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以技术创新驱动京津冀地区固废及尾矿利用————访北京科技大学教授倪文
来源:中国矿业报    更新时间:2015-12-10 08:46:41    浏览次数:
 
       “目前,在京津冀周边的燕山和太行山区,堆存的尾矿和废石总量达到200多亿吨,每年还在持续产生10亿吨以上,煤电工业固废大概每年产出3000万吨以上。然而,这个地区每年要消耗6亿吨到8亿吨的天然矿物原料,也就是通过开山炸石来获取建材材料;需要消耗9000万吨的水泥熟料进行基础设施和住房建设,因为京津冀地区是全国建设密度最高的地区之一。2014年,京津冀地区产生的水渣和钢渣加在一起就有9000多万吨,因为这一地区的钢产量占全国1/3还要多。”北京科技大学教授倪文日前在接受记者采访时表示,一方面我们要进行开山炸石来获取建筑材料,不仅破坏了环境,而且带来了严重污染,开山炸石产生的污染物对PM2.5的形成有很大贡献。而另一方面,在京津冀地区堆存的巨量固废也在占用着大量土地,同样对环境造成严重污染。如果能将二者进行替代,则可产生非常大的经济效益、社会效益和环境效益。

北京科技大学倪文教授在第六届尾矿与冶金渣综合利用论坛上做报告

       记者:用尾矿和废石代替水泥用于生产建筑骨料,具有什么样的重要意义?
  倪文:炸药当中含有大量的硝基,占比高达60.76%,开山炸石除了产生粉尘之外,所产生的氮氧化物是重要的污染源。目前京津冀地区开山炸石生产建筑用砂石料每年6亿吨到8亿吨,产生的潜在PM2.5形成物,相当于64万辆到640万辆机动车排放的尾气总量。
  2013年,京津冀地区共有3000多处采石场,因开山炸石生产建设用砂石造成的植被破坏面积达到20万亩,巨量尾矿和废石的堆存,使水源地也遭到严重破坏。现在中央提倡,要增大生态容量空间。该地区每年消耗的9000万吨水泥熟料,除了每年向大气中排放7000万吨二氧化碳外,也排放粉尘和硫化物、氮氧化物等,是京津冀地区空气质量进一步恶化的主要工业污染源之一。
  还有一个问题需要我们特别关注,京津冀地区总人口数相当于日本总人口的68%,人口密度是日本的2.6倍,而日本人均GDP是我国京津冀地区的3.95倍。如果未来20年这一地区的人均GDP要达到日本目前的水平,必须大幅度降低单位GDP的排放强度,必须进行产业结构、能源结构的深度调整,实施更有效的节能减排措施。为了避免京津冀地区重大环境灾难的发生,以技术创新驱动该地区的产业结构和能源结构进行深度调整,已成为我们必须面对的迫切任务。
  在尾矿综合利用产业技术创新战略联盟的支持下,我们做了一个国家“863”项目——尾矿制备绿色环保新型建筑材料关键技术与示范,取得了重大成果。该项成果证明了京津冀地区每年开山炸石所生产的6亿吨至8亿吨建设用砂石料能够100%由铁尾矿和废石来代替,每年消耗的9000万吨水泥熟料可以被水淬高炉矿渣、钢渣、脱硫石膏、粉煤灰和尾矿微粉等多种固废的协同利用进一步取代,最高比例可以达到99%。如果进一步从科学层面、技术层面、产业化层面和技术标准、施工规范等方面深化成果,可实现未来20年在京津冀地区实现100%停止开山炸石和减少90%以上的水泥熟料消耗。
  近年来,我们开展了大量工作,采用铁尾矿和废石代替开山炸石用于制备混凝土,取得了初步成功,累计利用尾矿和废石超过3.6亿吨。

  
记者:为了将尾矿和废石进行充分利用,从而实现京津冀地区全面停止开山炸石,我们都开展了哪些工作?
  倪文:
在尾矿综合利用产业技术创新战略联盟的推动下,北京科技大学、首钢集团、金隅集团、密云冶金矿山公司等数十家单位联合,研发成功采用铁矿尾矿和废石全湿法清洁生产高质量建设用砂和混凝土粗骨料的技术。密云冶金矿山公司下属的5家矿山应用该技术,2013年采用尾矿和废石生产混凝土粗细骨料2800万吨。
  我们研制成功100%采用铁矿尾矿和废石作为骨料,配制C30-C80预拌泵送混凝土技术,得到推广应用,目前累计生产预拌混凝土约1.8亿立方米,利用尾矿和废石3.6亿吨,并经历了12年的应用考验。实践证明,大幅度降低水泥用量的全尾矿废石骨料预拌泵送混凝土的力学性能和流动性能非常优良,抗压强度、塌落度等各项指标均达到较高水平。我们应用胶凝材料中的水泥比例比通用方案降低40%,完成了12个大型杆塔基础的施工,约合600立方米。
  我们还研发成功了100%采用磁铁石英岩型铁矿的尾矿和废石作为骨料生产混凝土预制件技术,生产出高质量的C60-C80铁路轨枕、管桩等高端产品,并得到大量工程应用。生产出符合标准的预应力混凝土轨枕210万根,其中新开发的C60预应力混凝土轨枕的胶凝材料比例,与应用传统工艺生产的C60混凝土轨枕相比,水泥用量从90%下降到30%以下。
  我们研究成功了C40极低水泥熟料人工鱼礁混凝土,其骨料100%采用尾矿和废石,采用1%水泥熟料,胶凝材料99%由超细矿渣粉、钢渣粉和脱硫石膏代替,混凝土中重金属含量低于海底沉积物。目前已投入大连獐子岛海域3000立方米,完成国家海洋局重大公益项目“基于生产系统的海洋牧场研究与示范”,并通过验收。
  我们研制成功尾矿微粉生产技术,并建立起年产60万吨的尾矿微粉生产线,实现批量生产和应用。所生产的尾矿微粉不仅能够用于水泥和混凝土,还对改善混凝土的流动性和耐久性具有显著作用。实施企业福建省新创化建科技有限公司,被国家发改委列为首批“双百工程”骨干企业。

   
记者:如何才能将尾矿和废石进行最安全、环保、经济的利用?
  倪文:
以往,我们对大宗工业固废的综合利用研究,单种固废的考虑较多,多种固废全产业链协同利用的研究较少,再加上行业壁垒的束缚,尾矿和废石的硅酸盐属性表面有大量的硅氧断键和铝氧断键这个特征没有被深入研究和充分利用。
  我们经过实验研究证明,这些大量的硅氧断键和铝氧断键在较低钙硅比和较低水胶比的胶凝材料体系中能够重新键合,形成硅(铝)氧四面体的重新链接;在高钙硅比和高水胶比的胶凝材料体系中不容易重新键合,不容易形成硅(铝)氧四面体的重新链接。
  我们还发现,水淬高炉矿渣中具有潜在水硬活性的硅(铝)氧四面体是水泥熟料的2倍到3倍,但目前无论是作为水泥混合材料还是作为混凝土掺合料,只有不到30%的硅(铝)氧四面体在发挥作用。我国年产水淬高炉矿渣近3亿吨,将其进一步高效利用的潜力还很大。
  C-S-H凝胶是对混凝土强度贡献最大的物相之一,是由硅(铝)氧四面体连接而成的链状构造硅酸盐。水淬高炉矿渣在形成C-S-H凝胶的过程中,对硅氧四面体和铝氧四面体贡献潜力比水泥熟料大2倍到3倍。
  100多年来的理论与实践充分证明,所有纳米、亚微米颗粒的紧密聚集,都对混凝土强度产生贡献,而贡献最大的是C-S-H凝胶、类沸石相和具有纳米直径的针棒状复盐矿物。C-S-H凝胶和类沸石相都是由硅(铝)氧四面体的解聚和再聚合形成的。因此,利用固体废弃物为混凝土体系提供可解聚和再聚合的硅(铝)氧四面体,是降低水泥用量、制备高耐久性绿色混凝土的关键。
  另外,粉磨技术的进步,使应用矿渣生产水泥的电力成本大幅降低,为该技术的产业化提供了技术支撑。

  
 记者:目前该项目在技术上还存在哪些问题?
  倪文:
北京市累计利用尾矿和废石已超过3.6亿吨,并经受了10多年的应用考验。但在京津冀地区和全国大规模推广还存在提高品质、降低成本、降碳降耗和补齐产业链等若干重大共性关键技术难题 。
  我们需要通过研究各种尾矿和废石与主要冶金渣破碎与粉磨过程中的多尺度物理及其化学反应,大幅度提高破磨效率,降低成本;通过破磨过程中实时回收有价组分,进一步降低成本;通过研究尾矿和废石表面硅氧断键和铝氧断键与C-S-H凝胶和类沸石相重新键合的作用、硅和四配位同构化效应和复盐效应,大幅度降低混凝土中水泥熟料的用量,并提高性能,为下游用户降低成本。
  

       记者:今后的科研目标与任务是什么?
  倪文:
今后的总体目标是:充分发挥尾矿、废石、水淬高炉渣、钢渣、脱硫石膏、粉煤灰等多种固废的协同作用,开发出具有商业竞争力的固废比例在90%~100%的高性能混凝土大规模制备和应用技术,固废比例为100%的地下采矿胶结充填料的大规模制备与应用技术,为未来20年在京津冀地区100%停止开山炸石和关停90%以上的水泥窑提供理论和技术基础支撑。
  重点任务包括:磁铁石英岩型尾矿和废石表面硅(铝)氧断键重新键合机理与调控技术研究,水淬高炉矿渣中硅(铝)氧四面体的深度活化与再聚合机理及调控技术研究,典型地区铁尾矿和废石资源中有价组分回收与优质建材原料协同优化清洁生产技术研究,以实时循环回收金属铁为核心的钢渣高效粉磨技术研究,冶金尘泥全组分高效回收利用关键技术研究与示范,S120级矿渣微粉低成本制备及大规模工业化生产技术研究,尾矿充填过程中大规模高效浓缩、充填料制备、输送和充填的成套装备与技术研究,冶金与煤电工业固废全产业链协同利用关键技术标准与规范研究等等。
 


来源:中国矿业报
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