利用尾礦廢石骨料生產(chǎn)混凝土技術(shù)潛力巨大

  我國是全球尾礦和廢石堆存量最大的國家，2013年尾礦產(chǎn)生量16.49億噸，金屬礦采礦廢石總產(chǎn)生量為49.47億噸，其中僅鐵尾礦產(chǎn)生量就超過8.39億噸，產(chǎn)生鐵礦廢石超過40億噸。我國尾礦和廢石的堆存總量超過610億噸。

  目前京津冀地區(qū)開山炸石生產(chǎn)建筑用砂石料所產(chǎn)生的潛在PM2.5形成物，約相當(dāng)于640萬輛機(jī)動車的總排放量，超過北京市全部機(jī)動車的排放總量。

  全尾礦廢石骨料生產(chǎn)混凝土技術(shù)在北京市約創(chuàng)造產(chǎn)值1278億元，總利潤約66億元。

  選用一級摻粉煤灰和S105礦渣粉進(jìn)行復(fù)摻配合比，減少水泥用量40%，約減排二氧化碳32%。

  極低水泥熟料混凝土用于生產(chǎn)人工魚礁，采用1%水泥熟料，膠凝材料99%由超細(xì)礦渣粉、鋼渣粉和脫硫石膏代替，比普通人工魚礁混凝土減排二氧化碳90%以上。

  “如果能將鋼渣粉磨成微米級細(xì)粉，并與高爐水淬礦渣微粉、尾礦微粉和脫硫石膏微粉協(xié)同作用，可制成高性能的混凝土和用于地下充填采礦的充填料。如果全國的高爐礦渣、鋼渣、尾礦粉、脫硫石膏與尾礦和廢石制成的砂石料能夠?qū)崿F(xiàn)良好的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用，每年不僅能節(jié)省5億噸至10億噸的水泥熟料，還能減少數(shù)十億噸的開山炸石。開山炸石所取得每立方米砂石料約向大氣中排放54.2克粒徑小于1微米的粉塵。同時，每噸炸藥爆炸，約向大氣中排放150公斤~300公斤的氮氧化物。目前京津冀地區(qū)開山炸石生產(chǎn)建筑用砂石料所產(chǎn)生的潛在PM2.5形成物，約相當(dāng)于640萬輛機(jī)動車的總排放量，超過北京市全部機(jī)動車的排放總量?！?

  目前，京津冀霧霾成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，北京科技大學(xué)博士生導(dǎo)師、中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會首席專家、尾礦聯(lián)盟副秘書長倪文教授日前對記者表示，通過科技創(chuàng)新，我們一方面要減少開山炸石及其帶來的嚴(yán)重污染，另一方面，將龐大的“尾礦和廢石山”利用起來，實(shí)現(xiàn)從源頭上減排PM2.5。

  倪文教授長期從事礦物材料和固體廢棄物資源化的研究工作。他說，以往，我們對大宗工業(yè)固廢的綜合利用研究，對單種固廢的考慮較多，多種固廢全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用的研究較少，再加上行業(yè)壁壘的束縛，對硅酸鹽類尾礦和廢石的特性沒有深入研究和充分利用。

  尾礦和廢石及鋼鐵冶金渣是巨大的資源寶庫

  倪文教授介紹，高爐水淬礦渣中具有潛在水硬活性的硅氧四面體是水泥熟料的2倍~3倍，但目前無論是作為水泥混合材料還是作為混凝土摻合料，或是作為膠結(jié)充填采礦膠結(jié)劑的主要成分，只有15%~30%在發(fā)揮作用。我國年產(chǎn)水淬高爐礦渣近3億噸，這種粗獷的利用方式是一種潛在的浪費(fèi)。

  大部分鋼廠經(jīng)過充分選鐵后，鋼尾渣中還有3%左右的殘余金屬鐵，并含有比水泥熟料更高的鈣、鎂、鐵二價金屬離子。我國年產(chǎn)鋼渣近1億噸，累積堆存近10億噸，是一個巨大的鈣鎂鐵資源庫。

  倪文教授指出，令人頭疼的霧霾問題，是由于粒徑小于1微米的超細(xì)固體顆粒物、氮氧化物和硫化物向大氣中排放造成的。京津冀地區(qū)每年建筑用砂石料的總消耗量約6億噸，大部分是由開山炸石來取得。

  一方面是資源的大量浪費(fèi)，伴隨著產(chǎn)生大量污染，而另一方面，倪教授給出的數(shù)字更讓我們震驚：“我國是全球尾礦和廢石堆存量最大的國家，2013年尾礦產(chǎn)生量16.49億噸，金屬礦采礦廢石總產(chǎn)生量為49.47億噸，其中僅鐵尾礦產(chǎn)生量就超過8.39億噸，產(chǎn)生鐵礦廢石超過40億噸。我國尾礦和廢石的堆存總量超過610億噸，相當(dāng)于滿載的重載列車?yán)@地球200圈?！?

  目前在京津冀及周邊的燕山和太行山區(qū)，就堆存有200億噸以上的磁鐵石英巖型鐵尾礦和廢石，并具有廣泛分布的特征。

  “十二五”期間，倪教授帶領(lǐng)他的團(tuán)隊，開展了“典型尾礦資源清潔高效利用技術(shù)及裝備”項目的研究工作，對 “尾礦制備綠色環(huán)保新型建筑材料關(guān)鍵技術(shù)與示范”課題進(jìn)行了深入研究。他們采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石制備建筑用砂石骨料，代替開山炸石所生產(chǎn)的砂石料，在北京地區(qū)已取得初步成功，北京市累計利用尾礦和廢石已超過3.6億噸。但是在京津冀地區(qū)和全國大規(guī)模推廣，還存在進(jìn)一步提高品質(zhì)、降低成本、降碳降耗和補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)鏈等若干重大共性關(guān)鍵技術(shù)難題。

  協(xié)同利用技術(shù)取得重大突破

  “尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立4年多來，每年通過舉辦培訓(xùn)班和現(xiàn)場交流會等方式推廣先進(jìn)適用技術(shù)。其中全尾礦廢石骨料C30和C40預(yù)拌泵送混凝土生產(chǎn)技術(shù)在北京市得到大范圍推廣應(yīng)用，并開始輻射河北、遼寧、天津等省市。”倪教授舉了幾個例子。

  根據(jù)密云冶金礦山公司提供的用戶意見顯示，僅該公司下屬的5家礦山企業(yè)在2013年就生產(chǎn)尾礦、廢石骨料2800萬噸，95%以上銷售給北京市的混凝土攪拌站或預(yù)制件廠。由此可以計算，這些尾礦和廢石骨料可以生產(chǎn)混凝土1200萬立方米，總產(chǎn)值可達(dá)40多億元。該技術(shù)在北京市自2006年到2013年8年間逐步推廣擴(kuò)散，約創(chuàng)造產(chǎn)值1278億元，總利潤約66億元。

  “我們對磁鐵石英巖型鐵尾礦生產(chǎn)建設(shè)用砂及廢石生產(chǎn)混凝土粗骨料進(jìn)行了研究。磁鐵石英巖型鐵礦每年的開采量占全國鐵礦石開采量的70%，其產(chǎn)生的尾礦和廢石約占全國所有金屬礦尾礦和廢石總量的40%左右。我們以北京威克冶金公司的鐵尾礦全尾砂為原料，經(jīng)過濕法篩分后，作為商品建設(shè)用砂。經(jīng)檢測，產(chǎn)品級配符合標(biāo)準(zhǔn)要求，放射性限量符合國家標(biāo)準(zhǔn)?；炷链止橇辖?jīng)過北京建設(shè)工程質(zhì)量第一檢測所有限公司檢測，級配和放射性限量均符合指標(biāo)要求?！?

  倪教授介紹，在減排二氧化碳方面，本項目成果中最新完成的大摻量礦物摻合料，C30和C40預(yù)拌泵送混凝土的膠凝材料中，水泥、粉煤灰和礦渣粉的比例達(dá)到了30∶35∶35，比目前普遍應(yīng)用技術(shù)中的水泥用量降低了40%以上，而且已經(jīng)制備出高性能的混凝土。據(jù)測算，本項目的新成果比傳統(tǒng)技術(shù)減少水泥用量40%，可以減排二氧化碳約32%。

  “我們還對‘100%采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石骨料，作為配制C30至C80預(yù)拌泵送混凝土技術(shù)’進(jìn)行了研究，選用一級摻粉煤灰和S105礦渣粉進(jìn)行復(fù)摻配合比，膠凝材料組分比為水泥、粉煤灰、礦渣粉的比例為30∶35∶35，水泥比例比通用方案降低了40%，完成了12個大型桿塔基礎(chǔ)的施工（600立方米），抗壓強(qiáng)度、塌落度均超過設(shè)計強(qiáng)度。全尾礦廢石骨料高性能混凝土應(yīng)用于浦項中心AB座商務(wù)辦公樓工程項目和北京CBD核心區(qū)地下公共空間市政交通基礎(chǔ)設(shè)施項目工程中，C60、C80混凝土性能優(yōu)良，達(dá)到工程設(shè)計的各項要求?！?

  “由北京科技大學(xué)聯(lián)合武漢理工大學(xué)、北京豐懷軌枕廠和北京威克冶金有限公司等單位開發(fā)出100%采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石生產(chǎn)C60至C80預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路軌枕技術(shù)，已成功投產(chǎn)3年，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕210萬根，其中新研制的C60預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的水泥用量從90%下降到30%以下，比原來的技術(shù)減排二氧化碳約48%?！?

  倪教授認(rèn)為，100多年來的水泥和混凝土化學(xué)的理論與實(shí)踐充分證明：所有納米、亞微米顆粒的緊密聚集，都對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生貢獻(xiàn)。因此，利用固體廢棄物為混凝土體系提供可解聚和再聚合的硅（鋁)氧四面體，是降低水泥用量、制備高耐久性綠色混凝土的關(guān)鍵。

  高爐水淬礦渣是目前發(fā)現(xiàn)的活性最好的混凝土摻合料，其提供硅（鋁）四面體的潛力是水泥熟料的2倍至3倍。大部分尾礦提供硅（鋁）四面體的潛力是水泥熟料的3倍至4倍，但活性不容易被激發(fā)出來。充分利用多種固體廢棄物的協(xié)同效應(yīng)，把它們提供硅（鋁）四面體的潛力充分釋放出來，是大幅度降低水泥用量、制備綠色高性能混凝土的重要發(fā)展方向。

  人工魚礁減排二氧化碳90%

  倪文教授介紹，他還主持完成了國家海洋公益性重大項目“基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋牧場關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”中“生態(tài)型中性凝石混凝土人工魚礁研究及工程示范”子項目。倪教授介紹，人工魚礁就是模仿天然珊瑚礁的功能給魚搭窩，不僅具有聚魚效果，還具有顯著的凈化海水、恢復(fù)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的功能。為了進(jìn)一步降低人工魚礁混凝土的原料成本，促進(jìn)節(jié)能減排，他們研究了一種極低水泥熟料人工魚礁混凝土。該人工魚礁采用1%水泥熟料，膠凝材料99%由超細(xì)礦渣粉、鋼渣粉和脫硫石膏代替，比普通人工魚礁混凝土減排90%以上的二氧化碳。目前，項目組已完成國家海洋局重大公益項目“基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋牧場研究與示范”，并通過驗(yàn)收。極低水泥熟料綠色人工魚礁混凝土潛在生態(tài)危害指數(shù)較低，重金屬危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于長江口海域、南海南澳海島海域沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。

  倪文教授負(fù)責(zé)研究的國家自然科學(xué)基金項目“復(fù)鹽礦物在赤泥-礦渣高性能充填料中的形成機(jī)理及調(diào)控機(jī)制研究”也取得了較大進(jìn)展。倪文介紹，以超細(xì)水淬高爐礦渣為主要原料，以鋼渣和脫硫石膏做激發(fā)劑可配制出地下固化有色工業(yè)廢棄物的膠結(jié)充填膠結(jié)劑，并發(fā)生“復(fù)鹽效應(yīng)與硅的四配位同構(gòu)化效應(yīng)”，使砷和重金屬得到原子級固化。

  “十三五”再展宏圖

  倪教授介紹，“十三五”期間，他們還將圍繞鐵尾礦與廢石資源進(jìn)行重點(diǎn)研究，主要開展以下項目的研究工作：

  ——“典型地區(qū)鐵尾礦和廢石資源中有價組分回收與優(yōu)質(zhì)建材原料協(xié)同優(yōu)化清潔生產(chǎn)技術(shù)”研究，重點(diǎn)研發(fā)有價組分回高效回收與優(yōu)質(zhì)建材原料生產(chǎn)的協(xié)同技術(shù)、粉塵污染高效低成本控制技術(shù)、廢水高效回用技術(shù)、超細(xì)尾礦泥（粉）高效回收與利用技術(shù)等。

  ——“以實(shí)時循環(huán)除鐵為核心的鋼渣高效粉磨技術(shù)”，重點(diǎn)研發(fā)鋼渣中微米級金屬鐵微粒的實(shí)時循環(huán)去除與鋼渣微粉生產(chǎn)的協(xié)同技術(shù)、鋼渣微粉的粒級控制技術(shù)、鐵微粒的特性控制和高附加值利用技術(shù)等。

  ——“S120級礦渣微粉低成本制備及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)”，重點(diǎn)研發(fā)礦渣入磨前的高效除鐵技術(shù)、礦渣粉磨過程中金屬鐵微粒的實(shí)時循環(huán)去除與礦渣微粉生產(chǎn)的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)、單線能力100萬噸/年的S120級礦渣微粉低成本制備協(xié)同優(yōu)化成套裝備技術(shù)等。

  ——“無水泥微膨脹膠結(jié)充填料專用膠凝材料生產(chǎn)技術(shù)”，重點(diǎn)研究充填料水化硬化過程中硅的四配位同構(gòu)化效應(yīng)和復(fù)鹽效應(yīng)調(diào)控技術(shù)、鋼渣微粉在礦渣微粉與脫硫石膏的協(xié)同作用下微粒微膨脹高效利用技術(shù)、提高充填料的可控性及強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律對采礦工藝的適應(yīng)性技術(shù)等。

  ——“尾礦充填過程中大規(guī)模高效濃縮、充填料制備、輸送和充填的成套裝備與技術(shù)”，重點(diǎn)研發(fā)尾礦高效濃縮、充填料成套工藝技術(shù)，新一代尾礦充填智能控制系統(tǒng)，形成大規(guī)模井下采場充填監(jiān)控、參數(shù)反饋與質(zhì)量自動控制系統(tǒng)。

  ——“100%廢棄物低碳人工魚礁混凝土生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用”，重點(diǎn)研究海洋環(huán)境下100%廢棄物低碳人工魚礁混凝土系統(tǒng)的海洋生態(tài)相容性評價方法，并形成評價標(biāo)準(zhǔn)；研究基于尾礦和廢石與主要冶金渣全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用的人工魚礁混凝土對凈化海水和優(yōu)化海洋生態(tài)有益組分活性調(diào)控技術(shù)。

  “我們計劃到‘十三五’末期，帶動京津冀及周邊地區(qū)減排PM2.5每年達(dá)到3萬噸，新增消納尾礦廢石每年達(dá)到3億噸，為在京津冀地區(qū)全面停止開山炸石提供具有國際領(lǐng)先水平的成套技術(shù)和示范工程；支撐全國膠結(jié)充填采礦生產(chǎn)成本平均降低30%，尾礦充填采空區(qū)消納尾礦總量從現(xiàn)在的1.6億噸增加到3億噸以上。

  倪文教授每天馬不停蹄地行走在科技的前沿，不遺余力地將研制出的創(chuàng)新技術(shù)與實(shí)踐零距離接軌、融入，在為社會、為企業(yè)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，更是為減少尾礦、減少污染，為經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。