拜耳法干式赤泥基本特性及堆场运行特征分析

1、Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 10049665/2010/18(3.0340.05拜耳法干式赤泥基本特性及堆场运行特征分析饶平平(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092(同济大学地下建筑与工程系上海200092摘要拜耳法赤泥矿物成分特殊,力学性能较差,平果铝赤泥堆场利用拜耳法赤泥筑坝在国内尚属首次。通过对拜耳法赤 泥颗分情况、矿物及化学组成、物理力学特性等进行试验研究,认为赤泥中Fe20,含量较高、粒径较细且属于级配不良的土; 结合平果铝赤泥堆场目前的运行情况,分析了赤泥堆场目前运行时存在的排水系统、赤泥圃结等几个问题,指出了赤泥堆场

2、 堆存后期有可能由于赤泥排水缓慢面导致堆场底部赤泥长期被水浸泡,从而对堆场的稳定性造成一定影响。关键词拜耳法赤泥平果铝运行特征中图分类号:P642.13文献标识码:AANALYSIs ON BASIC CHARACTERISTICS OF BAYER,S DRY RED MUD AND THE OPERATION FEATURE OF THE YARDRAO PingpiIlg(嘶Laboratory ofC.eotechnical and Underground凸驴咖ofMinistry ofEducation,死,谢University,Shanghai 200092 (D叻叫靴m of

3、C-eot孵chnical Engineering,To,洒i University,Shanghai 200092Abstract The red mud of Bayeds method has a very special mineral compositions and poor mechanical properties,It,s the first time to tlSe Bayer's drytype storage of red mud in the yard at home by Ping-guo aluminumcompany.Theproperties of r

4、ed mud has been examined by the experimental tests including particle size distribufion,mineral compositions,chemical compositions,physical and mechanical properties.Its concluded that the Baye,s red mudwithhish Fe203content,small particle size and belongs to poor grading soil;Based on theoperation

5、characteristicsof red mud yard,It's points out that theproblems of drainagesystem as well as the consolidation of the red mud,the studies shows that the later stage of red mud yard may be immersed in the water with a long time due to the slowdrainage,and thus it would be has some effect on the s

6、tability of red mud yard.Key words BayeCs method,Red mud,Pingguo Aluminum Ore,Operating characteristic1引 言赤泥是铝土矿生产氧化铝后所产生带碱性的一 种泥浆状废弃物,因赤泥中常含有大量的氧化铁,呈 红褐色,故称“赤泥”、“红泥”。赤泥处置是氧化铝 生产流程中的重要组成部分,由于目前技术条件下 大量的赤泥不能得到充分利用,国内各大铝厂只能 选定一个场所将赤泥露天堆存,即便是将来有了切 实可行的赤泥利用方案,缓冲或中转的堆放场地也收稿日期:200912一11;收到修改稿日期:201003-20.

7、第一作者简介:饶平平。主要从事岩土工程科研工作。嘶l:raopinspi,lg砝峨咖 342Journal of Engineering Geology工程地质学报2010(Ca-C03(表19|:裹1堆场赤泥主要矿物组成分析Table 1The main mineral composition of tlIe red mud dump 试验罩蠢貉钙霞石钙钛矿赤铁矿磅磊嘉看砻方解石 8年赤泥30.710.712.133.05.61.82.0 1年赤泥33.28.912.528.37.84.2从表1可以看出,拜耳法赤泥样品中赤铁矿和 水化石榴石含量最高;同时,8年赤泥与1年赤泥 的各种矿物成分及

8、含量变化很小,说明拜耳法赤泥 在自然堆积环境下性质较稳定。(2化学组成分析赤泥的化学成分取决于铝土矿的成分、生产氧 化铝的方法和生产过程中添加剂的物质成分等,平 果铝厂拜耳法赤泥主要成分见表2:衰2赤泥化学成分Table 2The chemical constitution of red mud鞣Fe203她03si02CaO Ti02邺K20灼减 堆场31-2618498-351805618323O19r7O 赤泥MsO ZnO魄03NiO V205Cr203CuO ST /(q0O.718O.01o.69O.舛0.0750.2950.0127o.25从表2可以看出,赤泥化学成分中Fe离子含

9、量 最多,故赤泥显示出红褐色,其次m、ca离子含量也 较多;Fe203、A1203、CaO三者占总百分比的 67.8%。对占赤泥比重较高的化学成分分别分析如 下:赤泥中Fe:O,含量为31.26%,这是天然铝 土矿所伴生的黄铁矿(FeS:氧化水解后形成的胶 体Fe(OH,沉淀物。Fe(OH,胶体在强碱性和加 热条件下性质不稳定,具有转化为针铁矿(FeOOH 的趋势。赤泥中AI:O,含量为18.49%,它是铝土矿和 高岭石制取A1(OH,后残存在废料中的A1:O,在 与NaOH强碱性介质共存条件下,呈NaAIO:和灿 (OH,两种形式存在。赤泥中CaO含量为18.05%,主要矿物为文 石(CaC

10、O,或方解石(CaCO,它们是提炼工业氧 化铝流程中加入生石灰(CaO和通入CO。的结果。 CaCO,的沉淀和结晶不仅构成赤泥的粗粒(骨架 部分,并且因其结晶而产生胶结作用。 3.3赤泥的物理力学性能(1赤泥的水理性质干燥或压实固结赤泥遇水后的状态是赤泥有关 性质中极为重要的一项。它关系到赤泥堆筑子坝的 可行性等重大问题。试验证明:自然干燥的原状赤 泥样,遇水不松软崩解;含水量在20%一25%的碾 压或击实赤泥,遇水也不松软崩解;而含水量过低 (15%以下的赤泥碾压后遇水则出现松散垮塌现 象。根据拜耳法赤泥这一特性,平果铝厂采用含水 量22%左右的赤泥碾压堆筑子坝,节约了筑坝费 用。(2渗透性

11、堆场原状赤泥含水量为23%42%时,平均渗 透系数为4.50x10一cm8,而压实后的赤泥当干 密度达到1.709cm旬时,赤泥饱和渗透系数为 1.63x10cms一,渗透性降低一个数量级,因此通 过碾压可以使赤泥渗透性降低很多。4赤泥堆场运行特征分析赤泥堆场运行不当将会造成严重环境污染以及 安全问题,国内外不乏因赤泥处置不当造成巨大经 济损失,污染环境,影响生产的事例。相对于国内外 其他赤泥堆场,平果铝厂赤泥堆场有其独特的特征。4.1拜耳法工艺国内山东、山西、河南等地的氧化铝厂都是采用 烧结法或联合法工艺排放赤泥,平果铝厂赤泥堆场 采用拜耳法工艺干法输送、堆存赤泥在国内尚属首 次。干法输送和

12、堆存赤泥,其赤泥泥浆流量、回水量 及进入堆场碱量远小于湿法系统,由于干法堆场赤 泥堆存体含水量小,又无堆场表面大面积长期滞存 水体,故堆场稳定性较好,防渗设施工作条件优于湿 法堆场。与此同时,干法赤泥输送和堆存,与习惯用 的湿法系统有许多不同,堆场在控制赤泥浆体含水 量、限制地面径流、地下渗流进入以及迅速疏排雨水 等方面与湿法堆场有所不同,从而带来堆场选址、稳 定分析、防渗设施以及堆场布料等方面的差异。拜 耳法工艺赤泥其化学成分中氧化钙和二氧化硅的所 占比重低,力学性能比国内其他氧化铝厂所采用的 烧结法和联合法赤泥差,类似于平果铝厂那样以一 水硬铝石为原矿的氧化铝厂赤泥干法输送和堆存, 国外也

13、无先例。18(3 饶平平等:拜耳法干式赤泥基本特性及堆场运行特征分析 343 4.2排水系统经过排放口排出的赤泥泥浆,靠近排放口的赤泥粗颗粒经重力分选作用先沉积下来,细颗粒以及赤泥分离水沿堆场上表面流向堆场中央,根据水力学原理,在滩面自然形成漫流,这样一来,从坝顶处到堆场中央就形成了一定的坡度,赤泥分离水以及降雨时的雨水就会沿堆场赤泥坡面汇集到堆场中央周围,形成了低洼汇水区。而堆场中央随赤泥的每级排放也布设了级配碎石排水系统(图3。如此,赤泥分离水以及降雨时的雨水就沿着级配碎石流入 库底的排水层,汇集到排水层内部的缠丝集水管,最 后流入回水池。此外,少部分雨水和赤泥附液通过 赤泥表面裂缝和赤泥

14、内部裂隙在赤泥层内下渗,对 于这部分通过赤泥层下渗的分离水,其在赤泥层中 下渗至堆场底部,沿排水层坡面集流后,同样通过缠 丝钢管排入埋在防渗层下的排水管自流到回水池。 为防止雨季期间堆场内积水过多而影响库区安全, 在堆场各库区中间布置一根洪水溢流钢管,钢管底 部直接与缠丝管出水口处连接(图4一J。图3堆场中央级配碎石排水Fig.3The drainsge酬broken stone in the central dump site赤泥坝运行十余年来从未出现过由于暴雨致使 洪水漫顶而造成的溃坝事故,一般水位在库内最多 积水一米深左右,几天内排完,这也说明平果铝厂赤 泥库当前情况排渗、排洪设施是完善

15、的。另外,各级 子坝外坡植被生长较好,赤泥坝外坡也设置了截水 沟以及排水沟,能及时排除外坡上的特大雨水。但 需注意的是,随着赤泥坝的不断加高,雨水及赤泥附 液下渗到堆场底部的距离越来越长,而细粒级赤泥 的渗透系数只有10。6cms_数量级,所以堆场表图4堆场中央溢流钢管Fig.4The flooding pipe in the central dump site面的雨水及赤泥附液下渗到堆场底部排水层的时间 将越来越长,堆场堆存后期有可能由于排水缓慢而 导致堆场内部赤泥长期被水浸泡,降低堆场内赤泥 的强度,从而对堆场的稳定性造成一定影响。3.3堆场内赤泥固结问题按照相关土工试验规范,对平果铝厂赤

16、泥堆场 内2库的赤泥物理指标进行测试。2。库堆场赤泥从 上至下分为硬塑、可塑、软塑三个状态,堆场赤泥含 水量从上到下逐渐增加,分别为27.3%、32.7%、 36.7%。其不同状态的形成是与两次排放赤泥浆的 间隔时问相关的。进入堆场的赤泥均呈流塑状态, 部分雨水和赤泥沉降分离附液通过赤泥干燥过程中 产生的裂缝以及赤泥裂隙下渗,使下层已自然干燥 的赤泥重新吸水饱和,造成下部的一些赤泥层含水 量高于上层赤泥。平果铝厂平地型赤泥堆场是一个 锥台体,赤泥每层不断堆高,越向上堆积,赤泥每层 堆存量越小,所以每层赤泥堆积的间隔时间逐渐减 短,而在这段时间内下部赤泥还没有充分硬化,其软 塑状态致使堆场不能承

17、载越来越重的上覆压力,也 就是不能继续堆存了,故在目前的运行模式下,对赤 泥堆场所能堆积的子坝级数需准确规划好uo-11J。5结论及建议本文主要论述了拜耳法赤泥基本性质、物理力 学特性以及平果铝厂赤泥堆场目前的运行情况,通 过分析,得出以下结论及建议:(1拜耳法工艺赤泥其化学成分中氧化钙和二 氧化硅的所占比重低,氧化铁含量较高、粒径较细且 属于级配不良的土,力学性能比国内其他氧化铝厂Journal of Engineering Geology工程地质学报2010所采用的烧结法和联合法赤泥差。(2库内赤泥的沉积,从堆场上部至底层分三 层状态:硬塑、可塑、软塑。原因是堆场底部排水层 的透水性能,在

18、赤泥堆场堆存初期作用显著,而堆场 内赤泥的渗透系数较小,随着堆积坝的不断加高,赤 泥层逐渐加厚,到达底部排水层的赤泥附液渗流速 度将逐渐减慢,赤泥附液量也将逐渐减少,也就是说 排水效果愈不明显,造成内部赤泥不断积水、软化, 不利于堆场内沉积赤泥的固结。(3随着赤泥堆场的不断堆高,堆场内赤泥的 沉积状态处于一个动态的变化过程中,建议定期开 展赤泥堆场的勘察工作,并做安全评价。如堆存到 后期发现堆场内部赤泥软弱赤泥层不断增厚,可在 堆场表面压实后按照堆场底部一样重新铺设一层级 配碎石排水层,即整个堆场最终设置两层排水层,以 便尽量排出堆场赤泥内部水。(4完善赤泥堆场的安全检查和管理制度,定 期对赤

19、泥坝的轮廓尺寸、筑坝质量、变形、裂缝、滑坡 和渗漏、坝面保护、安全超高、排水系统以及回水质 量等进行安全检查。(5赤泥坝的监测工作在赤泥坝的El常生产中 占有举足轻重的地位,根据国家相关法规的规定,赤 泥堆场应建立安全监测系统,进行变形监测(垂直 位移、水平位移、裂缝、固结等、应力监测(总应力、 孔隙水压力、赤泥的沉积规律监测或根据赤泥堆 场不同时期特性选择性的进行监测,以便安全隐患 得到及时发现和处理。参考文献1陈新华,彭振斌.广西平果铝厂平南赤泥堆场的岩溶渗漏研 究与治理J.矿产与地质,2006,20(1:7376.Clan Xinhua,Peng Zhenbin.Karst l础ll,g

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