利用水泥生产线无害化处置铅锌尾矿研究

韦剑宁 蒋林海

（1.广西河池国投鱼峰水泥有限公司，广西 河池 547000；2.北海鱼峰环保科技有限公司，广西 北海 536000）

1 概述

2016年12月，国务院印发了《“十三五”生态环境保护规划》，提出要大力推广尾矿库充填开采等技术，建设一批“无尾矿山”（通过有效措施实现无尾矿或仅有少量尾矿占地堆存的矿山）。2020年4月，国务院安委会印发了《全国安全生产专项整治三年行动计划》，要求对尾矿库实施总量控制，原则上数量只减不增，并对现有尾矿库提出治理、关停、管控等要求。截至2020年，广西尚有202个尾矿库，政府明确提出全区尾矿库数量原则上只减不增。

鉴于中国矿山的基本特征，除少量优质煤矿山、非金属矿外，其余金属矿要经过磨矿分选，才能获得经济上有价值的矿产；矿山磨选产生的尾矿细度一般在-200目以上占70%，很难直接用于建筑业。而矿山开采不仅不允许地表塌陷，而且由于开采技术的要求，未来矿山井下开采必须采用充填采矿法。井下充填既是消纳磨选尾矿的主要途径，也是矿山绿色开采与采矿技术自身的必然要求。

采用铅锌尾矿作为水泥生产原料或以铅锌尾矿为基本材料开发新型井下充填胶凝材料，是无害化处置铅锌尾矿等工业废弃物的有效途径。

2 我公司周边铅锌尾矿现状

2.1 铅锌尾矿产生的工艺过程简介

铅锌尾矿是铅锌矿石经过破碎、粉磨、搅拌分级等物理加工过程，以及在浮选时加入选矿药剂的化学加工过程产生的工业废弃物。铅锌尾矿产生的工艺过程如下：

2.2 铅锌尾矿现状

河池市南丹县是中国有色金属之乡，华锡集团在河池市金城江区和南丹县有河池五吉有限责任公司、高峰矿、铜坑矿三家子公司进行铅锌矿的开采和选矿。铅锌矿浮选过程中产生的淤泥状工业废弃物是铅锌尾矿，这些露天堆放的铅锌尾矿不仅占用了大量耕地和农田，污染了环境，甚至发生过垮坝安全事故，造成人员伤亡。因此，如何妥善处理这些大量堆存的铅锌尾矿，使排放铅锌尾矿的企业生产经营不受影响，是这些企业迫在眉睫的任务。距离国投鱼峰公司30 km处，华锡集团下属的河池五吉有限责任公司每天处理铅锌矿石时会新产生约300～400 t的铅锌尾矿，公司将这些新产生的铅锌尾矿和部分公司门口尾沙坝里的旧铅锌尾矿拉到铜坑矿回填矿道里面采矿亏空部位，但河池五吉有限责任公司门口的尾沙坝里还有80万t以上历年生产时产生的铅锌尾矿亟待处理。铜坑矿目前回填矿道里面采矿亏空部位是使用自产新产生的铅锌尾矿和五吉有限责任公司运过来的铅锌尾矿，但铜坑矿在车河镇尾沙坝里还有1 000万t以上的旧铅锌尾矿还没有处置方案。高峰矿产生的铅锌尾矿可以自行消化，全部用于回填矿道里面采矿亏空部位，没有产生新的污染，也没有库存的铅锌尾矿要处理。

2.3 铅锌尾矿处置路径

从国内、国外处置工业废弃物的经验看，一是采用回填深埋，二是通过水泥工业的高温窑炉进行焚烧或作为水泥生产前、后掺的原料。

3 铅锌尾矿在水泥生产中的应用

从2018年10月至2019年2月，为实现铅锌尾矿等工业废弃物的无害化处置，我公司开展了大量水泥窑前掺铅锌尾矿试验。在采用铅锌尾矿作为水泥生产原料工业化试验阶段，遇到的主要技术难题为：熟料28d抗压强度下降、停原料磨时不采用窑尾余热废气作为生料烘干的热源时窑尾二氧化硫排放浓度急剧上升，存在超标风险。因此，如何解决在使用铅锌尾矿后熟料28d抗压强度下降和停原料磨时窑尾二氧化硫排放浓度偏高的问题，是成功应用铅锌尾矿作为水泥生产前掺原料的关键。

铅锌尾矿由于其物理和化学性质与煤矸石相似，在水泥后掺中可作为混合材替代煤矸石或部分粉煤灰，改善水泥颜色和水泥的和易性，降低水泥的生产成本。

由于铅锌尾矿是铅锌矿经过物理加工处理后产生的工业废弃物，铅锌矿的载体与煤矸石相似，铅锌尾矿全分析数据与低硅黏土相近，但有害成分硫、碱、镁含量略高于黏土，经配料计算，可部分替代低硅黏土1.0%～5.0%作为硅质原料，且满足我公司熟料率值的设计要求。因此，可将铅锌尾矿用作水泥生产中的前掺硅质原料。另外，根据数据分析，铅锌尾矿的活性指数比煤矸石略低，可考虑在水泥生产中使用铅锌尾矿作为后掺混合材。

3.1 铅锌尾矿在水泥生产中前掺和后掺试验研究

根据铅锌尾矿的物理、化学性能，我公司于2018年4月、10月和2019年2月对铅锌尾矿进行了三次铅锌尾矿前掺工业化试验，2018年10月中旬同时进行了一次铅锌尾矿后掺试验。由于后掺试验进行得比较顺利，从2018年10月中旬开始，我公司稳定地在后掺使用铅锌尾矿作为水泥混合材，现水泥综合后掺铅锌尾矿的掺量稳定在3.5%以上，取得了良好的经济效益。

从数据对比可知，使用钙质原料和硅质原料矿点不变，入窑煤均为灰分23.59%、挥发分27.31%、空气干燥基5 812kcal/kg（收到基5 393kcal/kg）的澳洲烟煤，而将1.0%的铅锌尾矿用于生料配料后，熟料强度比以前降低1.9MPa。我公司熟料的正常铝率为1.60±0.10，1月和2月由于客户要求降低熟料中铝酸三钙的含量，因此，熟料铝率降低至1.45左右。

试验中，2019年生料辊压机正常开机时窑尾废气排放浓度见表1，2019年生料辊压机停机时窑尾废气排放浓度见表2，铅锌尾矿多次用于前掺工业化试验数据见表3。

表1 2019年生料辊压机正常开机时窑尾废气排放浓度

如表1所示，在原料磨开机抽取窑尾废气作为烘干热源时，不论前掺是否掺铅锌尾矿，窑尾排放二氧化硫和氮氧化物的浓度均正常。

表2 2019年生料辊压机停机时窑尾废气排放浓度

根据表3的试验数据以及我公司2个月实际使用的原材料情况，发现2019年1月和2月使用的原材料与入窑煤质相近，而且2月份是全月前掺1.0%铅锌尾矿工业化试验。所以，2月份数据较有代表性。根据2月份的试验数据，初步得出结论：使用铅锌尾矿配料对熟料28d的抗压强度降低1.9MPa，并将试验熟料送至广西大学进行岩相等相关检验，广西大学检测发现，采用铅锌尾矿配料煅烧熟料A矿和B矿晶体发育比正常熟料晶体发育稍有缺陷，晶体有侵蚀现象。但我公司自2018年11月开始使用优质澳洲烟煤，因此，使用铅锌尾矿前掺配料熟料28d的抗压强度仍可达到61.0MPa，窑操作参数及窑台时产量在使用铅锌尾矿配料时变化不大。

表3 铅锌尾矿多次用于前掺工业化试验数据汇总表

3.2 铅锌尾矿作为后掺混合材使用情况

使用铅锌尾矿作为后掺混合材的出厂水泥物检数据见表4。

表4 使用铅锌尾矿作为后掺混合材的出厂水泥物检数据表

由表4可知，非活性的铅锌尾矿作为水泥生产后掺混合材，除标准稠度略有提高外，其余水泥性能指标基本保持不变。

4 铅锌尾矿长期稳定使用的技术措施

针对在水泥生产前掺生料中采用铅锌尾矿配料后的生料入窑煅烧后熟料强度降低的问题和停生料磨不再抽取窑尾废气余热作为生料磨烘干热源时窑尾废气中二氧化硫排放浓度偏高的问题，我们采取了如下技术措施。

4.1 防止熟料强度下降

4.1.1 优化熟料率值设计

我公司未使用铅锌尾矿时的熟料率值为：KH:0.910±0.02、SM:2.30±0.10、IM:1.60±0.10。使用铅锌尾矿后熟料率值优化为：KH:0.915±0.02、SM:2.35±0.10、IM:1.60±0.10。

4.1.2 降低熟料的碱含量

以前我公司熟料中的碱含量为0.70%～0.80%，使用铅锌尾矿后熟料的碱含量基本保持不变，但熟料强度下降幅度为1.0～2.0MPa。使用铅锌尾矿作为前掺原料替代部分硅质原料后，通过控制进厂硅质原料的碱含量不超过1.3%，现已基本达到0.50%左右。

4.2 控制窑尾废气中二氧化硫排放浓度

为了控制窑尾废气中二氧化硫排放浓度，我们在窑尾新增了一套远程控制的在线高效脱硫装置。通过该装置，脱硫剂和入窑生料一起从2级预热器上升风道至1级预热器入口风道，喂入回转窑预热器系统，脱硫剂在预热器系统内与二氧化硫气体发生化学反应，保证窑尾废气排放到大气中的二氧化硫含量低于200mg/m3的国家排放标准。

5 铅锌尾矿的经济效益与社会效益

5.1 铅锌尾矿的日消耗量

目前，我公司铅锌尾矿在水泥后掺的综合掺量达到2.5%，按窑日产量2 850t/d熟料、水泥综合熟料耗76.0%计算，现在每天的后掺量：2 850t/d÷0.76×2.5%=93.8t/d。按1.0%铅锌尾矿前掺，窑日产量按2 850t/d熟料、生料料耗按1.53计算，则铅锌尾矿每天的前掺量：2 850t/d×1.53×1.0%=43.6t/d。铅锌尾矿前、后掺每天消耗量为：93.8t/d+43.6t/d=137.4t/d。按一年300t计算，每年铅锌尾矿的使用量为：137.4t/d×300t=41 220t/a。

5.2 铅锌尾矿年产经济效益测算

现主要计算后掺量带来的经济效益，我公司的铅锌尾矿在水泥后掺的综合掺量为2.5%（干基），按窑日产量2 850t/d熟料、水泥综合熟料耗76.0%、窑运转天数300d/a计算，则每一年使用铅锌尾矿的数量为：2 850t/d×300d÷0.76×2.5%=28 125t/a。

铅锌尾矿的活性为 61.3%，由排放单位免费提供给我公司使用；我公司目前使用的干粉煤灰活性为75%，到厂价格为150元/t，按使用性能折算，每年在后掺使用免费的铅锌尾矿所产生的经济效益为：28 125t/d×61.3%÷75%×150元/t=345万元/a。

5.3 使用铅锌尾矿的社会效益

目前，我公司每年可消耗铅锌尾矿等工业废弃物41 220t/a以上，极大地缓解了铅锌尾矿排放厂家的生产压力，同时也为解决工业废弃物侵占土地、污染环境提供了新的思路和方向。

6 结语

综上所述，通过对铅锌尾矿水泥生产前掺和后掺的试验，提出了一些需要解决的技术措施，阐述了使用铅锌尾矿所带来的经济效益和社会效益，证实了使用铅锌尾矿作为水泥生产原料是无害化处置铅锌尾矿等工业废弃物的有效途径，极大地缓解铅锌尾矿排放厂家的生产压力，为解决工业废弃物侵占土地、污染环境提供新的思路和方向。