礦產(chǎn)資源綜合回收與利用

馬金平

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

礦物是指存在于地殼中的自然化合物，其存在方式有固體、液體和氣體，以固體居多。具有開采價(jià)值的礦物稱為礦產(chǎn)。礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，是人類社會發(fā)展的主要源泉。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國90% 以上的能源和80% 以上的工業(yè)原料都來自礦產(chǎn)資源。

1 我國礦產(chǎn)資源的特點(diǎn)

(1)礦產(chǎn)資源總量豐富，品種齊全，但人均占有量少[2]。支柱性大宗礦產(chǎn)的某些礦種短缺或后備儲量不足，而儲量較多的則是部分用量不大的礦產(chǎn)。主要礦產(chǎn)儲量潛在價(jià)值占世界礦產(chǎn)總價(jià)值的12% ，居世界第3位，但從人均占有量看，僅為世界人均占有量的58%[3]。

(2)貧礦多、富礦少，尤其是鐵、銅、鋁土、鉛、鋅、金等多為貧礦。如我國鐵礦品位一般在30%～35%之間，而國外一般60%～65%；銅礦品位大于1%的不到30%，大于2%的只占6%。

(3)粗顆粒少，細(xì)顆粒多；單一礦少，共伴生礦多。共生礦占礦產(chǎn)資源的80%。共生銅占銅總儲量的25.7%，伴生鈷占鈷總儲量的80%，伴生金占金總儲量的44.2%，伴生銀占銀總儲量的87%，伴生在金川鎳礦中的鉑族元素占我國鉑元素總儲量的80%[4，5]。

礦產(chǎn)資源具有不同于其他自然資源的特點(diǎn)，即具有共生性和不可再生性。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源的消耗速度將越來越快。特別是近年來，我國礦產(chǎn)資源供求矛盾日益突出。我們應(yīng)當(dāng)高度重視礦產(chǎn)資源的保護(hù)和合理開發(fā)利用，走資源節(jié)約型的發(fā)展道路。

2 我國礦產(chǎn)資源綜合利用現(xiàn)狀和問題

開展礦山綜合利用，可以使一礦變多礦，貧礦變富礦，小礦變大礦，呆礦變活礦，無礦變有礦。自20世紀(jì)80年代初以來，我國礦產(chǎn)資源綜合利用取得了長足進(jìn)步，辦礦理念基本實(shí)現(xiàn)由“單一礦產(chǎn)資源開采”向“共伴生礦產(chǎn)資源(金屬和非金屬)系統(tǒng)綜合開發(fā)利用”的轉(zhuǎn)變。

目前，有色金屬行業(yè)70%以上共、伴生有價(jià)元素，都能得到不同程度的綜合利用。綜合回收的共、伴生元素近40種，很多采選聯(lián)合企業(yè)已初步形成了共、伴生礦產(chǎn)資源綜合回收體系。綜合回收的黃金產(chǎn)量現(xiàn)在已占總產(chǎn)量的1/4～1/3，銀、鉑族金屬和稀散元素幾乎100%都是綜合回收的，近3/4的硫酸原料是從有色金屬生產(chǎn)過程中綜合回收的。黑色金屬的綜合利用率為30%～40%[6]。

綜觀全國礦業(yè)，我國礦產(chǎn)資源綜合利用與發(fā)達(dá)國家相比，其差距仍比較大。

(1) 綜合利用水平低。我國共、伴生礦產(chǎn)資源綜合利用率不足20%，礦產(chǎn)資源總回收率約30%，而國外先進(jìn)水平均在50%以上。在品種上，我國綜合利用的礦種，只占可以開展綜合利用礦種總數(shù)的50%左右；在數(shù)量上，我國銅鉛鋅礦產(chǎn)伴生金屬冶煉回收率平均為50%左右，發(fā)達(dá)國家平均在80%以上[7]。

(2) 亂采濫挖嚴(yán)重。我國長期以來對礦業(yè)的粗放式經(jīng)營，人們大多對我國的資源情況缺乏正確的認(rèn)識。在選礦方面，地方選礦廠大多是粗放型的生產(chǎn)經(jīng)營模式，開采規(guī)模過小、技術(shù)落后、采易棄難、采富棄貧、優(yōu)礦劣用，使礦產(chǎn)資源遭受極大的破壞。我國目前還有許多小礦在采用最原始的手工挖礦的采礦方法，勞動(dòng)生產(chǎn)率低。

(3) 開發(fā)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。一個(gè)地區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)，必然會影響這個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，主要是對地形地貌的破壞和“三廢”的排放。前者會造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，地表下沉、滑坡和泥石流等；后者則會對大氣、江河、農(nóng)田造成污染，而且會占用大量耕地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國金屬礦山尾礦堆存量已達(dá)50億t左右 ，并每年還以3億～5億t排放速度增長。侵占和直接污染土地66.7萬hm2，間接污染土地667萬hm2[8]。

我國礦業(yè)目前正面臨著資源約束(利用效率低、接替資源不足等)和環(huán)境約束(地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重、歷史欠賬多等)雙重制約。原地礦部預(yù)測，到2010年，我國45種重要礦產(chǎn)中，可以保證的只有23種，不能保證需長期進(jìn)口補(bǔ)缺的有10種，資源短缺主要靠進(jìn)口的有5種。到2020年形勢更加嚴(yán)峻，可以保證需求的僅有6種。到2050年則完全沒有保證[9-11]。

2007年年初，國家發(fā)展改革委發(fā)布了《“十一五”資源綜合利用指導(dǎo)意見》，提出到2010年，我國礦產(chǎn)資源總回收率與共伴生礦產(chǎn)綜合利用率，在2005年的基礎(chǔ)上各提高5個(gè)百分點(diǎn)，分別達(dá)到35%和40%。這對我國礦產(chǎn)資源管理和開發(fā)利用提出了明確的目標(biāo)要求[12]。

3 綜合利用發(fā)展方向

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是一種以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心，以“減量化、再利用、資源化”為原則，以低消耗、低排放、高效率為基本特征，符合可持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長模式。礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)是指地球上的礦產(chǎn)及礦產(chǎn)品遵循礦產(chǎn)物質(zhì)的自身特征和自然生態(tài)規(guī)律，按其勘查、采選冶生產(chǎn)、深加工、消費(fèi)等過程構(gòu)成閉環(huán)物質(zhì)流動(dòng)，與之依存的能量流、信息流內(nèi)在疊加，達(dá)到與全球環(huán)境、社會進(jìn)步等和諧發(fā)展的一個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。

3R原則在礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的表現(xiàn)形式，主要是貧富礦兼采、綜合回收、一礦變多礦、清潔生產(chǎn)、保護(hù)生態(tài)等。礦業(yè)領(lǐng)域要采取有力措施，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，讓循環(huán)經(jīng)濟(jì)成為礦產(chǎn)資源綜合利用的助推器。

礦產(chǎn)資源綜合利用，是當(dāng)前我國一項(xiàng)重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策[13]。通過對我國礦產(chǎn)資源的特點(diǎn)、礦產(chǎn)綜合利用現(xiàn)狀以及礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的分析，目前，我國現(xiàn)階段礦產(chǎn)綜合利用的重點(diǎn)領(lǐng)域和綜合利用的方向應(yīng)該為：一是對復(fù)雜共生伴生礦的綜合利用。我國共生、伴生礦特別多，這就要求在工藝的選擇和設(shè)計(jì)上要統(tǒng)籌兼顧，做到貧富皆收。二是礦業(yè)“三廢”的綜合回收與利用。由于我國伴生礦多以及采選冶技術(shù)限制，堆存的尾礦、廢石中還含有可以提取利用的有用元素。目前我國的金屬尾礦綜合利用率不足10%，還有很大的潛力。例如，鞍本地區(qū)一些磁鐵礦尾礦，含有近20%的Fe，采用強(qiáng)磁機(jī)可回收鐵品位達(dá)60%的鐵精礦。三是再生金屬資源綜合利用。四是節(jié)能降耗，清潔生產(chǎn)。

根據(jù)我國礦產(chǎn)資源特點(diǎn)和綜合利用現(xiàn)狀，借鑒發(fā)達(dá)國家礦產(chǎn)資源綜合利用成功的經(jīng)驗(yàn)，提出以下對策建議：

(1)健全相關(guān)法律法規(guī)，健全礦產(chǎn)資源綜合利用的運(yùn)行機(jī)制，為礦產(chǎn)資源綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供法律保證。將國家用于扶植礦產(chǎn)資源綜合利用包括稅收在內(nèi)的優(yōu)惠經(jīng)濟(jì)政策真正落實(shí)到位，提高企業(yè)開展礦產(chǎn)資源綜合利用的積極性；要強(qiáng)化對礦產(chǎn)資源綜合利用的監(jiān)督管理，加強(qiáng)對勘探和生產(chǎn)過程中的全面綜合評價(jià)與考核監(jiān)督；推動(dòng)礦業(yè)清潔生產(chǎn)，減少廢棄物排放，發(fā)展綠色礦業(yè)。

(2)加強(qiáng)新技術(shù)、新工藝的開發(fā)與應(yīng)用。礦產(chǎn)資源綜合利用的根本出路在于技術(shù)進(jìn)步。以科技為先導(dǎo)，采取有力措施，加強(qiáng)采、選、冶的新技術(shù)、新工藝的研究與推廣應(yīng)用，不斷提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率。

礦物加工的發(fā)展趨勢，是對自然界“含量貧、結(jié)晶細(xì)、成分雜”的礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)、利用。實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的綜合利用，必須針對我國資源特點(diǎn)，借助于每個(gè)單元的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備革新，創(chuàng)造適合我國資源特點(diǎn)的選礦新工藝(如生物選礦技術(shù)，微細(xì)粒貧礦選礦技術(shù)，多金屬共生礦綜合利用技術(shù)，尾礦再利用技術(shù)等)。

①碎磨過程

礦物工程中，70%左右的能耗消耗于碎磨作業(yè)，其中磨礦占85%～90%。因此，盡可能用破碎設(shè)備代替磨礦設(shè)備，采用超細(xì)破碎機(jī)縮小入磨粒度，實(shí)現(xiàn)“多碎少磨”原則。自磨、半自磨的應(yīng)用、碎磨設(shè)備的大型化，都有利于能耗的降低。同時(shí)，應(yīng)選擇合理的碎磨工藝流程，減少過粉碎現(xiàn)象或礦物與脈石連生進(jìn)入尾礦的損失率。

另外，我國許多礦產(chǎn)資源的微細(xì)嵌布，決定了必須對礦石細(xì)磨或超細(xì)磨，才能實(shí)現(xiàn)礦物的單體解離。通過新型碎磨設(shè)備(振動(dòng)磨、攪拌磨、高壓輥磨機(jī)等)的研制和應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)粉體的制備。

②物理分選

重選：通過改變重力選礦設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)；應(yīng)用特殊的藥劑和物料，調(diào)節(jié)分選介質(zhì)的性質(zhì)，或調(diào)節(jié)液流的強(qiáng)度和分選區(qū)中循環(huán)的特點(diǎn)；施加振動(dòng)或超聲波作用，提高跳汰機(jī)、搖床和重介質(zhì)分選的效果；研制振動(dòng)分離機(jī)、振動(dòng)溜槽和振動(dòng)搖床等新型重選設(shè)備。

針對所分選礦物比重差小的特點(diǎn)，改變常規(guī)的自然重力場，采用超重力場；發(fā)展重力與離心力 磁力、電力、機(jī)械振動(dòng)力能等相結(jié)合的綜合力場的選別方法，強(qiáng)化微細(xì)粒的分選過程。

磁選：為了增大被分選礦物的比磁化系數(shù)差別，研制新型高梯度磁選機(jī)(磁過濾機(jī)) 以及應(yīng)用低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體，可以提高磁場力。這可以使磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度提高幾個(gè)數(shù)量級，擴(kuò)大被選原料的種類，提高磁選效率。

電選：為了擴(kuò)大被分選礦物的電性差異和提高電選效率，通過加熱、摩擦黏附、機(jī)械作用和輻射作用，應(yīng)用無機(jī)和有機(jī)藥劑處理物料，改變分選物料表面電性，以及研制新型電選機(jī)。

④浮選及浮選藥劑

浮選電化學(xué)：根據(jù)電化學(xué)原理，研究浮選過程的機(jī)制。主要針對硫化礦，電化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)硫化礦與浮選劑作用機(jī)理，通過電化學(xué)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多金屬硫化礦分離。

浮選溶液化學(xué)：根據(jù)溶液化學(xué)原理，研究浮選行為，主要針對非硫化礦。根據(jù)礦物/浮選劑溶液化學(xué)反應(yīng)行為，預(yù)測非硫化礦浮選分離條件與浮選機(jī)理。

浮選表面及膠體化學(xué)：根據(jù)表面及膠體化學(xué)原理，研究顆粒間相互作用，討論細(xì)粒礦物選擇性凝聚、分散與浮選分離行為。討論超細(xì)顆粒加工制備過程機(jī)制。如疏水凝聚、選擇性絮凝、載體作用等。主要針對超細(xì)粒礦物、煤炭的加工利用與廢水治理等。

根據(jù)以上浮選理論以及實(shí)踐，浮選工藝出現(xiàn)多種多樣的工藝，如閃速浮選法、導(dǎo)電浮選法、載體浮選法、分支分速浮選法、分支串流浮選法、分支載體浮選法、異步混臺浮選法等。

新型的更符合浮選動(dòng)力學(xué)原理的浮選設(shè)備的出現(xiàn)， 使得浮選工藝流程更簡捷，更適合于過程自動(dòng)化， 也使得浮選設(shè)備的大型、高效、經(jīng)濟(jì)成為可能。

浮選藥劑的研究發(fā)展，可歸納為組合藥劑的使用、藥劑改性、開發(fā)新的高性能或無毒的藥劑。組合用藥主要是利用藥劑之間的協(xié)同作用，增強(qiáng)藥劑的浮選效果。藥劑改性的研究，主要是對現(xiàn)有的黃藥、硫胺酯胺類和脂肪酸等藥劑，改變活性基，或引入、增加活性基團(tuán)等途徑，提高藥劑的性能。開發(fā)新型、高性能、低毒、價(jià)廉的新藥劑，也是重要的發(fā)展方向。為了保護(hù)環(huán)境，減少污染，相當(dāng)多的選礦廠采用了無氰無鉻工藝。

⑤其他選礦方法

隨著礦產(chǎn)資源的日益復(fù)雜和貧化，給常規(guī)選礦技術(shù)造成了很大的難度。“多種力場” 聯(lián)合作用的設(shè)備、多種藥劑“協(xié)同作用” 的“綜合選礦技術(shù)” 的應(yīng)用，以及其他更有效的處理方法的應(yīng)用。比如用生物浸出、化學(xué)浸出、溶劑萃取、離子交換等處理復(fù)雜貧細(xì)礦物資源。

⑥礦物加工過程的模擬、優(yōu)化以及自動(dòng)化

通過礦物加工全過程的計(jì)算機(jī)仿真、模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立礦山、選廠的專家系統(tǒng)，進(jìn)行生產(chǎn)、經(jīng)營管理。進(jìn)行選礦工程的“數(shù)學(xué)化、最優(yōu)化、自動(dòng)化”機(jī)制的研究，包括各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化、控制等。新型、先進(jìn)控制儀表的出現(xiàn)，結(jié)合“專家控制系統(tǒng)”，把選礦廠的自動(dòng)控制水平推進(jìn)一步。將“專家控制系統(tǒng)”與最優(yōu)適時(shí)控制結(jié)

合，達(dá)到以根據(jù)礦石性質(zhì)變化適時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，使選礦生產(chǎn)保持最優(yōu)狀態(tài)。

4 結(jié) 語

實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的綜合利用，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源開發(fā)模式，走可持續(xù)發(fā)展的道路。從資源消耗型轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源節(jié)約型，從破壞環(huán)境型轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好型，從技術(shù)落后型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)先進(jìn)型.從管理粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)楣芾砜茖W(xué)型，尋求一條經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境、資源相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展的道路。

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