中国铁尾矿资源的综合利用途径
中国铁尾矿资源的综合利用途径
矿产资源作为人类生存和发展的根本性保障基础，具有重要的战略地位。2018年，我国累积的尾矿库存量约207×108t，其中超过一半为铁尾矿。尾矿堆存不仅占用大量土地、造成社会资源闲置浪费，也给生态环境带来严重污染。随着2020年国家八部委印发《防范化解尾矿库安全风险工作方案》（应急〔2020〕15号），要求尾矿库“只减不增”准入管理，铁尾矿作为一种二次资源，越来越受到政府和企业的重视。10年间我国尾矿综合利用率从个位数逐步提升，2019年，我国尾矿综合利用率达到27%，但细分领域的尾矿利用率仍差距明显，铁尾矿利用率仍低于行业平均值。立足我国铁尾矿资源实际，大力开展铁尾矿资源综合利用技术研究开发，实现铁尾矿资源开发与节约并举，提高铁尾矿资源利用效率，具有重要的经济和社会意义。
1.铁尾矿资源现状及其特征
1.1铁尾矿资源概述
我国铁矿石资源丰富，但资源禀赋差，铁精矿与相应的铁尾矿产出量之比约为1：3。中国钢铁工业协会2021年数据显示，我国铁精矿产量为2.85×108t，“十四五”末我国铁精矿将年产3.7×108t。据此估算，我国每年产生的铁尾矿扣除综合利用后堆存量约为6×108t，并持续增长。长期堆存累积的铁尾矿数量更加可观，初步估算铁尾矿累积堆存预计在80×108t左右。
1.2铁尾矿类型及其特征
我国的铁尾矿是一种复合矿产资源，主要矿物成分为脉石矿物，如石英、辉石、长石、石榴子石、角闪石及其蚀变矿物；化学成分主要为硅、镁、钙、铝、铁等。
根据铁尾矿中金属元素的含量，一般分为单金属尾矿和多金属尾矿。多金属铁尾矿矿物组成复杂，含有元素种类多，以西南攀西地区、包头地区和长江中下游武钢地区为主要类型。单金属铁尾矿主要有以下4种类型。
（1）高硅鞍山铁尾矿。具有数量大、硅含量高、伴生元素少的特点，同类型有国内本钢歪头山、大孤山、弓长岭、齐大山等。
（2）高铝马钢铁尾矿。具有产出量低、Al2O3含量高、伴生硫磷元素少的特点，长江中下游宁芜一带为主要产地，如姑山铁矿、黄梅山铁矿等。
（3）高钙、镁邯郸铁尾矿。具有伴生S、Co、Cu、Ni、Pb、Zn、Au、Ag等微量元素的特点，如王家子、玉石洼、玉泉岭等。
（4）低钙、镁、铝、硅铁尾矿。特点是以非金属重晶石、碧玉等矿物为主，并含有Co、Ni、Cu等元素，如酒钢铁尾矿。
2.铁尾矿综合利用途径及案例
2.1铁尾矿再选回收有价元素
铁尾矿中有益元素的再富集和回收是开展铁尾矿综合利用的首要因素之一，其优势是通过较少的投资、较少的生产成本和集约节约管理，实现有价成分回收利用。该方法从20世纪90年代以来，陆续在一些选矿厂投产验证，得到较好经济效益。
铁尾矿再选回收工艺具有简单、经济等特点，但需要根据矿石性质及原生产工艺进行具体试验研究。如赤铁矿尾矿应考虑浮选和重选工艺，连生体磁铁矿尾矿应考虑再磨分散磁选等。如东鞍山选矿厂生产工艺流程是单一碱性浮选，产出的铁尾矿含铁15%左右；通过在尾矿管线上截流，采用脱泥脱药预处理和螺旋溜槽重选工艺，可年产铁品位60%左右的铁精矿9×104t。大弧山选矿厂铁尾矿采用圆盘磁选机粗选，粗精矿再磨磁选加细筛再选，可获得铁精矿铁品位60%左右。辽宁某低品位铁尾矿采用中磁选、强磁选、磨矿后再中磁选和强磁选的工艺得到中矿，然后采用正浮选得到铁品位59.05%的铁精矿。
针对含有多种有价元素的铁尾矿，使用具有综合经济价值的技术工艺更加科学合理。如某含铜0.83%、含铁24.04%的铁尾矿，采用浮选铜、再磨精选、尾矿选铁、反浮选脱硫的工艺得到铜品位26.15%、伴生金品位2.14g/t、伴生银品位107.50g/t的合格铜精矿和铁品位68.32%的合格铁精矿，实现了废弃多金属元素的再回收利用。如云南某富镁铁尾矿含铜0.22%、含锌0.68%、含镁14.34%，采用铜、锌优先浮选工艺流程分别得到铜品位27.34%的铜精矿和锌品位48.51%、含铟1160g/t的锌精矿，较好地实现了有价元素再富集再回收。
2.2铁尾矿作为建筑材料应用
铁矿在选别有价元素后，所得尾矿化学成分一般与工程材料的成分相似，并具有粒度细、开采便捷等特点。一般建筑材料的化学成分为：SiO2>65%、Al2O3>15%、Fe2O3<15%、MgO<5%、钠、钾微量。铁尾矿通过适当调整成分，可作为制造墙砖、玻璃、混凝土等的原材料。我国利用尾矿生产建材的研究在“十二五”“十三五”时期得到大力推进，一批示范项目建成并取得良好发展。目前，尾矿产品已广泛应用于建筑材料中。
（1）生产墙砖。由于绿色建筑、海绵城市、智慧城市等相继发展，传统建筑材料逐步向新型绿色建筑材料转型，其中墙体材料以低耗、高效、多功能的免烧砖、砌块、环保彩砖、复合板材等成为主流。如免烧砖生产工艺是：原料加工—配料—搅拌—消化—成型—静置—养护—包装，将铁尾矿作为骨料添加，铁尾矿的用量最高可达70%。制备彩色地面砖，采用反打振动工艺要求产品抗压强度大，以符合道路高强度严苛条件，采用铁尾矿可减少原材料成本，在矿区附近地区的企业已实现成熟应用。
（2）生产玻璃。玻璃的主要原料为尾矿、石英砂、碳酸钙、氧化铝、氧化镁、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钡、硼砂等，其中尾矿用量可达到60%。国内外对此开展研究较多，如沈阳建筑工程学院利用歪头山铁尾矿及新城金矿尾矿研制成建筑用微晶玻璃，尾矿掺量达65%以上；王明论述的以垣曲铁尾矿采用烧结法制备黑色微晶玻璃，取得了较好成果。
（3）生产凝胶材料。利用铁尾矿生产水泥可从代替配方元素和代替骨料组分两方面考虑，代替水泥配方的铁粉，对铁尾矿的消耗量较少；代替水泥骨料组分，则需要调整配方以达到水泥标号要求，铁尾矿消耗量相对较大。如桃冲铁矿的水泥厂，对铁尾矿资源的消耗量占选铁厂尾矿总量的1/7，减少了选铁厂尾矿的堆存量，也降低了企业的直接生产成本。
（4）其他建筑材料。将铁尾矿作为二次资源开发的建筑产品种类较为丰富。在美国，大多数尾矿用于生产混凝土、铺路材料、轻质砖等。在日本，将铁尾矿、硅藻土配料生产混凝土轻集料，可用于建材的原材料。建筑用粉煤灰砌块墙体材料的原材料为尾矿、粉煤灰、粗骨料和水泥等，其中采用铁尾矿的掺和量高达45%。近几年，由于环保监管，我国各大城市的混凝土砌块企业原材料从天然砂开始转向机制砂，对尾矿和粉煤灰的需求更加迫切，推动矿企实现了尾矿资源化销售。
2.3铁尾矿作为矿山填料应用
据廖国礼教授公开报告，我国尾矿库存量6731个，已纳入地方尾矿库安全生产包保责任制系统。2020年，八部委出台的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》（应急〔2020〕15号），要求对尾矿库进行“只减不增”治理管控。2021年9月开始实施的《尾矿库安全规程》（GB39496—2020），制定了尾矿库回采安全防范的强制性标准。尾矿库管理已然成为选矿厂生产管理的重要部分，如何大幅度消纳尾矿、降低库存是矿山开发企业的重要问题，其中尾矿充填技术最为实用而高效。
尾矿充填技术通常具有多种有益成效，经济上最为显著的是成本费用低，较传统的充填费用可降低70%～90%；对于不能设置尾矿库的企业，采用充填的效益更加突出。例如，安徽前常铜铁矿公司位于淮北平原，由于项目所在地地形及环保政策等要求，必须将选矿厂排出的尾矿全部用于采空区的充填。
我国矿山充填技术及应用的迅速发展，加上环保政策的高质量发展要求，为铁尾矿充填创造了基础性条件。目前，具有代表性的充填方法主要包括全尾矿胶结充填方法和高水固结充填方法两种。全尾矿胶结充填技术基于物理化学、胶体化学理论，采用浓度为15%～20%的尾矿浆，经过压滤脱水工艺得到尾砂充填骨料。高水固结充填技术是以“高水速凝固材料”为胶结材料，将矿山尾矿作为充填骨料，按一定比例配制成浓度30%～70%的高水固化料浆，直接凝结为固体充填体。
2.4铁尾矿应用新途径
利用铁尾矿资源可推动区域的山水林田湖草沙等生态区域协调，实现资源本位利用和提升综合效益。
（1）应用于土壤改良。鞍钢研究院将铁尾矿与有机肥、离子置换剂等制备成土壤改良剂，将东北某苏打盐碱地改良为稻田，扩大试验表明，土壤pH值和盐度都得到明显改善，具备农作物成长条件。
（2）应用于绿色新型材料。将铁尾矿与废聚苯乙烯、水泥等材料进行配料，制备成轻质保温材料，是铁尾矿进入高端保温装配式材料领域的新途径。由于砂石骨料在资源和环保方面监管趋严，铁尾矿作为主要原材料在装配式材料、3D打印建筑材料等绿色新型材料中的研究和应用具有可行性。
（3）应用于全域综合整治。德国、美国、加拿大、澳大利亚等国，针对矿山及生态的制度体系较为健全，基本形成法律、规划、技术等有效的治理机制，其矿山复垦率超过80%。我国的矿山土地复垦从1990年前后进入了快速发展阶段。利用尾矿进行生态恢复的土地可用于农、林、牧、渔、绿化等社会活动，还可以将尾矿与环境、空间等融合考虑开展全域综合整治，对于新增土地、重建生态、减少隐患、可持续发展等意义重大。
（4）应用于替代更新材料。发挥尾矿物理化学性质差异作用，采用铁尾矿作为高炉渣调质剂可改善高炉渣性能，采用铁尾矿作为环境工程处理剂可实现环境天然或人工修复，采用铁尾矿生产路面基料可减少天然砂石料的消耗量。
3.结束语
铁尾矿具有储量大、有害成分少、自然属性强的特点，采用适宜的技术手段，与发展绿色、环保、国土、生态等融合，能够创造基础条件，实现多层次综合效益，是一种相对较好的二次资源。在资源战略与和谐发展的背景下，大力推进基于铁尾矿的回收、填充、替代材料等应用的同时，结合我国生态环境改善及新领域绿色、科技等方面的发展需求，探索国土综合整治、贫瘠土壤改良、高端装配式材料、3D打印建筑材料等新应用研究，也是铁尾矿紧跟时代步伐、实现资源价值的重要途径之一。铁尾矿日益体现出的多功能性、基础保障性和资源战略性，将对缓解资源约束、平衡资源开发结构、推进可持续发展具有积极意义。
来源：摘自《自然资源情报》2023年8期
