建筑冶金行業(yè)赤泥綜合利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化分析

錢余海 雷浩 曲新村

摘要：赤泥是從鋁土礦生產(chǎn)制備氧化鋁過程中伴生的固體廢棄物，具有粒徑小、體量大、污染性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前赤泥的綜合利用率極低，是世界性的技術(shù)難題。建筑行業(yè)是綜合利用赤泥的主戰(zhàn)場(chǎng)，本文從產(chǎn)業(yè)化的視角重點(diǎn)介紹了建筑及冶金行業(yè)赤泥綜合利用技術(shù)，包括磁選法選取含鐵氧化物，建筑外墻赤泥保溫巖棉技術(shù)、赤泥陶瓷板、赤泥透水磚、赤泥砂粒等，以期為赤泥的大規(guī)模價(jià)值化應(yīng)用提供綜合技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：赤泥;綜合利用;產(chǎn)業(yè)化分析

中圖分類號(hào)：X75

【作者簡(jiǎn)介】錢余海（1973-），男，博士，山東臨沂人，高級(jí)工程師，主要從事鋁產(chǎn)業(yè)科技研發(fā)和技術(shù)管理工作。本文通訊作者為雷浩。

1. 前言

氧化鋁是制備電解鋁的初級(jí)原材料，赤泥是從鋁土礦生產(chǎn)制備氧化鋁過程中伴生的極具污染性的固體廢棄物，其化學(xué)成分和物相組成與鋁土礦產(chǎn)地、氧化鋁制取工藝（包括拜耳法、燒結(jié)法、拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法）和反應(yīng)過程密切相關(guān)，具有粒徑小、體量大、污染性強(qiáng)等特點(diǎn)。

每生產(chǎn)1噸氧化鋁伴生的赤泥產(chǎn)量約為1-1.8噸，作為氧化鋁生產(chǎn)大國(guó)，當(dāng)前我國(guó)赤泥堆存量約6億噸，年新產(chǎn)生量仍在7000萬(wàn)噸以上。赤泥通常采用堆場(chǎng)堆存方式存放，占用大面積的土地。隨著赤泥存量和增量的不斷增長(zhǎng)，堆場(chǎng)內(nèi)赤泥的堆存高度甚至達(dá)到了35米，對(duì)地面基礎(chǔ)造成巨大的壓力，存在基礎(chǔ)開裂污染地下水資源的可能性，同時(shí)濕法存放也面臨潰塌的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。赤泥浸出液的pH值高達(dá)12-14，嚴(yán)重威脅環(huán)境及生態(tài)安全，環(huán)評(píng)部門需定期對(duì)赤泥堆場(chǎng)附近的水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，確保水質(zhì)的安全，因此赤泥的存放安全問題日益凸顯。

目前赤泥的綜合利用率極低，是世界性的技術(shù)難題。在赤泥的綜合利用方面，基本形成了四個(gè)技術(shù)方向[1-5]：一是提取有價(jià)金屬（鐵、鋁及稀有金屬等），二是制備建材（水泥、磚及路基材料、巖棉等），三是應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域（廢氣、污水處理的凈化劑、吸附劑等），四是用作土壤改良劑。其中，赤泥中提取有價(jià)金屬成本較高、技術(shù)難度大，而在環(huán)保領(lǐng)域和土壤改良劑方面赤泥的應(yīng)用量較少。

赤泥的大批量應(yīng)用是解決赤泥存放及環(huán)境安全問題的根本，本文從產(chǎn)業(yè)化角度重點(diǎn)介紹了建筑行業(yè)赤泥綜合利用新技術(shù)，包括磁選法選取含鐵氧化物，建筑外墻赤泥保溫巖棉技術(shù)、赤泥陶瓷板、赤泥透水磚、赤泥砂粒等，以期為赤泥的資源化和價(jià)值化應(yīng)用提供綜合技術(shù)解決方案。

2. 冶金及建筑行業(yè)赤泥綜合利用技術(shù)

2.1 磁選法回收含鐵氧化物

拜耳法赤泥中含有大量的有價(jià)元素，如鐵、鈦、鈧和其他各種稀土元素等，其中稀土屬于稀有資源和戰(zhàn)略性物資，這些有價(jià)元素的回收和利用技術(shù)受到廣泛的關(guān)注，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，由于提取成本較高且工藝復(fù)雜，尚難以進(jìn)入工業(yè)化利用階段。

拜耳法赤泥的礦物成分中含有大量鐵的氧化物，主要以Fe3O4和Fe2O3的形式存在。其中Fe3O4具有鐵磁性，F(xiàn)e2O3具有微弱的磁性，利用這一特性，可利用磁選機(jī)采用濕法磁選方法分離出拜耳法赤泥的礦物成分中絕大部分Fe3O4及少量的Fe2O3等鐵氧化物，形成鐵精礦，可作為原材料用于鋼鐵公司煉鋼廠鐵礦石的補(bǔ)充料，可彌補(bǔ)鐵礦石價(jià)格上漲造成的部分經(jīng)濟(jì)損失。

目前磁選法回收含鐵氧化物已形成大規(guī)?；墓I(yè)利用，拜耳法赤泥中Fe3O4和Fe2O3等有價(jià)鐵氧化物的回收占比約為13% （wt.%），主要用于鐵礦石添加料，但經(jīng)磁選剩余的赤泥仍需進(jìn)行露天堆存，其強(qiáng)堿性及高污染性的本質(zhì)仍未發(fā)生變化，亟需開發(fā)這些露天堆存赤泥的大批量應(yīng)用技術(shù)。

2.2 赤泥保溫巖棉

巖棉是以玄武巖為主要原材料，經(jīng)高溫熔融甩絲加工而成的無機(jī)纖維，具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸熱、不燃的特點(diǎn)，是一種新型的保溫、隔燃、吸聲材料，這些優(yōu)勢(shì)為防火等級(jí)A級(jí)的外墻外保溫?zé)o機(jī)材料巖棉迎來了前所未有的市場(chǎng)良機(jī)。但玄武巖原料的獲取一般需要開挖山體采石，易于造成山體坍塌危害公共安全，嚴(yán)重破壞原生態(tài)環(huán)境，目前受到生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求的限制，玄武巖的開采日益受到禁止，因此玄武巖保溫巖棉的源頭開始萎縮，迫切需要尋求和開發(fā)新型替代材料。

作為赤泥綜合利用行業(yè)開創(chuàng)者，北京金亞潤(rùn)環(huán)?？萍加邢薰境晒ζ平饬顺嗄噘Y源化這一難題[6]，堅(jiān)持“創(chuàng)新環(huán)?？萍?，助推綠色發(fā)展”理念，按照“產(chǎn)業(yè)+技術(shù)+資本”三螺旋發(fā)展模式，堅(jiān)持自主研發(fā)、引進(jìn)消化、集成并舉發(fā)展思路，開發(fā)了“綜合利用赤泥生產(chǎn)巖棉工藝技術(shù)”，以赤泥為主料≥70%與其他輔料≤30%，按照一定的比例混合，對(duì)赤泥進(jìn)行規(guī)?；?，開發(fā)出高附加值的巖棉產(chǎn)品，具有纖維絲長(zhǎng)、強(qiáng)度高、柔韌性好、導(dǎo)熱系數(shù)低、不潮解等突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在技術(shù)裝備上，采用獨(dú)創(chuàng)的全封閉高效電熔融爐、全封閉自循環(huán)電熱固化爐等核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保加熱技術(shù)突破，在生產(chǎn)過程中近無CO、CO2、SO2、NOX廢氣和粉塵產(chǎn)生。2020年9月2日，金亞潤(rùn)“綜合利用赤泥生產(chǎn)巖棉工藝技術(shù)”進(jìn)入工業(yè)化試驗(yàn)生產(chǎn)流程，在有關(guān)專家和領(lǐng)導(dǎo)的見證下，在山東金亞潤(rùn)工業(yè)化試驗(yàn)基地取得圓滿成功，項(xiàng)目順利通過科學(xué)技術(shù)成果評(píng)價(jià)，得到與會(huì)專家的高度認(rèn)可。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)專家團(tuán)隊(duì)一致認(rèn)為，該項(xiàng)創(chuàng)新工藝技術(shù)具備國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)赤泥的綜合利用提供了新的技術(shù)途徑，填補(bǔ)了大宗工業(yè)固廢赤泥綜合利用領(lǐng)域的空白，這為該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.3 赤泥陶瓷板

隨著各省市推進(jìn)綠色礦山建設(shè)的步伐，自 2018 年國(guó)內(nèi)石材行業(yè)逐步淘汰“小、散、亂”礦山，天然石材的替代成為必然。從礦物及化學(xué)成分分析可以看出赤泥極其適合生產(chǎn)陶瓷石板，但是赤泥的硅含量低，燒成收縮大，所以須采用硅含量高的原料加以調(diào)配。

高新技術(shù)陶瓷板生產(chǎn)公司-?東金卡材料科技有限公司是北方地區(qū)目前獨(dú)一的建筑陶瓷國(guó)家級(jí)綠色工廠，《戶外陶瓷厚磚》行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)起與制定單位，淄博市工業(yè)資源綜合利用建設(shè)項(xiàng)目重點(diǎn)支持企業(yè)。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不同，公司是目前唯一一家以工業(yè)固廢研發(fā)為主打的陶瓷石板生產(chǎn)企業(yè)，也是其中為數(shù)不多的出口+工程+OEM三條銷售業(yè)務(wù)領(lǐng)域齊頭并進(jìn)的企業(yè)。公司掌握了利用各類固廢品（如垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰、煤矸石、赤泥、黑礦渣、催化劑膠渣、城市污泥等）生產(chǎn)陶瓷板的核心技術(shù)，包括產(chǎn)品成分配比及燒成工藝，已形成多類固廢資源生產(chǎn)陶瓷板的工藝及配方專利，具有產(chǎn)品技術(shù)成熟度高、應(yīng)用范圍廣泛、市場(chǎng)接受程度高等突出優(yōu)勢(shì)。

公司利用赤泥等固廢資源所生產(chǎn)的陶瓷石板具體工藝流程與傳統(tǒng)陶瓷石板完全相同。與天然花崗巖石板性能相比，利用赤泥等固廢資源所生產(chǎn)的陶瓷石板產(chǎn)品吸水率低于花崗巖，耐磨度是花崗巖的2倍，重量?jī)H為花崗巖的 1/2，破壞強(qiáng)是花崗巖的 4 倍，壓縮強(qiáng)度高于花崗巖;具有優(yōu)異的抗折強(qiáng)度和防滑度，耐凍融性通過-30o C～5 oC 100 次凍融循環(huán)測(cè)試，放射性通過 3C 認(rèn)證（A 類建筑材料），抗熱震性抗污性和耐強(qiáng)酸堿，穩(wěn)定性高不褪色，色差遠(yuǎn)低于天然石材。

通過對(duì)產(chǎn)品成分配比和燒成工藝的綜合調(diào)整，在赤泥陶瓷板制備上利用山鋁的赤泥固廢已在現(xiàn)有2條生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了大批量的穩(wěn)定生產(chǎn)，形成了系列色系的赤泥陶瓷板，市場(chǎng)效果良好，為赤泥、飛灰、膠渣等各類固體廢棄物的資源化和無害化大規(guī)模應(yīng)用開辟了新的路徑。

2.4 赤泥透水磚和赤泥砂粒

山東理工大學(xué)與淄博天之潤(rùn)生態(tài)科技有限公司聯(lián)合申報(bào)“工業(yè)固廢生產(chǎn)生態(tài)海綿磚和砂石的關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”（獲得山東省循環(huán)經(jīng)濟(jì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)）[7]，項(xiàng)目主要利用赤泥或黃金尾渣等工業(yè)固廢為主要原料，將其制備成生態(tài)海綿磚和砂石制品，在海綿城市建設(shè)和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中可發(fā)揮重要作用。

依托項(xiàng)目成功研發(fā)了赤泥含量達(dá)70%的透水磚，目前正致力于更高赤泥含量的透水磚研發(fā)工作。該產(chǎn)品利用赤泥等工業(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)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)過程中無固廢及廢水排放，是環(huán)保循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)經(jīng)國(guó)家建筑材料工業(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。

所生產(chǎn)的赤泥磚抗折強(qiáng)度達(dá)到6-8MPa，遠(yuǎn)高于5cm厚普通粘土磚的抗折強(qiáng)度，甚至高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一倍以上（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3.2兆帕）;而且所生產(chǎn)赤泥磚的滲水性、抗凍融、防滑性均比粘土磚具有較大優(yōu)勢(shì)。特別是，粘土磚均用破壞生態(tài)的礦產(chǎn)資源進(jìn)行生產(chǎn)，而赤泥磚所使用的原料均為固體廢棄物?？紤]綜合性能及成本，赤泥磚更具節(jié)能環(huán)保、資源循環(huán)利用，而赤泥磚價(jià)格與粘土磚持平，這為產(chǎn)業(yè)化鋪平道路，具有更為突出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)國(guó)家權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，赤泥生態(tài)透水磚強(qiáng)度、透水性、環(huán)境安全性等指標(biāo)均符合和優(yōu)于建筑材料要求，各項(xiàng)技術(shù)性能上均有新的突破，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。該項(xiàng)目不僅科學(xué)合理地解決了赤泥堿金屬、重金屬等環(huán)境安全性問題，且生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生任何尾氣廢氣和二次污染，由此為赤泥廢渣的利用開辟了一條新途徑。

天之潤(rùn)公司的生產(chǎn)線日產(chǎn)能3千平米，年可消耗赤泥約7萬(wàn)噸。目前公司計(jì)劃投資2.3億元建設(shè)赤泥利用工程示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)300萬(wàn)平方米新型生態(tài)透水鋪路材料的產(chǎn)能，年可消化30萬(wàn)噸赤泥和20萬(wàn)噸陶瓷、耐火材料、尾礦等固體廢棄物。

砂石主要應(yīng)用于水泥固化的添加料，廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，是我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的礦產(chǎn)資源。目前，我國(guó)的砂石骨料年產(chǎn)銷量已經(jīng)達(dá)到200億噸，約占世界年產(chǎn)銷總量的1/2。伴隨著生態(tài)環(huán)保政策及山體環(huán)境保護(hù)政策的趨緊，特別是“綠水青山就是金山銀山”環(huán)境理念的持續(xù)深化，砂石骨料行業(yè)越來越成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。一方面，露頭礦山關(guān)閉，砂石骨料短缺，砂石骨料價(jià)格暴漲，各地砂石告急，嚴(yán)重制約了地方建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展;另一方面，非法采砂、綠色礦山建設(shè)、砂石運(yùn)輸?shù)染艿降胤侥酥林醒氩块T的密切關(guān)注，砂石行業(yè)的社會(huì)關(guān)注度正不斷提升。砂石骨料作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用量最大、不可或缺、不可替代的原材料，每年產(chǎn)量達(dá)200億噸，產(chǎn)值約2萬(wàn)億元，是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)。砂石礦山規(guī)劃成為國(guó)家和各地政府關(guān)心的重要內(nèi)容之一。近年來，隨著砂石骨料行業(yè)的關(guān)注度越來越高，行業(yè)發(fā)展備受各界關(guān)注。目前我國(guó)機(jī)制砂石產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2018年6月，自然資源部發(fā)布由中國(guó)砂石協(xié)會(huì)組織專家編制的《砂石行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》，砂石上升到九大礦業(yè)之一。

赤泥生態(tài)砂石項(xiàng)目以赤泥作為原料生產(chǎn)砂石，從根本上解決了天然砂石原料短缺的現(xiàn)狀，突破了赤泥制備生態(tài)環(huán)保砂石工藝中的各項(xiàng)重大關(guān)鍵性技術(shù)：選用合適的造粒制砂工藝，合理的顆粒級(jí)配，研制赤泥或黃金尾渣等工業(yè)固廢生態(tài)砂石，已使其性能指標(biāo)滿足建筑砂的各項(xiàng)指標(biāo)要求;優(yōu)化批量化生產(chǎn)工藝參數(shù)，建立了產(chǎn)品質(zhì)量保證體系;完成了復(fù)合結(jié)合劑的選型和配制;解決了赤泥或黃金尾渣等工業(yè)固廢生態(tài)砂石環(huán)境安全性指標(biāo)的控制，主要包括赤泥或黃金尾渣生態(tài)等工業(yè)固廢砂石制備過程中的重金屬溶出問題、放射性等環(huán)境安全性問題。已生產(chǎn)的赤泥生態(tài)砂石具有堅(jiān)固性好、耐磨損、含泥量低、粒度可控、環(huán)境安全性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛替代天然砂石原料并大量應(yīng)用于建筑工程。

3. 結(jié)語(yǔ)

赤泥是具有高污染性的大宗固體廢棄物，對(duì)人類的生存環(huán)境構(gòu)成極大的威脅。對(duì)赤泥的大規(guī)模綜合利用是響應(yīng)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)無廢城市建設(shè)目標(biāo)的戰(zhàn)略需求。當(dāng)前赤泥的綜合利用率極低，盡管建筑行業(yè)為規(guī)?；C合利用赤泥開辟了新路徑，但仍需加強(qiáng)新技術(shù)研發(fā)力度，不斷產(chǎn)生新的研究成果，將赤泥的利用進(jìn)一步向縱深方向和大規(guī)模應(yīng)用方向推進(jìn)。同時(shí)，還需要積極開拓其他應(yīng)用領(lǐng)域，將赤泥變廢為寶，徹底實(shí)現(xiàn)赤泥的綜合化處理和資源化、價(jià)值化利用。

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