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              技術前沿

              赤泥綜合利用產業化現狀、存在問題及解決方略探討

              時間:2022-11-24

              1.png圖片

                  赤泥作為鋁工業大宗固廢,具有“污染物”和“資源”的雙重屬性?;赝^去,赤泥大多以污染物對待,大多走堆場填埋單一治理路線,對赤泥的資源化利用技術研究探索雖然很多,如赤泥用作建筑材料、環保材料、有價元素提取等,但真正產業化應用的技術卻較少,只有赤泥選鐵、赤泥做路基材料、赤泥做建筑材料等技術得到了實施。近年來,《固體廢物污染環境防治法》《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》《“十四五”循環經濟發展規劃》等涉及固廢的政策法規不斷頒布,意味著未來國家對固廢的治理要求將要增加,赤泥的產業化應用將迎來更大的挑戰和壓力。

              圖片

              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年中國氧化鋁產量為7757.5萬t,約占世界氧化鋁產量的55%,持續保持世界第一大氧化鋁生產國地位。按照1t氧化鋁排放1.5t赤泥測算,2021年全國赤泥產生量約1.2億t,產出量前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業研究院發布的2021年我國氧化鋁產能布局情況,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的典型大宗固廢,綜合利用率不超過6%,年用量不足700萬t。要實現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程中添加的輔料(如堿、石灰)等構成。拜耳法工藝產生的典型赤泥成分及微量元素含量見表1,實際生產中各企業的赤泥成分取決于鋁土礦組成類型及生產工藝。
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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。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類一般工業固廢。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。
              2 赤泥綜合利用產業化現狀
              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)兩大領域。
              2.1 赤泥選鐵進展
              隨著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能逐漸減少,以進口鐵含量高的三水鋁石礦為原料的鋁產能不斷增加。據估算當前國內約一半以上新增赤泥為高鐵赤泥(TFe≥30%)。2021年我國鋼產量超過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,回收鐵是實現赤泥減量化的重要途徑之一。國內外學者對赤泥選鐵開展了大量研究工作,主要的選鐵路線有物理分選、火法冶金、濕法冶金,不同技術路線的優缺點如表2所示。
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              赤泥物理選鐵技術具有能耗低、投資相對較小等特點,目前已在國內實現產業化應用。截至2021年底,全國已建成赤泥選鐵項目8個,均采用高梯度磁選工藝,目前在運營項目6個,年減排赤泥200余萬噸,其中:中鋁廣西分公司年減赤泥72萬t,廣西華銀年減赤泥30萬t,文山鋁業年減赤泥30萬t,田東錦江年減赤泥10萬t,靖西信發年減赤泥10萬t,魏橋鋁業年減赤泥30萬t。中鋁山東分公司與魏橋鋁業等企業由于赤泥選鐵生產線產出的鐵精礦品位不高(TFe含量≤49%),生產運行不穩定。
              赤泥火法冶金路線目前處于中試階段,部分技術呈現出較好的產業化應用前景,例如懸浮磁化焙燒技術、流化床還原技術,但存在鐵精礦中鋁含量高、冶煉裝備專業化、大型化水平不足等問題。濕法工藝由于酸耗高、設備易腐蝕等原因,尚處于實驗室研究階段。
              2.2 赤泥材料化應用進展
              關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規程》(DB37\T3559—2019),并實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t赤泥,每千米省干線公路可消納6~10萬t赤泥,每千米市政公路可消納2~5萬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本身還需要系統優化,需要對用于制備路基的赤泥材料進行系統評估,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,該技術方向尚未得到其他地方政府的支持。
              赤泥建材化是實現赤泥規?;{的重要手段。國際鋁協(IAI)發布的赤泥利用路線圖,也在鼓勵和推動赤泥用于水泥和混凝土產品。歐盟在2021年啟動了“赤泥活化用于生產可持續水泥”(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品的活性材料,從而實現用赤泥為原料生產水泥,以實現氧化鋁和水泥行業的節能減排。我國在赤泥制備(地聚物)膠凝材料方面開展了大量研究,目前全球首條赤泥基低碳膠凝材料示范生產線已在河南焦作啟動建設。赤泥在建材方面的應用顯示了其在低碳、節能方面的優勢,其規?;茝V應是助力有色行業實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也已成熟,在山東、廣西、云南等地區已有商業化運行工廠,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行改性處理,經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展如圖2所示,各技術中,只有赤泥制備絮凝劑技術被中鋁山東推進到產業化階段,其他技術雖然擁有較好的應用前景,但受限于改性技術手段、生產成本及產品利用途徑等多種因素影響,多停留在實驗室研究階段。未來,還需要對赤泥基材料的性能進一步提高,并加大對赤泥相關產品的環境風險評估,為商業化做好鋪墊。
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              3 赤泥綜合利用過程中面臨的主要問題
              3.1 赤泥利用主體責任不強
              依據“誰污染、誰治理”原則,氧化鋁企業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。但國家同時規定,對暫時不利用或者不能利用的,必須按照國務院環境保護行政主管部門的規定建設貯存設施、場所,安全分類存放,或者采取無害化處置措施。受限于過去經濟社會和技術水平,這條政策為氧化鋁企業赤泥綜合利用留下了可緩和的空間,部分氧化鋁企業考慮資金、利益等因素,對赤泥的處置仍然是堆存。只要有堆場可用,氧化鋁企業對赤泥資源利用的主動性和積極性并不高,未能有效發揮赤泥利用的主體責任。利廢企業作為理性投資人,以追求利益最大化為目標。但赤泥利廢企業在與氧化鋁企業合作時,氧化鋁企業多將赤泥作為產品出售,存在與利廢企業爭奪利潤現象,氧化鋁企業和赤泥利廢企業之間的博弈,導致利廢企業的投資風險加大,對赤泥的產業化應用及推廣興趣不高。
              3.2 赤泥綜合利用技術成本高
              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域成熟的工藝、技術和設備,導致赤泥利用技術成本增加。實驗室技術難以走向產業化,主要還是因為技術的成本優勢不明顯,利用赤泥為原料制備建材產品、化工產品及其他產品存在成本高、效益差、技術成熟度不足的短板,產品質量和價格競爭力不強,大規模、高摻比、低成本的可應用技術及其研究仍然不足。例如:綠色建材是規模消納赤泥的一個重要領域,但長期以來我國天然建材生產規模較大,天然砂石等原材料開采成本低廉,而赤泥基綠色建材及相關再生產品成本高,市場競爭力弱。
              3.3 缺乏標準支撐,市場消納存在瓶頸
              赤泥目前可制備的產品種類繁多,但由于缺乏赤泥相關的產品和技術標準規范體系,其利用過程面臨與市場對接難、市場不認可等問題。當前,已經開發出的赤泥綜合利用產品,由于缺少國家標準或行業標準的支撐,只能參照其他同類產品標準,市場認可度低,產品應用受限,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品的安全性存在較大的疑慮,導致赤泥基產品難以順利在市場推廣。
              總體上看,赤泥綜合利用方面的行業標準、產品標準缺失嚴重,赤泥產品的標準制定工作嚴重滯后,導致相關技術及產品在利用和銷售過程中認可度低,無法支撐產業發展和產品規模推廣,在一定程度上阻礙了技術市場化進程。此外,受資源分布及運輸成本影響,赤泥的產生較為集中,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,客觀上就近消納能力非常有限。
              3.4 跨領域協同利用交流少,產業化推進緩慢
              赤泥成分復雜,排放量巨大,僅依靠單一的技術手段很難規?;{,且容易造成產品種類單一,引起產能過剩。赤泥的規?;眉夹g涉及有色、建材、鋼鐵、交通、環保等多個行業領域。加大赤泥利用產業鏈上、下游溝通交流,促進赤泥多途徑、跨領域、多行業
              消納,特別是根據區域內不同固廢開展協同處置利用研究,是促進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施過程中,需要環評許可支撐,但新技術、新產品項目環評通常需要較長時間的論證,導致產業化推廣緩慢。
              4 推動赤泥綜合利用的建議及策略
              在高質量發展的新要求下,赤泥資源綜合利用勢在必行。氧化鋁企業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,同時在赤泥末端治理方面加大研發投入及參與的積極性,為推進我國鋁工業的高質量發展做出努力?;诔嗄嗑C合利用過程中面臨的問題,建議從以下4個方面入手。
              1)強化頂層設計和產業政策引領。政府、企業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業布局或企業發展戰略中,堅持政策引領、規劃先行、市場導向,科學編制赤泥利用產業規劃、園區規劃、實施方案及行動計劃,引領赤泥利用產業健康高質量發展。借鑒貴州省磷石膏以渣定產政策成功經驗,從國家或者省、市層面制定“以用定產”政策,倒逼氧化鋁企業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,將氧化鋁企業消納赤泥的情況與氧化鋁產品的生產量掛鉤,提高氧化鋁企業參與赤泥利用的主動性和積極性。
              2)建立完善赤泥相關標準體系,發揮標準引領和規范的基礎作用。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品和再生原料的生產銷售流通和使用都受到阻礙。一方面要加快推進和建立政府主導制定的強制性標準;另一方面要積極推進市場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,制定赤泥綜合利用技術評估方法,篩選出具有一定經濟效益且可規?;瘧玫募夹g。
              3)加大政產學研用聯合攻關,降低赤泥處置成本。加深氧化鋁企業、設計院及高校間的創新交流與合作,推動校企間科技資源與人才共享,消除校企之間的信息不對稱問題,逐步提升企業自主研發水平。著力開發具有一定經濟意義或者有明顯生態效益的技術,特別是在赤泥低成本脫堿、赤泥源頭減量、赤泥堆場生態復墾、赤泥高值化利用及赤泥利用專用裝備開發等方面開展聯合攻關,引導構建以氧化鋁企業為主體、院校為支撐、市場為導向的產學研用協同創新體系,破解赤泥規?;秒y題。
              4)搭建跨領域合作平臺,推動赤泥產業化應用。鑒于赤泥具有成分復雜屬性,針對重點區域和行業,建立精細的管理數據庫,進一步摸清赤泥及其他工業固廢產生和利用情況,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,為赤泥協同利用多源固廢提供支撐;激勵和指導產廢企業進行區域間的協同利用,開展跨行業協同處置利用赤泥的試點示范,樹立行業標桿,遴選一批技術先進的赤泥規?;玫湫推髽I,進行推廣宣傳,引領赤泥綜合利用產業的發展。

              轉自:工業固廢網有版權方面不當之處,歡迎告知刪稿事宜,本號將盡快處理。


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