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技術(shù)前沿

赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)化現狀、存在問(wèn)題及解決方略探討

時(shí)間:2022-11-24

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    赤泥作為鋁工業(yè)大宗固廢,具有“污染物”和“資源”的雙重屬性?;赝^(guò)去,赤泥大多以污染物對待,大多走堆場(chǎng)填埋單一治理路線(xiàn),對赤泥的資源化利用技術(shù)研究探索雖然很多,如赤泥用作建筑材料、環(huán)保材料、有價(jià)元素提取等,但真正產(chǎn)業(yè)化應用的技術(shù)卻較少,只有赤泥選鐵、赤泥做路基材料、赤泥做建筑材料等技術(shù)得到了實(shí)施。近年來(lái),《固體廢物污染環(huán)境防治法》《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見(jiàn)》《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規劃》等涉及固廢的政策法規不斷頒布,意味著(zhù)未來(lái)國家對固廢的治理要求將要增加,赤泥的產(chǎn)業(yè)化應用將迎來(lái)更大的挑戰和壓力。

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1 赤泥概況及理化特性

1.1 赤泥概況

根據國家統計局數據,2021年中國氧化鋁產(chǎn)量為7757.5萬(wàn)t,約占世界氧化鋁產(chǎn)量的55%,持續保持世界第一大氧化鋁生產(chǎn)國地位。按照1t氧化鋁排放1.5t赤泥測算,2021年全國赤泥產(chǎn)生量約1.2億t,產(chǎn)出量前3的地區分別是山東、山西和廣西,約占全國總量的75%?;谥猩坍a(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的2021年我國氧化鋁產(chǎn)能布局情況,推測中國赤泥地區分布情況如圖1所示。目前全國赤泥累計堆存量超8億t。

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赤泥作為氧化鋁行業(yè)的典型大宗固廢,綜合利用率不超過(guò)6%,年用量不足700萬(wàn)t。要實(shí)現2025年,新增大宗固廢綜合利用率達到60%,存量大宗固廢有序減少的目標,赤泥年綜合利用量需要達到6000萬(wàn)t以上。目前的赤泥利用規模和利用率相比目標值還有很大的差距。
1.2 赤泥理化特性
赤泥主要成分由鋁土礦提取氧化鋁后的殘渣及冶煉過(guò)程中添加的輔料(如堿、石灰)等構成。拜耳法工藝產(chǎn)生的典型赤泥成分及微量元素含量見(jiàn)表1,實(shí)際生產(chǎn)中各企業(yè)的赤泥成分取決于鋁土礦組成類(lèi)型及生產(chǎn)工藝。
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赤泥粒度極細,粒徑小于75μm的赤泥占比在90%以上,平均粒徑通常不大于10μm;赤泥的比表面積為10~30m2/g,其主要與鋁土礦的磨礦程度有關(guān)。赤泥的塑性指數為17.0~30.0,孔隙比為2.53~2.95,pH值在10.0~12.0,氟化物含量為4.89~8.6mg/L。赤泥因具有強堿性,屬于Ⅱ類(lèi)一般工業(yè)固廢。除此之外,赤泥還具有含水量大、抗剪強度低、壓縮性高以及塑性良好等特點(diǎn)。
2 赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)化現狀
目前,赤泥的規?;瘧弥饕性诔嗄噙x鐵、赤泥材料化(建筑材料、道路材料、功能材料)兩大領(lǐng)域。
2.1 赤泥選鐵進(jìn)展
隨著(zhù)國內鋁土礦資源儲量減少、品位下降,以國內一水硬鋁石礦為主的鋁產(chǎn)能逐漸減少,以進(jìn)口鐵含量高的三水鋁石礦為原料的鋁產(chǎn)能不斷增加。據估算當前國內約一半以上新增赤泥為高鐵赤泥(TFe≥30%)。2021年我國鋼產(chǎn)量超過(guò)10億t,鐵礦石對外依存度超80%,尋找新的鐵礦石資源勢在必行。盡管赤泥中鐵品位相對較低,但考慮到赤泥排放量巨大,高鐵赤泥被認為是低品位鐵礦石替代原料之一。
赤泥中鐵主要以赤鐵礦(Fe2O3)、針鐵礦(α-FeOOH)、鋁針鐵礦和鋁磁鐵礦等復合礦相形式賦存,回收鐵是實(shí)現赤泥減量化的重要途徑之一。國內外學(xué)者對赤泥選鐵開(kāi)展了大量研究工作,主要的選鐵路線(xiàn)有物理分選、火法冶金、濕法冶金,不同技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。
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赤泥物理選鐵技術(shù)具有能耗低、投資相對較小等特點(diǎn),目前已在國內實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用。截至2021年底,全國已建成赤泥選鐵項目8個(gè),均采用高梯度磁選工藝,目前在運營(yíng)項目6個(gè),年減排赤泥200余萬(wàn)噸,其中:中鋁廣西分公司年減赤泥72萬(wàn)t,廣西華銀年減赤泥30萬(wàn)t,文山鋁業(yè)年減赤泥30萬(wàn)t,田東錦江年減赤泥10萬(wàn)t,靖西信發(fā)年減赤泥10萬(wàn)t,魏橋鋁業(yè)年減赤泥30萬(wàn)t。中鋁山東分公司與魏橋鋁業(yè)等企業(yè)由于赤泥選鐵生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)出的鐵精礦品位不高(TFe含量≤49%),生產(chǎn)運行不穩定。
赤泥火法冶金路線(xiàn)目前處于中試階段,部分技術(shù)呈現出較好的產(chǎn)業(yè)化應用前景,例如懸浮磁化焙燒技術(shù)、流化床還原技術(shù),但存在鐵精礦中鋁含量高、冶煉裝備專(zhuān)業(yè)化、大型化水平不足等問(wèn)題。濕法工藝由于酸耗高、設備易腐蝕等原因,尚處于實(shí)驗室研究階段。
2.2 赤泥材料化應用進(jìn)展
關(guān)于赤泥用于制備路基材料方面,目前山東省已形成地方標準《公路工程赤泥路基應用技術(shù)規程》(DB37\T3559—2019),并實(shí)現了一定規模的推廣應用。根據山東地區赤泥路基示范工程案例測算,每千米高速公路可消納20~30萬(wàn)t赤泥,每千米省干線(xiàn)公路可消納6~10萬(wàn)t赤泥,每千米市政公路可消納2~5萬(wàn)t赤泥,具有規?;{赤泥的前景。但是赤泥用于制備路基材料技術(shù)本身還需要系統優(yōu)化,需要對用于制備路基的赤泥材料進(jìn)行系統評估,特別是材料的壽命及對周邊土壤、植被及地下水等指標的影響。此外,該技術(shù)方向尚未得到其他地方政府的支持。
赤泥建材化是實(shí)現赤泥規?;{的重要手段。國際鋁協(xié)(IAI)發(fā)布的赤泥利用路線(xiàn)圖,也在鼓勵和推動(dòng)赤泥用于水泥和混凝土產(chǎn)品。歐盟在2021年啟動(dòng)了“赤泥活化用于生產(chǎn)可持續水泥”(ReActiv)項目,希望將赤泥轉化為一種適用于新型低二氧化碳排放水泥產(chǎn)品的活性材料,從而實(shí)現用赤泥為原料生產(chǎn)水泥,以實(shí)現氧化鋁和水泥行業(yè)的節能減排。我國在赤泥制備(地聚物)膠凝材料方面開(kāi)展了大量研究,目前全球首條赤泥基低碳膠凝材料示范生產(chǎn)線(xiàn)已在河南焦作啟動(dòng)建設。赤泥在建材方面的應用顯示了其在低碳、節能方面的優(yōu)勢,其規?;茝V應是助力有色行業(yè)實(shí)現碳達峰碳中和的重要路徑之一。此外,傳統的赤泥摻燒制備燒結磚、硅酸鹽(Portland)水泥和硫鋁酸鹽水泥等技術(shù)也已成熟,在山東、廣西、云南等地區已有商業(yè)化運行工廠(chǎng),但受赤泥中堿含量影響,摻量有限。
赤泥用于功能材料通常需要對赤泥進(jìn)行改性處理,經(jīng)深度加工后其性能及附加值得到提升,成為可持續削減儲量的補充途徑。目前赤泥在功能材料方面的研究進(jìn)展如圖2所示,各技術(shù)中,只有赤泥制備絮凝劑技術(shù)被中鋁山東推進(jìn)到產(chǎn)業(yè)化階段,其他技術(shù)雖然擁有較好的應用前景,但受限于改性技術(shù)手段、生產(chǎn)成本及產(chǎn)品利用途徑等多種因素影響,多停留在實(shí)驗室研究階段。未來(lái),還需要對赤泥基材料的性能進(jìn)一步提高,并加大對赤泥相關(guān)產(chǎn)品的環(huán)境風(fēng)險評估,為商業(yè)化做好鋪墊。
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3 赤泥綜合利用過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題
3.1 赤泥利用主體責任不強
依據“誰(shuí)污染、誰(shuí)治理”原則,氧化鋁企業(yè)應作為赤泥治理的責任主體,必須承擔起赤泥綜合利用的主體責任。但國家同時(shí)規定,對暫時(shí)不利用或者不能利用的,必須按照國務(wù)院環(huán)境保護行政主管部門(mén)的規定建設貯存設施、場(chǎng)所,安全分類(lèi)存放,或者采取無(wú)害化處置措施。受限于過(guò)去經(jīng)濟社會(huì )和技術(shù)水平,這條政策為氧化鋁企業(yè)赤泥綜合利用留下了可緩和的空間,部分氧化鋁企業(yè)考慮資金、利益等因素,對赤泥的處置仍然是堆存。只要有堆場(chǎng)可用,氧化鋁企業(yè)對赤泥資源利用的主動(dòng)性和積極性并不高,未能有效發(fā)揮赤泥利用的主體責任。利廢企業(yè)作為理性投資人,以追求利益最大化為目標。但赤泥利廢企業(yè)在與氧化鋁企業(yè)合作時(shí),氧化鋁企業(yè)多將赤泥作為產(chǎn)品出售,存在與利廢企業(yè)爭奪利潤現象,氧化鋁企業(yè)和赤泥利廢企業(yè)之間的博弈,導致利廢企業(yè)的投資風(fēng)險加大,對赤泥的產(chǎn)業(yè)化應用及推廣興趣不高。
3.2 赤泥綜合利用技術(shù)成本高
赤泥具有堿性強,比表面積大,各種組分互相包裹、嵌布等特征,使其利用難以直接借鑒其他領(lǐng)域成熟的工藝、技術(shù)和設備,導致赤泥利用技術(shù)成本增加。實(shí)驗室技術(shù)難以走向產(chǎn)業(yè)化,主要還是因為技術(shù)的成本優(yōu)勢不明顯,利用赤泥為原料制備建材產(chǎn)品、化工產(chǎn)品及其他產(chǎn)品存在成本高、效益差、技術(shù)成熟度不足的短板,產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格競爭力不強,大規模、高摻比、低成本的可應用技術(shù)及其研究仍然不足。例如:綠色建材是規模消納赤泥的一個(gè)重要領(lǐng)域,但長(cháng)期以來(lái)我國天然建材生產(chǎn)規模較大,天然砂石等原材料開(kāi)采成本低廉,而赤泥基綠色建材及相關(guān)再生產(chǎn)品成本高,市場(chǎng)競爭力弱。
3.3 缺乏標準支撐,市場(chǎng)消納存在瓶頸
赤泥目前可制備的產(chǎn)品種類(lèi)繁多,但由于缺乏赤泥相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)標準規范體系,其利用過(guò)程面臨與市場(chǎng)對接難、市場(chǎng)不認可等問(wèn)題。當前,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的赤泥綜合利用產(chǎn)品,由于缺少?lài)覙藴驶蛐袠I(yè)標準的支撐,只能參照其他同類(lèi)產(chǎn)品標準,市場(chǎng)認可度低,產(chǎn)品應用受限,難以大規模推廣。特別是赤泥自有的強堿性、輻射性等屬性,讓公眾對赤泥綜合利用產(chǎn)品的安全性存在較大的疑慮,導致赤泥基產(chǎn)品難以順利在市場(chǎng)推廣。
總體上看,赤泥綜合利用方面的行業(yè)標準、產(chǎn)品標準缺失嚴重,赤泥產(chǎn)品的標準制定工作嚴重滯后,導致相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品在利用和銷(xiāo)售過(guò)程中認可度低,無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品規模推廣,在一定程度上阻礙了技術(shù)市場(chǎng)化進(jìn)程。此外,受資源分布及運輸成本影響,赤泥的產(chǎn)生較為集中,當前以建材、鋪路為主的規?;C合利用模式受運輸半徑、人口規模等因素影響顯著(zhù),客觀(guān)上就近消納能力非常有限。
3.4 跨領(lǐng)域協(xié)同利用交流少,產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢
赤泥成分復雜,排放量巨大,僅依靠單一的技術(shù)手段很難規?;{,且容易造成產(chǎn)品種類(lèi)單一,引起產(chǎn)能過(guò)剩。赤泥的規?;眉夹g(shù)涉及有色、建材、鋼鐵、交通、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。加大赤泥利用產(chǎn)業(yè)鏈上、下游溝通交流,促進(jìn)赤泥多途徑、跨領(lǐng)域、多行業(yè)
消納,特別是根據區域內不同固廢開(kāi)展協(xié)同處置利用研究,是促進(jìn)赤泥走向高附加值規?;玫挠行緩?。此外,赤泥利用項目在應用實(shí)施過(guò)程中,需要環(huán)評許可支撐,但新技術(shù)、新產(chǎn)品項目環(huán)評通常需要較長(cháng)時(shí)間的論證,導致產(chǎn)業(yè)化推廣緩慢。
4 推動(dòng)赤泥綜合利用的建議及策略
在高質(zhì)量發(fā)展的新要求下,赤泥資源綜合利用勢在必行。氧化鋁企業(yè)應當承擔起赤泥綜合利用的主體責任,從源頭上消減赤泥量,同時(shí)在赤泥末端治理方面加大研發(fā)投入及參與的積極性,為推進(jìn)我國鋁工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展做出努力?;诔嗄嗑C合利用過(guò)程中面臨的問(wèn)題,建議從以下4個(gè)方面入手。
1)強化頂層設計和產(chǎn)業(yè)政策引領(lǐng)。政府、企業(yè)要從戰略和頂層設計上把赤泥應用納入到當地綜合利用產(chǎn)業(yè)布局或企業(yè)發(fā)展戰略中,堅持政策引領(lǐng)、規劃先行、市場(chǎng)導向,科學(xué)編制赤泥利用產(chǎn)業(yè)規劃、園區規劃、實(shí)施方案及行動(dòng)計劃,引領(lǐng)赤泥利用產(chǎn)業(yè)健康高質(zhì)量發(fā)展。借鑒貴州省磷石膏以渣定產(chǎn)政策成功經(jīng)驗,從國家或者省、市層面制定“以用定產(chǎn)”政策,倒逼氧化鋁企業(yè)承擔治污的主體責任。借助政策激勵和倒逼機制,全力構建赤泥利用消納的政策體系和監管機制,將氧化鋁企業(yè)消納赤泥的情況與氧化鋁產(chǎn)品的生產(chǎn)量掛鉤,提高氧化鋁企業(yè)參與赤泥利用的主動(dòng)性和積極性。
2)建立完善赤泥相關(guān)標準體系,發(fā)揮標準引領(lǐng)和規范的基礎作用。當前制約赤泥利用突出的障礙是標準缺失,標準的缺失使赤泥資源化利用的產(chǎn)品和再生原料的生產(chǎn)銷(xiāo)售流通和使用都受到阻礙。一方面要加快推進(jìn)和建立政府主導制定的強制性標準;另一方面要積極推進(jìn)市場(chǎng)自主制定的推薦性標準,如赤泥用于礦山、道路充填材料的標準、赤泥用于煉鋼輔料的標準、赤泥建材化產(chǎn)品標準等。兩種標準相互補充、充分銜接,構建起赤泥資源化利用標準體系。同時(shí),制定赤泥綜合利用技術(shù)評估方法,篩選出具有一定經(jīng)濟效益且可規?;瘧玫募夹g(shù)。
3)加大政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān),降低赤泥處置成本。加深氧化鋁企業(yè)、設計院及高校間的創(chuàng )新交流與合作,推動(dòng)校企間科技資源與人才共享,消除校企之間的信息不對稱(chēng)問(wèn)題,逐步提升企業(yè)自主研發(fā)水平。著(zhù)力開(kāi)發(fā)具有一定經(jīng)濟意義或者有明顯生態(tài)效益的技術(shù),特別是在赤泥低成本脫堿、赤泥源頭減量、赤泥堆場(chǎng)生態(tài)復墾、赤泥高值化利用及赤泥利用專(zhuān)用裝備開(kāi)發(fā)等方面開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān),引導構建以氧化鋁企業(yè)為主體、院校為支撐、市場(chǎng)為導向的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng )新體系,破解赤泥規?;秒y題。
4)搭建跨領(lǐng)域合作平臺,推動(dòng)赤泥產(chǎn)業(yè)化應用。鑒于赤泥具有成分復雜屬性,針對重點(diǎn)區域和行業(yè),建立精細的管理數據庫,進(jìn)一步摸清赤泥及其他工業(yè)固廢產(chǎn)生和利用情況,加強統計數據的研判應用,提升各項管理措施的精準性和可操作性,為赤泥協(xié)同利用多源固廢提供支撐;激勵和指導產(chǎn)廢企業(yè)進(jìn)行區域間的協(xié)同利用,開(kāi)展跨行業(yè)協(xié)同處置利用赤泥的試點(diǎn)示范,樹(shù)立行業(yè)標桿,遴選一批技術(shù)先進(jìn)的赤泥規?;玫湫推髽I(yè),進(jìn)行推廣宣傳,引領(lǐng)赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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