铜尾矿库尾矿全粒径规模化低碳消纳研究*

陈玉芳，朱 灿

（1. 铜陵有色金属集团铜冠建筑安装股份有限公司，安徽 铜陵 244000；2. 铜陵有色金属集团控股有限公司，安徽 铜陵 244000）

1 引言

矿业企业每年产生大量的尾矿，近年来许多矿业企业的铜尾矿库已到服务年限，受生态环境保护红线影响，无法选择到符合条件的地块新建尾矿库，面临铜尾矿无处可排的难题。此外，我国现有铜尾矿库环境安全风险问题突出，销库复绿任重道远。现有的尾矿库利用途径有限，以直接充填为主［1-2］。某大型矿冶集团通过铜尾矿库尾矿全粒径规模化低碳消纳研究，采用分级分质利用与超细粒活化改性，形成高硫铁精矿、建筑用砂、水泥原料、公路路基等产品，实现了铜尾矿全粒径、全质利用，环境正效益和碳效益显著，解决了消纳量有限和资源化产品经济效益差的问题，值得在全国推广应用。

2 尾矿库的成因

2.1 尾矿产生环节

以某矿冶集团某主力矿山为例，尾矿产生于选矿工艺的浮选环节，如图1所示。

图1 尾矿产生工艺流程图

2.2 尾矿产生量的确定

该矿山［3］历年铜矿采掘总量与尾矿产生量如表1所示。由表1可知：铜矿采掘总量与尾矿产生量呈线性相关，平均经验系数为0.58。

表1 采掘总量与尾矿产生量历年经验系数表

2.3 尾矿分析

2.3.1 尾矿粒度分布

尾矿粒径［4］筛分数据见表2，粒径大于0.15mm、0.15～0.074mm，0.074～0.044mm，0.038～0.044mm，小于0.038mm在尾矿中的占比分别为20.90%，27.70%，14.70%，20.22%，14.38%。

表2 尾矿粒径分布

2.3.2 尾矿的化学成分分析

该矿山不同粒级尾矿与铜矿原矿的主要化学成分如表3所示。

2.3.3 尾矿的X射线衍射分析

尾矿X射线衍射（XRD）分析如图2所示，尾矿的主要矿物［5］为石英、水钙铝榴石、石灰石等。

图2 尾矿XRD分析图

2.3.4 尾矿浸出毒性和放射性

该矿山铜尾矿库尾矿浸出毒性和放射性检测结果见表4，其各项重金属含量均未超标，放射性满足《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）［6］的要求。由表3和表4可知，该铜尾矿库尾矿属于一般固体废物。按照2021年12月30日生态环境保护部颁布施行的《一般工业固体废物管理台账制定指南（试行）》，该铜尾矿库尾矿属一般工业固体废物，分类代码为SW05。

表3 尾矿的主要化学成分 %

表4 尾矿浸出毒性检测 mg/L，pH 无量纲

3 尾矿消纳现状分析

3.1 充填

充填是尾矿的主要利用途径，该矿山铜矿尾矿充填工艺流程如图3所示。选矿排出的尾矿浆经尾矿输送管道进入深锥浓密机中，在供砂的同时添加药剂进行絮凝，加速尾矿与溢流水分层。尾矿浓缩沉降后排出的溢流水自流至深锥浓密机旁设置的溢流水池，用于回填生产用水，多余部分通过泵送回矿山水处理系统；回填时，深锥浓密机底流料浆经泵输送至搅拌系统，与来自立式料仓的胶凝材料充分搅拌，制备成符合要求的回填料浆，最后通过回填工业泵和管道输送至露天坑回填区域［7］。

图3 尾矿充填流程图

该矿山2016年1月—2021年6月尾矿［8］充填率如表4所示。由表4可知，尾矿充填率在此期间较为稳定，平均充填率为65.40%，剩余的尾矿选择堆存。

3.2 尾矿堆存

由于矿山平均充填率在55%～75%之间，没有被充填的尾矿需要堆存，最终形成尾矿库。据统计，我国现有尾矿库 12655座，尾矿堆存总量超过1.6×1010t，占地面积累计约3.7×104km2，并且仍然在以超过400km2/a的速度增长。

表5 2016年1月—2021年6月尾矿充填率

综上所述，我国目前尾矿大规模消纳途径有限。由表5可知，该矿山2016年1月—2021年6月尾矿矿山井下充填1130.7824万t，598.3590万t尾砂尾矿库堆存，除了零星的取砂用于科技实验，没有其他的利用途径。

表6 在用主力尾矿库使用现状

4 尾矿消纳的必要性分析

4.1 尾矿库库容压力

2021年6月底，该大型矿冶集团主力尾矿库A、D、S使用现状如表6所示。根据各矿山尾矿库剩余库容及年入库量进行计算，S铜矿尾矿库还可继续使用12a左右；A铜矿剩余库容还可使用11a左右；D铜矿所剩库容仅够1～2a使用。

4.2 环境管理压力

尾矿长期堆存会向地下渗透大量的酸性或碱性废水，使得地下水质恶化，严重影响到当地居民的饮用水安全；尾矿库表层还会产生大量的扬尘，严重污染大气和影响当地的居住环境。

4.3 安全管理压力

许多铜尾砂库长期高负荷堆存使用，存在一定环境风险和安全隐患，尤其是现排尾矿库或闭库时间较短的尾矿库，在长期应力、山体滑坡、暴雨、山洪等自然灾害的作用下，存在溃坝的可能性，对人民的生命财产安全造成了较大的威胁［9］。

5 铜尾矿库尾矿全粒径规模化低碳消纳途径

5.1 胶凝改造技术充填

2021年7月以来，该大型矿冶集团采用立磨作为粉磨系统，每年消纳铜尾矿库尾矿37.5万t，加以1.25×105t/a辅料，每年可产生具备胶结充填5×106t尾矿的矿山充填胶凝［10］建筑材料5.0×105t。尾矿和辅料的粉磨均采用立磨作为粉磨系统，工艺流程如图4所示。

图4 胶凝改造技术充填工艺流程图

自2021年7月以来，该矿冶集团的三家单位经试用后，增加了7.5%的全粒径尾矿利用率，而且对于分级尾矿或细粒级尾矿也有很好的适应性，可以充填1.20×106t/a铜尾矿资源脱硫分级综合利用富余产能的细粒级尾矿，安全性能好，可以保证分级分质铜尾矿的完全利用。

5.2 制备公路工程无机结合料

矿业企业产生的浮选尾矿中的粗粒级尾矿，品质稳定，既可作为公路工程无机结合料，也为公路工程无机结合料提供了原材料来源。抛尾废石和浮选尾矿协同复合利用，作为公路工程无机结合料的骨料，不仅解决了抛尾废石和尾矿排放问题，还使其成为一种砂石骨料资源，产生了一定的经济价值。

固废基道路胶凝材料以全固废为原材料，固废利用率在96%以上，对所用原材料钢渣、铜冶炼渣、炉渣和高炉矿渣进行粉磨预处理［11］，将其粉磨至与水泥细度相当水平之后，将粉煤灰、钢渣粉、铜冶炼渣粉、炉渣粉等物料进行充分搅拌混合，搅拌混合后的物料与抛尾废石、浮选尾矿、特种激发剂、水和其他配料组分按照设计配比，进行配料、均化，形成基础配合料，在陈化仓中陈化18～24 h，然后，依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）［12］入箱，进行约72 h的养护，经力学性能、耐久性能、环境性能测试，合格成品达到应用要求。

图5 制备公路工程无机结合料

利用尾矿等制备路面基层材料，以铺筑1000 m路面基层（包括底基层和上基层）为例，路宽12m，基层总厚度为0.4m，可消耗尾矿1275 t，该路面基层材料的尾矿纯利用率达12.88%；同时可消减粉煤灰392 t、钢渣粉2205 t、铜冶炼渣588 t、炉渣245 t、高炉矿渣490 t、脱硫石膏588 t、抛尾废石3825 t，固废利用率可达97%以上。此外，该路面基层较之于传统路面基层，成本可降低20%左右。

该大型矿冶集团年产100万t公路工程无机结合料可精准消纳粒径大于0.15mm的粗尾矿12.75万t，占比达20.90%，其用砂来源于1.20×106t/a铜尾矿资源脱硫分级综合利用项目。

5.3 铜尾矿资源脱硫分级综合利用

由表3可知，尾矿中硫含量较高。该大型矿冶集团为实现尾矿精准全利用，采用全流程干式处置工艺［13］，并形成了多尺度协同活化改性制备活性矿物质原料技术，实现铜尾矿低成本脱硫脱水和惰性铜尾矿高效活性激发目的，将铜尾矿改性加工生产硫铁精矿、建筑用砂、活性矿物质掺合料等产品（见图6），为铜尾矿规模化用做水泥、混凝土等建材行业的矿物质原料，实现尾矿消纳处置［14］。

图6 120 万t/a铜尾矿资源精准综合利用工艺流程图

5.3.1 尾矿脱水压滤工艺

尾矿为浆体时，浓度约为30%的尾矿浆由管道输送到尾矿汇总池浓缩之后，尾矿浆体浓度可提升至 60%～70%，然后将浓缩后的矿浆输送［15］至压滤机，通过压滤，使其成为含水率 13%～15%的湿基尾矿，脱水后的尾矿用皮带输送机送到尾矿堆棚堆存备用。

5.3.2 原料输送及烘干

水分小于15%的尾矿原料经装载机送入箱式给料机计量后，由带式输送机送至锁风喂料机，进入尾矿专用干燥机。尾矿专用干燥机的烘干热源由焦炉煤气沸腾炉系统提供。尾矿经烘干之后，含水率≤0.5%，将烘干后的尾矿输送至筛分机，将粗粒级团聚态颗粒筛分出后，细粒级尾矿进入中间料仓备用。

5.3.3 尾矿除杂及分选

烘干后水分小于0.5%的尾矿输送至预处理除杂设备，将尾矿中的高硫组分选出，获得第一种产品：硫铁精矿。除杂后的尾矿，通过斗提机输送至高效选粉系统，将粗粒级（粒径大于0.15mm的粗尾矿，占比20.90%）尾矿选出，输送至堆场作为建设用砂。其中，一部分用于制备公路工程无机结合料，另一部分对外出售。细粒级（粒径小于0.15mm的细尾矿，占比79.10%）尾矿输送至二级选粉系统，将超细粒级（粒径小于0.038mm的细尾矿，占比14.38%）尾矿选出后，加入活性激发剂，经活化处理后的超细粒级尾矿直接输送至成品仓［16］，作为大宗建材行业的矿物质原料。

5.3.4 机械粉磨和化学活化

经二级选粉系统分离出来的剩余中粒级（0.038mm～0.15mm，占比62.62%）尾矿用输送设备送入稳料仓，经计量后，进入粉磨系统并加入化学激发剂。粉磨系统采用闭路磨，粉磨合格的尾矿粉直接输送至成品仓，粒度和比表面积不合格的尾矿返回至粉磨系统进一步粉磨，最终将粉磨合格后的尾矿输送至产品仓［17］，作为大宗建材行业的矿物质原料。

综上所述，采用120万t/a铜尾矿资源脱硫分级综合精准分选粒径大于0.15mm的粗粒径尾矿24万t（占比20.9%），小于0.15mm的细粒径尾矿92万t（累计占比79.1%）和高硫铁精矿产品4万t，做到了尾矿的100%全利用。

6 尾矿库尾矿精准利用应用效果

6.1 50万t胶凝改造技术充填

6.1.1 环境正效益明显

50万t胶凝改造技术充填项目投资5800万元，年总成本费用20054.22万元，年收益21911万元，年税后利润 1398.68万元，单位产品环境正效益40.0971元/t，实现年胶结充填尾矿500万t，精准增加了37.5万t全粒径尾矿利用量，解决了传统胶凝材料水泥用于胶结充填时成本高、水化热高和抗酸性差等缺点，对于分级尾矿或细粒级尾矿具有更好的适应性。此外，胶结充填达到同等强度效果时，所用的胶凝材料量更少；在同样的浓度条件下进行充填时，有更多的铜尾矿充填进井下。

6.1.2 碳减排显著

一是原材料替代减排。按照达到同样的胶凝效果，充填胶凝材料的用量为水泥用量的50%，每年可替代水泥用量100万t，CO2排放量减少了77.5万t；二是余热利用减排。采用工业副产能源焦炉煤气进行烘干，CO2排放量减少了6378.75t；三是粉磨降碳。立式粉磨系统粉磨每吨矿渣可节约电耗10kWh，CO2排放量减少了3000t。综上所述，该项目年降碳共计78.437875万t。

6.2 100万t制备公路工程无机结合料

6.2.1 环境正效益明显

项目投资2853.13万元，年总成本费用8538.33万元，年收益11807.11万元，年税后利润1212.35万元，单位产品环境正效益12.1235元/t，精准协同处置粗尾矿12.75万t。相比于传统路面基层，成本降低了20%。

6.2.2 碳减排显著

按照年产量100万t道路基层材料计算，如采用传统道路基层材料需要6万t水泥。按照生产每吨水泥排放0.9 t的CO2计算，减少6万t水泥用量，CO2排放量可减少5.4万t。

6.3 120万t铜尾矿资源脱硫分级综合利用

6.3.1 环境正效益明显

项目投资10335.47万元，年总成本费用13450.34万元，年收益17900万元，年税后利润1735.84万元，单位产品环境正效益14.4653元/t。其中，脱硫分级分选的24万t粗粒径尾矿（粒径大于0.15mm，占比20.90%）中的12.75万t送至年产100万t公路工程无机结合料项目消纳，剩余部分直接作为建设用砂产品进行销售；精准脱硫得到的4万t高硫铁精矿产品，利用物理工艺可进一步富集得到高硫高铁精矿（S 30%，Fe 50%），进行销售或进一步深加工可制成酸和铁；分级分选后可产生92万t活性矿物质原料，用于水泥生产，可增加混凝土的流动性、保水性。

6.3.2 碳减排显著

一是余热利用减排。采用工业副产能源焦炉煤气进行烘干，CO2排放量共减少了20412 t；二是闭路粉磨降碳。闭路粉磨每吨尾矿可节约电能5kWh，CO2排放量可减少4800 t；三是产品碳减排。相比传统机制，可减少开采、破碎、筛分工序的电能消耗，CO2排放量减少192 t，水泥、混凝土矿物质原料比传统工艺生产的砌筑水泥、特种水泥熟料，可减少CO2排放量59.8万t。

综上所述，该项目年降碳共计62.34万t。

6.4 铜尾矿库实现零增量

由于铜尾矿百分之百被利用，该矿冶集团不再兴建尾矿库，并对原有尾矿库实现销库复绿，为某矿冶集团提供了尾矿转型绿色发展的新路径。

7 结论

（1）尾矿消纳量大。通过开展铜尾矿库尾矿全粒径规模化低碳消纳研究，确立了50万t胶凝改造技术充填、100万t制备公路工程无机结合料和120万t铜尾矿资源脱硫分级综合利用三大精准利用模式，项目达产后，年精准处理尾矿37.5万t、12.75万t和120万t，年消纳铜尾矿150.25万t。

（2）环境效益显著。50万t胶凝改造技术充填项目投资5800万元，年税后利润1398.68 万元，单位产品环境正效益40.0971元/t；100万t/a多源固废协同制备公路工程无机结合料项目投资2853.13万元，年税后利润1212.35万元，单位产品环境正效益12.123元/t；120万t/a铜尾矿资源脱硫分级综合利用项目投资10335.47万元，年税后利润1735.84万元，单位产品环境正效益14.4653元/t。

（3）降碳效益显著。50万t胶凝改造技术充填项目CO2排放量可减少78.2万t/a，单位产品降碳1.5687575t/t；100万t制备公路工程无机结合料项目CO2排放量可减少5.4万t/a，单位产品降碳0.054t/t；120万t铜尾矿资源脱硫分级综合利用项目CO2排放量可减少62.34万t/a，单位产品降碳0.5195t/t。

（4） 尾矿消纳彻底。由于铜尾矿百分之百被利用，铜尾矿库实现了零增量，同时，随着后期产量的不断提升，原有铜尾矿库尾矿量将逐渐消减，逐步实现尾矿库的销库复绿，为彻底解决我国铜尾矿库问题提供了一条可借鉴途径。