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【分享】铜尾矿资源化利用技术进展

2021年04月16日 12:00点击数量:33次


       (来源: 中国矿业;作者: 刘海营,杨 航,钱志博,李伟光,郭利杰

       据统计,我 国 每 年 新 排 放 的 铜 尾 矿 高 达3亿t 以上,其中,江西、湖 北、湖 南、安 徽、河 南、山 西 等6 省每年新排放的铜尾矿占全国的50%以 上。铜 尾矿化学成分复杂、伴生有硫、镉、砷等有害元素,限制 了在多个领域的大掺量资源化利用。如何实现铜尾 矿减量化、高值化和全程无害化是行业关注的焦点。

        近年建材化减量利用逐步成为铜尾矿资源综合 利用的主要方向,研发铜尾矿大规模消纳技术成为 研究热点。通过文献查阅、现场调研和试验研究, 本文对我国铜尾矿资源利用状况进行了介绍,重点 论述了铜尾矿制备多孔陶瓷材料和水泥混合材的新 进展,并提出铜尾矿资源综合利用发展新理念。

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铜尾矿资源综合利用途径

1.1 井下充填 

        尾矿充填是铜尾矿资源综合利用的重要途径, 将尾矿作为矿山采空区回填的充填体是重要的减量 化手段。研究低成本充填的组合型技术策略成为新 指导方向,包括因地制宜的充填方法、采场充填体强 度最优设计、可替代水泥的新型充填胶凝材料和矿 山充填质量控制等。许文远等对安庆铜矿进行了 不同颗粒级配铜尾砂优化组合膏体充填技术研究, 提出了粗、细尾砂分别浓缩后混合充填的系统性方 案。低成本充填是实现尾矿减量化和铜矿山降本增 效的有效途径,武山铜矿在建的三期10000t/d扩 建工程采用矿山全尾矿膏体充填系统,单套系统充 填能力140~150m3/h,目前已经投入正常生产,具 有较强的应用示范作用。 

1.2 有价资源回收 

        有价组分回收是提高铜尾矿资源综合利用效率 的有效手段。我国的铜尾矿矿物成分复杂,选冶联 合为常用手段,其中浮选和化学浸出工艺应用较多。浮选通过不同工艺和药剂搭配实现有价金属的富集 和有用矿物的回收;化学浸出工艺可以实现铜尾矿 中的难选有价金属的提取。宋磊等针对某铜尾矿 有价矿物种类繁多、嵌布粒度细、含泥高的特性,制 定了磨矿擦洗-先硫后氧原则技术方案,获得了铜品 位11.35%、铜回收率为51.42%的铜粗精矿。李建 宏等采用重选-磁选-浮选联合流程对永平铜矿尾 矿中钨、黄铁矿和石榴石有价资源进行回收。张丽 军等对某选铜尾矿中重晶石进行浮选回收,获得 了 BaSO4 含量95.76%、回 收 率82.21%的 重 晶 石 精矿,实现了该尾矿中重晶石的有效回收。何锦龙 等对德兴铜矿尾矿进行了工艺矿物学分析,查明 了其中矿物组成和主要矿物的嵌布特征,分析了尾 矿中铜、铁和钼的可回收途径。北矿机电科技有限 公司研发的 CGF型机械搅拌式粗颗粒浮选机针对 性地对德兴铜矿铜尾矿中的粗粒级含铜矿物进行回 收,有效提高了铜的回收率,该装备实现了工业应用。 

1.3 作为建筑材料或者建筑掺合料 

        铜尾矿中含有较高的SiO2、CaO、Al2O3 等化学 组分,与水泥、玻璃、陶瓷等建材原料的成分较为接近,预处理后可以部分代替传统优质钙、硅质矿物原 料。加压混凝土砌块、烧结砖、免烧装和混凝土掺合 料等是铜尾矿主要应用产品,多类技术实现了工业 应用或 完 成 工 业 试 验。曾 兴 华 等通 过 复 合 天 然 砂、细磨等手段用江西某铜尾矿作为制备蒸压加气 混凝土砌块的原材料,获得了最佳的原料配比和养 护制度。鲁亚等以城门山铜矿尾矿原矿替代天然 河砂,磨细铜尾矿粉替代水泥或矿物掺合料,以常规 工艺制备出经济型超高性能混凝土(UHPC),表 明 铜尾矿可以实现多渠道掺加,降低原料成本。江西 万铜环保材料有限公司以城门山铜尾矿为主要原 料,正在建 设 年 产 30 万 m3 加气混凝土砌块生产 线、年产156.5万t建材用硅质原料生产线(脱水车 间、浓密池等)和1条年产70万t混凝土掺合料生 产线,项目示范效应巨大,极大的促进了铜尾矿在建 材领域的应用。课题组以中条山选铜尾矿掺加废弃 土、煤矸石等在工业生产线制备了多规格多孔烧结 砖,性 能 符 合 《烧结多孔砖和多孔砌块 》(GB/T 13544—2011)、《烧结空心砖和空心砌块》(GB/T 13545—2014)要求,证明了中条山铜尾 矿 综 合 利 用 制备烧结砖的技术可行性。

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铜尾矿资源综合利用新进展

2.1 铜尾矿制备多孔陶瓷材料 

        多孔陶瓷材料是经高温烧制,发泡生长而成,其 气孔间不贯通、吸水率低、孔径为毫米级,并且气孔 为闭孔且气孔率高,密度及导热系数低,在保温隔热 性能上更具优势。目前多孔陶瓷材料的制备方法也 不尽相同,在成型方式、发泡压力和发泡剂筛选上研 究较多。近 年 随 着 原 料 资 源 短 缺 和 环 境 保 护 的 加 强,蛇纹石、页岩、湖泊淤泥、煤矸石和珍珠岩等矿业 固废也逐步在多孔陶瓷制备上应用。铜尾矿是复杂 多元体系,不同于天然矿物原料,其中的残余重金属 等有害组分和复杂氧化物组分都会影响制备工艺和 产品性能,在铜尾矿制备大尺寸保温隔墙材料方面 存在技术难点。马调调以德兴铜矿尾矿为主要原 料制备了多孔陶瓷,研究了造孔剂的用量、黏结剂用 量、烧结温度、保温时间等对多孔陶瓷的气孔率的影 响规律,获 得 的 最 优 制 备 条 件 为 造 孔 剂 碳 粉 用 量 25%,黏结剂木质素磺酸钙用量 7.5%,成 型 压 力 6MPa,烧成温度1080 ℃,保温时间30min。官钰 洁以铜绿山铜矿尾矿 和钾长石为原料,添 加 CaCO3 作为发泡剂,采用直接烧结发泡工艺制备了 多孔陶瓷。研究表明烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷硬 度、密度和吸水率有一定影响,烧结温度的升高有利 于白榴子石相的形成。笔者依据江西某铜矿尾矿特性,掺加钠长石、废石、白云石和发泡剂,采用喷雾造 粒工艺制备了多孔发泡陶瓷隔墙板,并完成了工业 试验验证,获得了不同工艺参数对产品表观密度、强 度的影响,表明烧成温度是影响强度和密度的最显 著性因素。发泡陶瓷隔墙板的性能指标见表1。

2.2 铜尾矿大掺量制备水泥混合材 

        近年来,尾矿用作水泥混合材逐渐成研究热点 之一。水泥混合材是水泥产品中添加的主要矿物材 料,主要来源是粒化高炉矿渣和粉煤灰,其可以提高 水泥的产量,改善水泥的性能。复合硅酸盐水泥中, 混合材料的允许掺加量一般可 达 到 20% ~50%。基于我国水泥生产量大的优势,提高铜尾矿大掺比 制备水泥混合材是实现铜尾矿减量化的有效渠道。

        铜尾矿 化 学 成 分 以 SiO2 为 主,并 含 有 Al2O3、 Fe2O3 等其 他 酸 性 氧 化 物,少 量 Na2O、K2O、CaO、 MgO 等碱性氧化物,其化学成分与目前水泥混合材 所用 的 高 炉 粒 化 矿 渣 等 类 似,具 有 与 石 膏 中 的 Ca(OH)2等碱性化合物反应生成硅酸钙凝胶的潜 在火山灰活性。 

        铜尾矿机械粉磨、高温蒸养和化学激发等可以 进一步增强其活性。在机械粉磨过程中,尾矿的玻 璃体结构在各种机械力的作用下发生晶格畸变,化 学键发生断裂,在颗粒表面和内部产生微裂纹,极性 分子或离子更容易进入玻璃体结构的内部空穴,促 进尾矿的分散和溶解,增强水化反应;在有碱金属盐 类化学活化剂或有机高分子聚合物活化剂的作用 下,经过超细粉磨,尾矿的活性激发更为明显。 

        课题组完成了安徽某铜矿尾矿制备水泥混合材 技术开发。针对选铜尾矿中有色金属硫化矿含量 高、尾矿活性差的问题,开发了湿法浮选脱硫、干法 磁选脱硫、细磨和外加剂活化的等综合性技术,对闭 库老尾矿和新排尾矿给出了系统性、针对性解决方 案。在尾矿 掺 量 ≤10% 条 件 下,28d 活 性 指 数 在72%~75%之间,抗压强度为45~48MPa,符合《用 于水泥中的火山灰 质混合材料》(GB/T 2847— 2005)对活性混合材的要求和42.5R等级水泥强度 要求。 

        倪明江等开 展 了 江 西、福 建、桂 林4个 不 同 矿山铜尾矿用作水泥混合材的实验研究。采用水泥 熟料、石膏和铜尾矿球磨粉磨制备尾矿水泥。研究 表明,随着尾矿掺配比的递增,尾矿水泥的强度(抗 折强度和抗 压 强 度)呈 现 递 减 趋 势,并 且 相 同 掺 量 下,不同矿山尾矿的强度和活性差别较大。28d活 性指数在68.7%~72.2%之间,表明铜尾矿属于活 性混合材,可单独或复合使用。

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铜尾矿资源综合利用的新理念

3.1 建立健全铜尾矿资源利用生命周期评价体系 

        固体废弃 物 资 源 化 的 生 命 周 期 评 价(LCA)是 对固体废弃物资源化的整个过程,包括从固体废弃 物的产生、废物收集回收、加工制造、流通使用及最 终处理,物质能源输入输出以及相应环境排放物进 行识别和量化,评估各个阶段物质、能源利用效率以 及最终处理的环境影响,从而设计出对环境友好的 产品。

        为了促进铜尾矿的循环利用引入 LCA 方 法非常必要。铜尾矿的 资 源 综 合 利 用 伴 随 着 巨 量 的 矿 物 输 出,其对环境的二次影响难以在短时内显现。因此, 基于铜尾矿资源综合利用全生命周期理念,研究在 资源化利用过程中有害组分在气-液-固相间分配模 式及多相间的转化规律和重点污染控制环节的环境 影响解析尤为重要。

3.2 强化不同地区铜尾矿的资源属性判定 

        我国铜矿床类型多,以斑岩型、矽卡岩型、层状 和黄铁矿型铜矿床为主,不同矿床、不同地区的铜矿 山矿物成分和矿山结构构造差别大,使得铜尾矿 在矿物组成、有害组分种类、尾矿粒度分布等方面存 在差异。 

        以不同地区铜尾矿的工艺矿物学研究为基础, 从无害化、资源化和高值化为目标,解析不同地区铜 尾矿的化学成分、矿物组成与物化特性;通过基础研 究,解决大量使消纳铜尾矿的基础科学问题及工艺 原理;强化工艺技术开发,研究低成本、低能耗、无污 染、低尾排放、生产高附加值产品的途径;基于基础 资料梳理和统计,建立系统的铜尾矿资源属性判定 方法。

3.3 推进铜尾矿减量化和高值化协同利用 

        铜尾矿减量化主要为用作水泥基材料原料,重 点面向水泥 混 合 材、混 凝 土 掺 合 料 和 胶 凝 材 料 等。水泥混合材和混凝土掺合料供应不及水泥产量的增 长幅度,铜尾矿可以部分弥补水泥基材料的缺口,同 时实现减量化。以年产千万吨级的大中型水泥生产 企业为例,按照 铜 尾 矿10%的 掺 加 量,年 尾 矿 消 纳 量可达到百万吨级,减量化效果明显。 

        随着我国装配式建筑、海绵城市建设和建材行 业升级等不断强化推进,铜尾矿的高值化利用产品 可以为建筑陶瓷墙地砖、发泡陶瓷轻质墙体保温材 料、高性能透水路面铺装材料、高品质烧结清水墙砖 和景观地砖和尾矿烧结普通砖等新型绿色建材。推 进铜尾矿减量化、高值化协同处理,因地制宜多渠道 的资源综合利用成为研究的重点。

4 结 语

        铜尾矿的大量堆积存在环境污染和安全风险, 制约了我国铜产业发展的速度和规模,不符合我国 绿色生态文明建设要求。铜尾矿资源综合利用是实 现尾矿堆存减量的主要手段。随着我国矿业行业在 科技和产业领域的不断深化,铜尾矿的资源综合利 用水平不断提高,并在多个领域获得新的发展。为 了更好地推进铜尾矿的高质量综合利用,为我国铜 产业长足发展保驾护航,需要建立健全铜尾矿资源 利用生命周期评价体系,强化不同地区铜尾矿的资 源属性判定,开发铜尾矿减量化和高值化协同利用 新技术,逐步开拓我国尾矿减量化环境保护和资源 化综合利用的新局面。我们相信,随着相关领域科 研人员的不断努力和攻关,国内铜尾矿资源综合利 用一定会朝着大掺量、低能耗、高效率、协同利用的 方向快速发展,助推我国矿产资源综合利用走向世 界前列。

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