赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、存在問題及解決方略探討

李 帥,周 斌,劉萬超,周曉峰,王 嵩

(1.中鋁環(huán)保節(jié)能集團(tuán)有限公司,北京 101300;2.中鋁中央研究院環(huán)保節(jié)能研究所,北京 101300;3.東阿山水東昌水泥有限公司,山東聊城 252218)

赤泥作為鋁工業(yè)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(duì)待,大多走堆場(chǎng)填埋單一治理路線[1],對(duì)赤泥的資源化利用技術(shù)研究探索雖然很多,如赤泥用作建筑材料[2-3]、環(huán)保材料[4-5]、有價(jià)元素提取[6-8]等,但真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)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(shù)得到了實(shí)施。近年來,《固體廢物污染環(huán)境防治法》《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等涉及固廢的政策法規(guī)不斷頒布,意味著未來國家對(duì)固廢的治理要求將要增加,赤泥的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將迎來更大的挑戰(zhàn)和壓力。

1 赤泥概況及理化特性

1.1 赤泥概況

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2021年中國氧化鋁產(chǎn)量為7 757.5萬t,約占世界氧化鋁產(chǎn)量的55%,持續(xù)保持世界第一大氧化鋁生產(chǎn)國地位。按照1 t氧化鋁排放1.5 t赤泥測(cè)算,2021年全國赤泥產(chǎn)生量約1.2億t,產(chǎn)出量前3的地區(qū)分別是山東、山西和廣西,約占全國總量的75%?；谥猩坍a(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的2021年我國氧化鋁產(chǎn)能布局情況,推測(cè)中國赤泥地區(qū)分布情況如圖1所示。目前全國赤泥累計(jì)堆存量超8億t。

圖1 中國赤泥地區(qū)分布情況Fig.1 Distribution of red mud in China

赤泥作為氧化鋁行業(yè)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(shí)現(xiàn)2025年,新增大宗固廢綜合利用率達(dá)到60%,存量大宗固廢有序減少的目標(biāo),赤泥年綜合利用量需要達(dá)到6 000萬t以上。目前的赤泥利用規(guī)模和利用率相比目標(biāo)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?jiān)耙睙掃^程中添加的輔料(如堿、石灰)等構(gòu)成。拜耳法工藝產(chǎn)生的典型赤泥成分及微量元素含量見表1[9-10],實(shí)際生產(chǎn)中各企業(yè)的赤泥成分取決于鋁土礦組成類型及生產(chǎn)工藝。

表1 拜耳法工藝赤泥成分及微量元素含量Table 1 Contents of main elements and trace elements in Bayer red mud

赤泥粒度極細(xì),粒徑小于75 μm的赤泥占比在90%以上[9],平均粒徑通常不大于10 μm;赤泥的比表面積為10～30 m2/g,其主要與鋁土礦的磨礦程度有關(guān)。赤泥的塑性指數(shù)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4.89～8.6 mg/L[11]。赤泥因具有強(qiáng)堿性,屬于Ⅱ類一般工業(yè)固廢。除此之外,赤泥還具有含水量大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高以及塑性良好等特點(diǎn)。

2 赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

目前,赤泥的規(guī)模化應(yīng)用主要集中在赤泥選鐵、赤泥材料化(建筑材料、道路材料、功能材料)兩大領(lǐng)域。

2.1 赤泥選鐵進(jìn)展

隨著國內(nèi)鋁土礦資源儲(chǔ)量減少、品位下降,以國內(nèi)一水硬鋁石礦為主的鋁產(chǎn)能逐漸減少,以進(jìn)口鐵含量高的三水鋁石礦為原料的鋁產(chǎn)能不斷增加。據(jù)估算當(dāng)前國內(nèi)約一半以上新增赤泥為高鐵赤泥(TFe≥30%)。2021年我國鋼產(chǎn)量超過10億t,鐵礦石對(duì)外依存度超80%,尋找新的鐵礦石資源勢(shì)在必行[14]。盡管赤泥中鐵品位相對(duì)較低,但考慮到赤泥排放量巨大,高鐵赤泥被認(rèn)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(fù)合礦相形式賦存,回收鐵是實(shí)現(xiàn)赤泥減量化的重要途徑之一。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 不同選鐵技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Advantages and disadvantages of different iron recovery technologies

赤泥物理選鐵技術(shù)具有能耗低、投資相對(duì)較小等特點(diǎn),目前已在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。截至2021年底,全國已建成赤泥選鐵項(xiàng)目8個(gè),均采用高梯度磁選工藝,目前在運(yùn)營項(xiàng)目6個(gè),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(yè)年減赤泥30萬t,田東錦江年減赤泥10萬t,靖西信發(fā)年減赤泥10萬t,魏橋鋁業(yè)年減赤泥30萬t。中鋁山東分公司與魏橋鋁業(yè)等企業(yè)由于赤泥選鐵生產(chǎn)線產(chǎn)出的鐵精礦品位不高(TFe含量≤49%),生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定。

赤泥火法冶金路線目前處于中試階段,部分技術(shù)呈現(xiàn)出較好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景,例如懸浮磁化焙燒技術(shù)、流化床還原技術(shù)[12-13],但存在鐵精礦中鋁含量高、冶煉裝備專業(yè)化、大型化水平不足等問題。濕法工藝由于酸耗高、設(shè)備易腐蝕等原因,尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

2.2 赤泥材料化應(yīng)用進(jìn)展

關(guān)于赤泥用于制備路基材料方面,目前山東省已形成地方標(biāo)準(zhǔn)《公路工程赤泥路基應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB37T 3559—2019),并實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的推廣應(yīng)用。根據(jù)山東地區(qū)赤泥路基示范工程案例測(cè)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(guī)?；{赤泥的前景。但是赤泥用于制備路基材料技術(shù)本身還需要系統(tǒng)優(yōu)化,需要對(duì)用于制備路基的赤泥材料進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估,特別是材料的壽命及對(duì)周邊土壤、植被及地下水等指標(biāo)的影響。此外,該技術(shù)方向尚未得到其他地方政府的支持。

赤泥建材化是實(shí)現(xiàn)赤泥規(guī)模化消納的重要手段。國際鋁協(xié)(IAI)發(fā)布的赤泥利用路線圖,也在鼓勵(lì)和推動(dòng)赤泥用于水泥和混凝土產(chǎn)品。歐盟在2021年啟動(dòng)了“赤泥活化用于生產(chǎn)可持續(xù)水泥”(ReActiv)項(xiàng)目,希望將赤泥轉(zhuǎn)化為一種適用于新型低二氧化碳排放水泥產(chǎn)品的活性材料,從而實(shí)現(xiàn)用赤泥為原料生產(chǎn)水泥,以實(shí)現(xiàn)氧化鋁和水泥行業(yè)的節(jié)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[15-17],目前全球首條赤泥基低碳膠凝材料示范生產(chǎn)線已在河南焦作啟動(dòng)建設(shè)。赤泥在建材方面的應(yīng)用顯示了其在低碳、節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì),其規(guī)?；茝V應(yīng)是助力有色行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要路徑之一。此外,傳統(tǒng)的赤泥摻燒制備燒結(jié)磚、硅酸鹽(Portland)水泥和硫鋁酸鹽水泥等技術(shù)也已成熟,在山東、廣西、云南等地區(qū)已有商業(yè)化運(yùn)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(duì)赤泥進(jìn)行改性處理,經(jīng)深度加工后其性能及附加值得到提升,成為可持續(xù)削減儲(chǔ)量的補(bǔ)充途徑。目前赤泥在功能材料方面的研究進(jìn)展如圖2所示,各技術(shù)中,只有赤泥制備絮凝劑技術(shù)被中鋁山東推進(jìn)到產(chǎn)業(yè)化階段,其他技術(shù)雖然擁有較好的應(yīng)用前景,但受限于改性技術(shù)手段、生產(chǎn)成本及產(chǎn)品利用途徑等多種因素影響,多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。未來,還需要對(duì)赤泥基材料的性能進(jìn)一步提高,并加大對(duì)赤泥相關(guān)產(chǎn)品的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為商業(yè)化做好鋪墊。

圖2 赤泥功能材料技術(shù)進(jìn)展情況Fig.2 Technical progress of red mud-based functional materials

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(zé)任不強(qiáng)

依據(jù)“誰污染、誰治理”原則,氧化鋁企業(yè)應(yīng)作為赤泥治理的責(zé)任主體,必須承擔(dān)起赤泥綜合利用的主體責(zé)任。但國家同時(shí)規(guī)定,對(duì)暫時(shí)不利用或者不能利用的,必須按照國務(wù)院環(huán)境保護(hù)行政主管部門的規(guī)定建設(shè)貯存設(shè)施、場(chǎng)所,安全分類存放,或者采取無害化處置措施。受限于過去經(jīng)濟(jì)社會(huì)和技術(shù)水平,這條政策為氧化鋁企業(yè)赤泥綜合利用留下了可緩和的空間,部分氧化鋁企業(yè)考慮資金、利益等因素,對(duì)赤泥的處置仍然是堆存。只要有堆場(chǎng)可用,氧化鋁企業(yè)對(duì)赤泥資源利用的主動(dòng)性和積極性并不高,未能有效發(fā)揮赤泥利用的主體責(zé)任。

利廢企業(yè)作為理性投資人,以追求利益最大化為目標(biāo)。但赤泥利廢企業(yè)在與氧化鋁企業(yè)合作時(shí),氧化鋁企業(yè)多將赤泥作為產(chǎn)品出售,存在與利廢企業(yè)爭(zhēng)奪利潤(rùn)現(xiàn)象,氧化鋁企業(yè)和赤泥利廢企業(yè)之間的博弈,導(dǎo)致利廢企業(yè)的投資風(fēng)險(xiǎn)加大,對(duì)赤泥的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及推廣興趣不高。

3.2 赤泥綜合利用技術(shù)成本高

赤泥具有堿性強(qiáng),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(lǐng)域成熟的工藝、技術(shù)和設(shè)備,導(dǎo)致赤泥利用技術(shù)成本增加。實(shí)驗(yàn)室技術(shù)難以走向產(chǎn)業(yè)化,主要還是因?yàn)榧夹g(shù)的成本優(yōu)勢(shì)不明顯,利用赤泥為原料制備建材產(chǎn)品、化工產(chǎn)品及其他產(chǎn)品存在成本高、效益差、技術(shù)成熟度不足的短板,產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng),大規(guī)模、高摻比、低成本的可應(yīng)用技術(shù)及其研究仍然不足。例如:綠色建材是規(guī)模消納赤泥的一個(gè)重要領(lǐng)域,但長(zhǎng)期以來我國天然建材生產(chǎn)規(guī)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(guān)再生產(chǎn)品成本高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱。

3.3 缺乏標(biāo)準(zhǔn)支撐,市場(chǎng)消納存在瓶頸

赤泥目前可制備的產(chǎn)品種類繁多,但由于缺乏赤泥相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,其利用過程面臨與市場(chǎng)對(duì)接難、市場(chǎng)不認(rèn)可等問題。當(dāng)前,已經(jīng)開發(fā)出的赤泥綜合利用產(chǎn)品,由于缺少國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支撐,只能參照其他同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),市場(chǎng)認(rèn)可度低,產(chǎn)品應(yīng)用受限,難以大規(guī)模推廣。特別是赤泥自有的強(qiáng)堿性、輻射性等屬性,讓公眾對(duì)赤泥綜合利用產(chǎn)品的安全性存在較大的疑慮,導(dǎo)致赤泥基產(chǎn)品難以順利在市場(chǎng)推廣。

總體上看,赤泥綜合利用方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失嚴(yán)重,赤泥產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制定工作嚴(yán)重滯后,導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品在利用和銷售過程中認(rèn)可度低,無法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品規(guī)模推廣,在一定程度上阻礙了技術(shù)市場(chǎng)化進(jìn)程。此外,受資源分布及運(yùn)輸成本影響,赤泥的產(chǎn)生較為集中,當(dāng)前以建材、鋪路為主的規(guī)?；C合利用模式受運(yùn)輸半徑、人口規(guī)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(lǐng)域協(xié)同利用交流少,產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢

赤泥成分復(fù)雜,排放量巨大,僅依靠單一的技術(shù)手段很難規(guī)?；{,且容易造成產(chǎn)品種類單一,引起產(chǎn)能過剩。

赤泥的規(guī)?；眉夹g(shù)涉及有色、建材、鋼鐵、交通、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。加大赤泥利用產(chǎn)業(yè)鏈上、下游溝通交流,促進(jìn)赤泥多途徑、跨領(lǐng)域、多行業(yè)消納,特別是根據(jù)區(qū)域內(nèi)不同固廢開展協(xié)同處置利用研究,是促進(jìn)赤泥走向高附加值規(guī)?；玫挠行緩?。此外,赤泥利用項(xiàng)目在應(yīng)用實(shí)施過程中,需要環(huán)評(píng)許可支撐,但新技術(shù)、新產(chǎn)品項(xiàng)目環(huán)評(píng)通常需要較長(zhǎng)時(shí)間的論證,導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化推廣緩慢。

4 推動(dòng)赤泥綜合利用的建議及策略

在高質(zhì)量發(fā)展的新要求下,赤泥資源綜合利用勢(shì)在必行。氧化鋁企業(yè)應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起赤泥綜合利用的主體責(zé)任,從源頭上消減赤泥量,同時(shí)在赤泥末端治理方面加大研發(fā)投入及參與的積極性,為推進(jìn)我國鋁工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)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(gè)方面入手。

1)強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)政策引領(lǐng)。政府、企業(yè)要從戰(zhàn)略和頂層設(shè)計(jì)上把赤泥應(yīng)用納入到當(dāng)?shù)鼐C合利用產(chǎn)業(yè)布局或企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中,堅(jiān)持政策引領(lǐng)、規(guī)劃先行、市場(chǎng)導(dǎo)向,科學(xué)編制赤泥利用產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、園區(qū)規(guī)劃、實(shí)施方案及行動(dòng)計(jì)劃,引領(lǐng)赤泥利用產(chǎn)業(yè)健康高質(zhì)量發(fā)展。借鑒貴州省磷石膏以渣定產(chǎn)政策成功經(jīng)驗(yàn),從國家或者省、市層面制定“以用定產(chǎn)”政策,倒逼氧化鋁企業(yè)承擔(dān)治污的主體責(zé)任。借助政策激勵(lì)和倒逼機(jī)制,全力構(gòu)建赤泥利用消納的政策體系和監(jiān)管機(jī)制,將氧化鋁企業(yè)消納赤泥的情況與氧化鋁產(chǎn)品的生產(chǎn)量掛鉤,提高氧化鋁企業(yè)參與赤泥利用的主動(dòng)性和積極性。

2)建立完善赤泥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系,發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)和規(guī)范的基礎(chǔ)作用。當(dāng)前制約赤泥利用突出的障礙是標(biāo)準(zhǔn)缺失,標(biāo)準(zhǔn)的缺失使赤泥資源化利用的產(chǎn)品和再生原料的生產(chǎn)銷售流通和使用都受到阻礙。一方面要加快推進(jìn)和建立政府主導(dǎo)制定的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn);另一方面要積極推進(jìn)市場(chǎng)自主制定的推薦性標(biāo)準(zhǔn),如赤泥用于礦山、道路充填材料的標(biāo)準(zhǔn)、赤泥用于煉鋼輔料的標(biāo)準(zhǔn)、赤泥建材化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。兩種標(biāo)準(zhǔn)相互補(bǔ)充、充分銜接,構(gòu)建起赤泥資源化利用標(biāo)準(zhǔn)體系。同時(shí),制定赤泥綜合利用技術(shù)評(píng)估方法,篩選出具有一定經(jīng)濟(jì)效益且可規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)。

3)加大政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān),降低赤泥處置成本。加深氧化鋁企業(yè)、設(shè)計(jì)院及高校間的創(chuàng)新交流與合作,推動(dòng)校企間科技資源與人才共享,消除校企之間的信息不對(duì)稱問題,逐步提升企業(yè)自主研發(fā)水平。著力開發(fā)具有一定經(jīng)濟(jì)意義或者有明顯生態(tài)效益的技術(shù),特別是在赤泥低成本脫堿、赤泥源頭減量、赤泥堆場(chǎng)生態(tài)復(fù)墾、赤泥高值化利用及赤泥利用專用裝備開發(fā)等方面開展聯(lián)合攻關(guān),引導(dǎo)構(gòu)建以氧化鋁企業(yè)為主體、院校為支撐、市場(chǎng)為導(dǎo)向的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系,破解赤泥規(guī)?；秒y題。

4)搭建跨領(lǐng)域合作平臺(tái),推動(dòng)赤泥產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。鑒于赤泥具有成分復(fù)雜屬性,針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和行業(yè),建立精細(xì)的管理數(shù)據(jù)庫,進(jìn)一步摸清赤泥及其他工業(yè)固廢產(chǎn)生和利用情況,加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的研判應(yīng)用,提升各項(xiàng)管理措施的精準(zhǔn)性和可操作性,為赤泥協(xié)同利用多源固廢提供支撐;激勵(lì)和指導(dǎo)產(chǎn)廢企業(yè)進(jìn)行區(qū)域間的協(xié)同利用,開展跨行業(yè)協(xié)同處置利用赤泥的試點(diǎn)示范,樹立行業(yè)標(biāo)桿,遴選一批技術(shù)先進(jìn)的赤泥規(guī)?；玫湫推髽I(yè),進(jìn)行推廣宣傳,引領(lǐng)赤泥綜合利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。