路基施工

改性固化赤泥路用材料專利技術(shù)。該技術(shù)是以拜耳法赤泥為基礎(chǔ)，經(jīng)改性固化處理后形成的環(huán)保復(fù)合高分子材料。簡(jiǎn)要的操作辦法為，赤泥摻入一定量的固化劑，經(jīng)拌勻、壓實(shí)處理，達(dá)到需要的路用性能指標(biāo)，同時(shí)大幅度降低赤泥的強(qiáng)堿性和污染性，使其達(dá)到環(huán)保要求。該改性固化劑產(chǎn)品對(duì)溫度變化穩(wěn)定，具有固定金屬離子的作用，能阻止金屬離子對(duì)產(chǎn)品的消極作用，是一種具有多種特殊性能的表面活性劑。在常溫常壓和弱堿性環(huán)境中，改性固化劑，即高聚合物復(fù)合材料能夠在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到很好的吸附效果，大大降低重金屬離子的浸出量。改性赤泥路基具有強(qiáng)度高、施工和易性好、耐水性好、承載力高、PH值、放射性、重金屬析出達(dá)標(biāo)，污染可控等特點(diǎn)。符合交通運(yùn)輸部《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30-2015及國(guó)家現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)的有關(guān)規(guī)定。

赤泥改性固化劑為高分子復(fù)合材料，加入赤泥后，可以通過提高溶液堿度來實(shí)現(xiàn)早期強(qiáng)度的提高。在堿性條件下，高聚合復(fù)合材料可使赤泥轉(zhuǎn)化為活性SiO2和Al2O3。而且提高溶液堿度，可加快活性SiO2和Al2O3的溶出速度，與Ca(OH)2逐步反應(yīng)生成硅酸鈣、硅鋁酸鈣等復(fù)合物。當(dāng)混合體系生成物濃度達(dá)到一定值時(shí)，它們便互相嚙合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成凝膠，從而使強(qiáng)度提高。隨著赤泥基混凝土的堿性降低，形成化學(xué)鍵，緩慢地生成硅、鋁等含氧酸的復(fù)合物結(jié)晶，新生晶體會(huì)逐漸長(zhǎng)大、發(fā)展，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并逐漸脫水干涸以穩(wěn)定的結(jié)晶縮合結(jié)構(gòu)成為結(jié)晶整體，而成為具有較高強(qiáng)度的水穩(wěn)性材料。赤泥改性固化劑加入赤泥主要有以下幾方面作用，即電荷中和、架橋作用、網(wǎng)捕作用、吸附作用。

形成赤泥基層強(qiáng)度的最后一個(gè)必要條件是機(jī)械壓實(shí)。赤泥基道路混凝土在壓實(shí)成型后，體系由固相(赤泥聚合體)、液相(水溶液)和氣相(空氣)三相組成。三相之間相互作用的結(jié)果，使得赤泥基道路混凝土具有很高的強(qiáng)度和剛度。

赤泥改性路基可以用于高速公路、國(guó)省干線公路、市政道路、港口貨場(chǎng)、建筑基礎(chǔ)等工程填筑填料，是大規(guī)模消耗赤泥的前沿技術(shù)。已經(jīng)在山東省多處氧化鋁廠公路、濟(jì)青高速公路路段、貴州清鎮(zhèn)氧化鋁廠公路等處應(yīng)用。改性固化赤泥路用材料系列產(chǎn)品很好的解決了赤泥工程應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)的雙重問題。不僅可以為赤泥的上游企業(yè)的解決工業(yè)廢料的堆存問題，同時(shí)也為工程建設(shè)單位解決了取土難的問題。對(duì)降低工業(yè)廢料的環(huán)境危害、減少對(duì)耕地破壞具有革命性的意義。

5 結(jié)論

綜上所述，赤泥強(qiáng)磁選提鐵技術(shù)成熟，生產(chǎn)成本低，鐵回收率約為21%左右，可減少～10%的赤泥排放量。處理含鐵量高的赤泥應(yīng)該綜合考慮周邊地區(qū)條件及赤泥提鐵精礦的市場(chǎng)，建設(shè)赤泥提鐵車間。赤泥透水磚項(xiàng)目赤泥綜合利用率較高，具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，但透水磚運(yùn)輸和使用范圍受限，應(yīng)先進(jìn)行可行性研究后再確定是否建廠及工廠規(guī)模。赤泥改性路基可以大規(guī)模消化赤泥，在多次應(yīng)用實(shí)例中均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，效果良好。赤泥改性固化劑屬于專利技術(shù)，可以對(duì)相關(guān)技術(shù)提供方進(jìn)行考察與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況規(guī)劃赤泥路基的使用地點(diǎn)及赤泥用量。總之，氧化鋁廠應(yīng)結(jié)合多種手段，堅(jiān)持赤泥綜合利用，為中國(guó)工業(yè)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展擔(dān)負(fù)起應(yīng)有的責(zé)任。