金川铜镍矿山尾矿砂循环经济研究.docx

综合利用 金川铜镍矿山尾矿砂循环经济研究王武名 1 鲁安怀 1 陶维东 2 王长秋 1 张文琦 1( 1. 北京大学 ; 2. 甘肃金川集团有限公司 )摘 要 分析了金川铜镍矿山尾矿砂的危害和治理现状 ,从循环经济的思想出发 ,在试验研究的基础上提出了金川铜镍矿山尾矿砂资源化利用的循环经济模式 。该模式所采用的流程是利用尾矿砂与酸性废水的自反应性 , 模拟地球表层系统中的地质风化作用 ,大宗量削减废固废液污染物 ,同时制备出具有高附加值的无定形二氧化硅 (白炭黑 ) 、纳米氢氧化镁和纳米氢氧化铁 。尾矿砂与酸性废水的自反应技术 ,不但能综合治理金川铜镍矿山尾矿 砂和酸性废水污染问题 ,还能回收有价组分 、获取高附加值产品 ,实现以废治废 、降低消耗 、增产增效 、减少排放和 堆放 、防止环境污染的目的 。关键词 金川铜镍矿山 资源化利用 尾矿砂 循环经济 酸性废水 自反应S tudy on Recyc le Econ om y of Ta il in g s in J in chuan C opper2N icke l M in eW ang W um ing1 L u A nhua i1Tao W e idong2 W ang Changq iu1Zhang W enq i1( 1. B eijing U n iversity; 2. Gansu J inchuan G roup L td. )A b stra c t The ha rm of the sand ta ilings and the p re sen t cond ition s of its con tro l in J inchuan Copp e r - N icke l M inewe re ana lyzed. F rom the view po in t of recyc le econom y, a mode of recyc le econom y fo r the u tiliza tion of the ta ilings a s re2 sou rce is p ropo sed ba sed on the exp e rim en ta l re sea rch. It sim u la te s the geo logica l wea the ring p roce ss in the ea rth su rface system to reduce the wa ste so lid and liqu id po llu tan ts in a la rge amoun t and m eanwh ile p roduce h igh va lue - added p roduc t such a s amo rp hou s silicon d ioxide (wh ite ca rbon) , nano - sca led m agne sium hyd roxide and iron hyd roxide by m ak ing u se of the se lf - reac tion be tween the ta ilings and AMD. Th is se lf - reac tion techno logy be tween ta ilings and ac id ic wa ste wa te r can be u sed no t on ly to comp rehen sive ly so lve the p rob lem of ta ilings and ac id ic wa te r po llu tion in J inchuan M ine, bu t a lso to recove r the va luab le componen ts and ob ta in h igh va lue - added p roduc ts so a s to a tta in the a im of trea ting wa ste s by wa ste s, reduc ing con sump tion, inc rea sing p roduc tivity and benefits, dec rea sing wa ste d ischa rge and d ispo sa l and p reven ting environm en t po llu tion.Keyword s J inchuan Copp e r - N icke l M ine, U tiliza tion a s re sou rce, Ta ilings, R ecyc le econom y, A c id ic wa ste wa2te r, Se lf - reac tion20 纪 90 年代 ,一些发达国家根据生态学原理提出了人类经济发展的新模式 循环经济 ( R ecy2 c le Econom y) 。这种经济模式以生态学规律作为指 导 ,力求把人类生产活动纳入自然循环 ,以期使经济发展和环境保护相互协调 ,在良性互动中循环发展 。 循环经济提出依靠人的智力和智力产生的科技进步 ,按照清洁生产的方式 ,将资源和废弃物作为一 种循环使用的原材料 ,重复多次使用 ,在产品生产过 程中不发生或少发生污染 。这样 ,人类就可以最大 限度地利用地球有限的自然资源 ,减低资源消耗量 , 并且在不破坏或少破坏生态环 境的 状况 下 创造 财 富 、发展经济 。这是人类对环境难以为继的传统发展模式反思后的创新 ,是对人与自然的关系在认识上不断演进的结果 。 矿产资源是我国最重要的自然资源之一 ,全国95 %的能源 、85 %的工业原料以及 70 %的农业生产 资料都是以矿产品为原料 。以矿产资源为基本物质 要素的矿业在国民经济中占有重要地位 ,是整个工 业体系的基础和先导 。然而 ,矿产开发过程中丢弃 的大量废石和尾矿所带来的环境污染已成为当今世 界持续发展所面临的重要问题之一 ,急需研究和解王武名 ( 1977 - ) ,男 ,北京大学地球与空间科学学院 , 博士研究生 ,100871 北京市海淀区 。81总第 358期金属矿山2006年第 4期决 。牟全君 1 认为循环 经济 是 我国 矿业 可 持续 发展的必然选择 ,郭廷杰 2 对金属矿山尾矿的综合利 用进行过多种探讨 ,张锦瑞等 3 也提出了应利用循 环经济模式进行尾矿的资源化利用 ,王运敏 4 更是 结合我国金属矿产资源开发与供给的现状 ,提出了我国金属矿产资源开发循环经济的发展方向 。 金川集团公司位于甘肃省金昌市 ,地处河西走廊东部 ,依托多金属共生的硫化铜镍矿床 ,是集采 、选 、冶 、化为一体的特大型有色联合企业 。主流程单 位有龙首矿 、二矿区 、三矿区 、选矿厂 、冶炼厂 、精炼厂和化工厂等 ,公司目前年处理矿石 440万 t。公司 除了生产主金属镍 (占国内市场 80 %以上 ) 、铜 (占 国内 市 场 15 % ) 之 外 , 副 产 品 有 钴 (占 国 内 市 场44 % ) 、金 、银 、铂 、钯 、锇 、铱 、钌 、铑 、硫磺和硒 ,是我国三大资源综合利用基地之一 。随着生产的高速发 展 ,金川公司每年产生尾矿砂近 400 万 t,同时年产 酸性废水 150万 t,硫酸生产产量 120 万 t以上 。如 此巨大数量的废液与废固成为企业发展中的瓶颈问 题 ,需要采用循环经济的理念和模式来研究和解决 。1 金川铜镍矿山尾矿砂的危害金川集团公司选矿生产采用浮选工艺 ,每年产 生尾矿砂近 400 万 t。自 1963 年投产至今 ,选矿尾 矿砂累计已超过 8 000 万 t,堆存在两座尾矿库 。由于水分逐渐下渗和蒸发 ,使尾矿砂干燥 ,加之大风频 繁 ,地面风蚀加剧 , 风沙流 、沙尘暴频繁发生 , 对大 气 、土壤 、水体 、道路 、建筑及农作物造成严重危害 , 甚至影响人身健康 。尾矿的大量堆放 ,既加速生态 环境的恶化 ,损害人民生活健康和农业生产 ,又增加 了企业生产成本 ,付出了巨额治理费和赔偿费 。1. 1 矿产资源严重浪费 金川铜镍矿选矿尾砂中绝大部分为脉石矿物 ,有少量的金属硫化物和金属氧化物以及微量的贵金属矿物 。脉石矿物主要为橄榄石 、辉石 、蛇纹石 、透 闪石 、绿泥石 、棕闪石 、滑石 ,其次为斜长石 、云母 、碳 酸盐 、磷灰石 ;金属硫化物主要有磁黄铁矿 、镍黄铁 矿 、黄铜矿 ,其次为马基诺矿 、紫硫镍矿 、古巴矿 、墨 铜矿 、铜蓝 、黄铁矿 ;金属氧化物主要为磁铁矿 、铬铁 矿 、钛铁矿 、赤铁矿 ;贵金属矿物主要有银金矿 、金银 矿 、砷铂矿 、铋碲钯矿 5 。由于金川尾矿砂中含有可再选的有用组分 ,而 且就是不可再选的最终尾矿也有不少用途 ,因此 ,尾矿造成的资源浪费是相当可观的 。根据化学分析结 果 (表 1 ) ,金川尾矿平均含 N i 0. 22 % 、Cu 0. 20 % 、8210. 75 % 、SiO37. 19 % 、CaO 3. 30 % 、M gOFe227. 68 % 、A l O 2. 14 % 、S 1. 42 %等 。按 照 这 些 数2 3据 ,金川集团每年将有 0. 88 万 t镍 、0. 8 万 t铜 、43万 t铁随着尾矿流失 ,直接损失 18. 78 亿元人民币(镍的价格按上海期货交易所 2005 年均价 146 981元 / t算 , 铜 价 格 按 上 海 期 货 交 易 所 2005 年 均 价35 486元 / t算 , 铁精粉价格按 700 元 / t算 ) 。到目 前为止 ,累积有 17. 6 万 t镍 、16 万 t铜 、860 万 t铁 随着尾矿流失 ,损失 375. 66 亿元人民币 (计算价格 同前 ) 。如果再加上铝的价格 ,损失更大 。 5 表 1 金川选矿尾砂的化学成分%一选尾矿一选尾矿一选尾矿二选尾矿二选尾矿二选尾矿样 品( X1 )( X2 )( X3 )( X4 )( X5 )( X6 )SiO35. 5028. 621. 813. 1210. 220. 900. 210. 120. 160. 220. 1737. 5625. 981. 774. 109. 500. 850. 200. 150. 130. 190. 1838. 1225. 651. 694. 5210. 950. 710. 190. 210. 110. 200. 1837. 6528. 752. 452. 8511. 720. 870. 250. 200. 180. 250. 2337. 5227. 522. 302. 8010. 050. 710. 220. 200. 190. 230. 2036. 8129. 572. 802. 4312. 080. 560. 300. 310. 200. 240. 252M gO A l2 O3CaO TFeC r2 O3TiO2N a O2K2 O N iCu S 1. 06 0. 88 0. 85 1. 88 1. 65 2. 17 1. 2 尾矿砂排放对环境的危害尾矿砂地面堆放所引起的一系列问题和危害包 括 :占用大面积的土地或农田 ;尾矿砂扬尘污染大气 和环境 ,埋压道路 、水源 、城市建筑等设施及造成高 崖子村农田的严重污染 ; 耗费巨资建立尾矿库和运 营管理 ;尾矿坝潜在的工程灾害危及人民生命财产 的安全和矿山的安全 ; 尾矿中的有害成分产生大量 酸性水污染水源和土壤 ,破坏生态平衡等等 ;尾矿砂 粉尘中含有铜 、镍 、锰 、钴等金属元素 ,随着粉尘被人 吸入呼吸器官 ,可造成公害病 。1. 2. 1 占用大量土地 、危害农作物 金川集团公司目前的尾矿砂年利用量仅有 5 万t,几乎所 有 的 尾 矿 都 是 储 存 , 占 用 了 大 量 的 土 地 。 而且随着尾矿砂数量的不断增加 ,所占用的土地数量必将继续增大 。 尾矿砂堆放对周围农田及农作物的危害严重 ,表现在沙埋耕地 ,风沙割打禾苗及烫伤幼苗 ,土壤结 构破坏导致土壤理化性质变化 、漏肥以及土壤中污染元素对农作物的生长和果树果实的可食性造成影 响等方面 。王武名等 :金川铜镍矿山尾矿砂循环经济研究2006 年第 4期1. 2. 2 影响生态环境尾矿砂对地面环境的污染主要表现在尾矿库扬 尘和残留选矿药剂对环境的污染两方面 。金川集团矿山浮选尾矿砂的粒度较细 ,大多颗 粒粒径为 140 50m ,其中 74m ( - 200目 )以下的占 75 % 。如此细小的颗粒 ,使尾矿砂干后极易扬 尘 ,造成大范围的空气污染 ; 若遇到刮大风天气 ,将 有可能扬起尾矿黑砂尘暴 。 1998 年夏季 ,尾矿库遇 大风刮起铺天盖日的尾矿砂尘暴 ,将附近路过的多 名中小学生卷入尾矿砂中 ,造成重大人员伤亡事故 。另外 ,金川集团选矿工艺采用浮选 ,浮选药剂含大量有机 、无机有毒化合物及油脂等 ,毒性很强 ,这 些有毒物质大部分都存留在尾矿砂中 ,在尾矿砂长 期堆存时会产生有害气体或产生矿山酸性废水 ,流 入或排入溪河湖泊 ,毒害水生生物 。而尾矿砂中含 有的重金属离子随着地球化学 迁移 污染 水 源和 土壤 ,进而污染影响作物生长和可食性 。1. 2. 3 产生安全隐患 尾矿砂在选矿过程中经受了破磨 ,体重减小 ,表面积较大 ,沉积结构松散 ,很不稳定 ,堆存时易流动 和塌漏 ,造成植被破坏和伤人事故 ,一旦发生地震 、暴雨 ,极易引起塌陷和滑坡 ,甚至形成泥石流 。而随 着尾矿砂数量的不断增加 ,尾矿库坝体高度也在增 加 ,不安全隐患日益增大 。尾矿坝潜在的工程灾害 危及人民生命财产的安全和矿山的安全 。2 金川铜镍矿山尾矿砂治理现状2. 1 综合利用率低 选矿厂从投产至今所制订的流程结构和药剂制度一直是以回收镍 、铜为目标 ,这其中还是以选镍为 主 ,铜伴随镍上浮 ,铜的回收率一直很低 。至于其它 伴生组分的回收更是没有采取特别的强化措施 ,所以与主金属镍 、铜相比回收率要低得多 。研究资料 表明 ,金 、银 、铂 、钯 的 选 矿 回 收 率 只 有 50 %左 右 , 锇 、铱 、钌 、铑的回收率一般不超过 45 % 。大量有价 组分随着尾矿堆放流失 ,综合利用率低 。2. 2 无高附加值产品 ,缺乏市场竞争力由于金川集团受地理位置偏僻 、干旱缺水等因 素的制约 ,利用尾矿砂生产建筑材料与装饰材料 、用 作无机肥料 、复垦植被等方式几乎都行不通 。目前 在龙首矿和二矿区已建成尾矿膏体井下充填设施 , 但是 ,膏体充填配料的粒度分布必须连续 ,配料中 -20 m 的细粒级含量必须大于 15 % ,这又增加了尾 矿砂粒度分选的投资 。就是这种没有高附加值产品的利用方式 ,年利用量才 5万 t。3 金川铜镍矿山尾矿砂资源化利用循环经济模式要解决金川尾矿砂堆放引起的资源浪费和环境 污染这两方面的问题 ,办法就是按照循环经济的模 式 ,促进资源的高效利用 ,强化废弃物的综合回收 ,发挥自然资源的内在价值 。 受金川集团公司的委托 ,北京大学地球与空间科学学院矿物材料与环境研究中心对金川铜镍矿山 尾矿砂进行了详细的研究 6 。在此基础上 ,结合金 川铜镍矿山自产废固废液的特点 ,提出了金川铜镍 矿山尾矿砂的循环经济模式 ,如图 1 所示 。金川铜镍矿山尾矿砂的循环经济模式就是在充分利用金川 公司自产的废酸废固物质 ,无需购置添加任何原料 和试剂的前提下 ,模拟地球表层系统中的地质风化 作用 ,大宗量削减废液废固污染物 ,应用废酸废固之 间的特有化学性质差异及由此产生的优良反应性 ,制备出高附加值与适销对路的新产品 。从图 1中可 以看出 ,这种利用模式可以经济高效地处理酸性废 水与尾矿砂等废弃物 ,并从中回收有价组分 ,实现以 废治废 、降低消耗 、增产增效 、减少排放和堆放 、防止 环境污染的目的 。图 1 金川尾矿砂和酸性废水资源化利用流程3. 1 尾矿砂与酸性废水的自反应Schu iling等 7 曾设想 ,利用碱性的橄榄石中和 酸性废水是解决工业废酸问题的一种可能方案 ,并 将之命名为橄榄石流程 ( o livine p roce ss) 。与中和废 酸的常规方法相比 ,使用橄榄石有它的优势 ,即可产生有价值的副产品 ,如沉淀下来的无定形二氧化硅 , 而且不产生新的废物流 。 H a ruh iko 等 8 和 M ayum i2 ko等 9 也都进行过橄榄石与酸反应的研究 。国内 的吕宪俊 10 和杨保俊等 11 , 12 曾利用酸浸蛇纹石制83总第 358期金属矿山2006年第 4期取氧化镁 ,其中的副产品也是无定形二氧化硅 。需要强调的是 ,尾矿砂与废酸液极少在同一个 企业同时存在 ,对废液废固无害化处理也常常是独 立进行的 ,难免需要购置添加一定的原料或试剂 ,这 无疑将增加处理成本 。难得的是 ,金川公司同时拥有废酸液与尾矿砂 ,而且尾矿砂中主要物质组成是 富镁橄榄石 、辉石 、绿泥石和蛇纹石等 ,完全不同于 通常意义上的化学性质较稳定 、组成以长石石英等 为主的固体废弃物 。通过详细的矿物学研究 ,发现 正是金川公司尾矿砂中这些化学稳定性差 、极易与 酸发生溶解作用的矿物 ,与废酸液界面化学能量差悬殊 ,导致其化学活性与反应性剧烈 ,可成为这些废 液废固发生自反应的内动力 6 。3. 2 回收有价组分 ,获取高附加值产品从图 1 中可以看出 ,尾矿砂与酸性废水发生自 反应后过滤 ,滤渣经过分选将得到新产品无定形二氧化硅 (白炭黑 ) 。滤液中的主要成分是硫酸镁和 硫酸亚铁 ,还有部分残余在尾矿中的金属镍 、铜的硫 酸盐 。首 先 在 滤 液 中 加 入 氧 化 剂 , 将 Fe2 + 氧 化 成 Fe3 + ,然后加入废碱液调节 pH 值 , 体系将随着 pH 的变化依次分离出铁 、镍 、铜和镁 。将氢氧化铁和氢氧化镁干燥纯化后即分别得到纳米氢氧化铁和纳米 氢氧化铁 。这个过程不仅能将尾矿砂中的残余贵金 属回收 ,而且还将脉石矿物充分利用 ,制备出附加值 高的新产品无定形二氧化硅 (白炭黑 ) 、纳米氢氧化 铁和纳米氢氧化镁 。利用化学沉淀法制备的活性二氧化硅性能大大优于直接利用石英砂粉碎制备的二 氧化硅 ,可广泛应用于橡胶 、塑料 、合成树脂 、油漆 、 高级陶瓷 、造纸 、及日用化妆品等领域 ,也可用作润 滑剂和绝缘材料 13 。氧化氢氧化铁纳米颗粒可以 被广泛地应用于催化剂 、高档颜料 、凝聚剂 、磁记录材料的制备等方面 14 。氢氧化镁作为重要的化工 产品和中间体 ,已在陶瓷材料 、环保 、医药等领域有 着广泛的应用 ,近年来 ,在无机阻燃剂领域也得到了 较快的发展 ,纳米氢氧化镁充填于复合材料中能大 大提高材料的阻燃性能 、力学性能和其他性能 15 。实验室研究证明 ,尾矿砂与酸性废水自反应技术 基础上的循环经济模式不仅可以回收金川尾矿中的 有价金属 ,而且可以利用其中的非金属矿物 ,得到高 附加值的新产品 ,提高资源的综合利用水平 。根据研 究成果 ,进一步的工程建设即将在金川公司展开 。4 结 论( 1 ) 金川铜镍矿山尾矿砂不仅造成资源的严重84浪费 ,而且对生态环境有很大的危害 ;现有治理方案综合利用率低 ,无高附加值产品 ,缺乏市场竞争力 。 ( 2 ) 尾矿砂与酸性废水自反应技术基础上的循 环经济模式 ,不但能综合治理金川铜镍矿山尾矿砂和酸性废水的污染问题 ,还能回收有价组分 ,获取高 附加值产品无定形二氧化硅 (白炭黑 ) 、纳米氢氧化铁和纳米氢氧化镁 。( 3 ) 本研究提出的金川尾矿资源化利用循环经 济模式 ,可实现以废治废 、降低消耗 、增产增效 、减少 排放和堆放 、防止环境污染的目的 ,将有效促进金川 集团公司发展既减污又增效的循环经济型矿山 。参 考 文 献牟全君. 循环经济与我国矿业的可持续发展 J . 中国矿业 ,2003 , 12 ( 6 ) : 21 224.郭廷杰. 加速金属尾矿综合利用途径的探讨 J . 金属矿山 ,1998 ( 8 ) : 37 240.张锦瑞 ,徐 晖 , 饶 俊. 循环经济与金属矿山尾矿的资源化 研究 J . 矿产综合利用 , 2005 ( 3 ) : 29 233.王运敏. 我国金属矿产资源开发循环经济的发展方向 J . 金 属矿山 , 2005 ( 9 ) : 1 24.温德清 ,王正辉 , 王玉山. 金川镍矿浮选尾砂的物质组成及开 发应用研究 J . 矿物 岩石地 球化 学通报 , 2001 , 20 ( 3 ) : 198 2202.王武名 ,鲁安怀 ,陶维东 ,等. 金川铜镍矿床尾矿砂酸溶性实验 研究 J . 岩石矿物学 , 2005 , 24 ( 6 ) : 633 2637.Schu iling R D , V an H e rk J , P ie te rsen H S. 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