倪文：從源頭減排PM2.5 實現(xiàn)尾礦綜合利用

　　我國是全球尾礦和廢石堆存量最大的國家，2013年尾礦產(chǎn)生量16.49億噸，金屬礦采礦廢石總產(chǎn)生量為49.47億噸，其中僅鐵尾礦產(chǎn)生量就超過8.39億噸，產(chǎn)生鐵礦廢石超過40億噸。我國尾礦和廢石的堆存總量超過610億噸。

　　目前京津冀地區(qū)開山炸石生產(chǎn)建筑用砂石料所產(chǎn)生的潛在PM2.5形成物，約相當于640萬輛機動車的總排放量，超過北京市全部機動車的排放總量。

　　全尾礦廢石骨料生產(chǎn)混凝土技術在北京市約創(chuàng)造產(chǎn)值1278億元，總利潤約66億元。

　　選用一級摻粉煤灰和S105礦渣粉進行復摻配合比，減少水泥用量40%，約減排二氧化碳32%。

　　極低水泥熟料混凝土用于生產(chǎn)人工魚礁，采用1%水泥熟料，膠凝材料99%由超細礦渣粉、鋼渣粉和脫硫石膏代替，比普通人工魚礁混凝土減排二氧化碳90%以上?！?/p>

　　“如果能將鋼渣粉磨成微米級細粉，并與高爐水淬礦渣微粉、尾礦微粉和脫硫石膏微粉協(xié)同作用，可制成高性能的混凝土和用于地下充填采礦的充填料。如果全國的高爐礦渣、鋼渣、尾礦粉、脫硫石膏與尾礦和廢石制成的砂石料能夠實現(xiàn)良好的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用，每年不僅能節(jié)省5億噸至10億噸的水泥熟料，還能減少數(shù)十億噸的開山炸石。開山炸石所取得每立方米砂石料約向大氣中排放54.2克粒徑小于1微米的粉塵。同時，每噸炸藥爆炸，約向大氣中排放150公斤~300公斤的氮氧化物。目前京津冀地區(qū)開山炸石生產(chǎn)建筑用砂石料所產(chǎn)生的潛在PM2.5形成物，約相當于640萬輛機動車的總排放量，超過北京市全部機動車的排放總量?！?/p>

　　目前，京津冀霧霾成為人們關注的焦點，北京科技大學博士生導師、中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會首席專家、尾礦聯(lián)盟副秘書長倪文教授日前對記者表示，通過科技創(chuàng)新，我們一方面要減少開山炸石及其帶來的嚴重污染，另一方面，將龐大的“尾礦和廢石山”利用起來，實現(xiàn)從源頭上減排PM2.5。

　　倪文教授長期從事礦物材料和固體廢棄物資源化的研究工作。他說，以往，我們對大宗工業(yè)固廢的綜合利用研究，對單種固廢的考慮較多，多種固廢全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用的研究較少，再加上行業(yè)壁壘的束縛，對硅酸鹽類尾礦和廢石的特性沒有深入研究和充分利用。

　　尾礦和廢石及鋼鐵冶金渣是巨大的資源寶庫

　　倪文教授介紹，高爐水淬礦渣中具有潛在水硬活性的硅氧四面體是水泥熟料的2倍~3倍，但目前無論是作為水泥混合材料還是作為混凝土摻合料，或是作為膠結充填采礦膠結劑的主要成分，只有15%~30%在發(fā)揮作用。我國年產(chǎn)水淬高爐礦渣近3億噸，這種粗獷的利用方式是一種潛在的浪費。

　　大部分鋼廠經(jīng)過充分選鐵后，鋼尾渣中還有3%左右的殘余金屬鐵，并含有比水泥熟料更高的鈣、鎂、鐵二價金屬離子。我國年產(chǎn)鋼渣近1億噸，累積堆存近10億噸，是一個巨大的鈣鎂鐵資源庫。

　　倪文教授指出，令人頭疼的霧霾問題，是由于粒徑小于1微米的超細固體顆粒物、氮氧化物和硫化物向大氣中排放造成的。京津冀地區(qū)每年建筑用砂石料的總消耗量約6億噸，大部分是由開山炸石來取得。

　　一方面是資源的大量浪費，伴隨著產(chǎn)生大量污染，而另一方面，倪教授給出的數(shù)字更讓我們震驚：“我國是全球尾礦和廢石堆存量最大的國家，2013年尾礦產(chǎn)生量16.49億噸，金屬礦采礦廢石總產(chǎn)生量為49.47億噸，其中僅鐵尾礦產(chǎn)生量就超過8.39億噸，產(chǎn)生鐵礦廢石超過40億噸。我國尾礦和廢石的堆存總量超過610億噸，相當于滿載的重載列車繞地球200圈?！?/p>

　　目前在京津冀及周邊的燕山和太行山區(qū)，就堆存有200億噸以上的磁鐵石英巖型鐵尾礦和廢石，并具有廣泛分布的特征。

　　“十二五”期間，倪教授帶領他的團隊，開展了“典型尾礦資源清潔高效利用技術及裝備”項目的研究工作，對 “尾礦制備綠色環(huán)保新型建筑材料關鍵技術與示范”課題進行了深入研究。他們采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石制備建筑用砂石骨料，代替開山炸石所生產(chǎn)的砂石料，在北京地區(qū)已取得初步成功，北京市累計利用尾礦和廢石已超過3.6億噸。但是在京津冀地區(qū)和全國大規(guī)模推廣，還存在進一步提高品質、降低成本、降碳降耗和補齊產(chǎn)業(yè)鏈等若干重大共性關鍵技術難題。

　　協(xié)同利用技術取得重大突破

　　“尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立4年多來，每年通過舉辦培訓班和現(xiàn)場交流會等方式推廣先進適用技術。其中全尾礦廢石骨料C30和C40預拌泵送混凝土生產(chǎn)技術在北京市得到大范圍推廣應用，并開始輻射河北、遼寧、天津等省市?！蹦呓淌谂e了幾個例子。

　　根據(jù)密云冶金礦山公司提供的用戶意見顯示，僅該公司下屬的5家礦山企業(yè)在2013年就生產(chǎn)尾礦、廢石骨料2800萬噸，95%以上銷售給北京市的混凝土攪拌站或預制件廠。由此可以計算，這些尾礦和廢石骨料可以生產(chǎn)混凝土1200萬立方米，總產(chǎn)值可達40多億元。該技術在北京市自2006年到2013年8年間逐步推廣擴散，約創(chuàng)造產(chǎn)值1278億元，總利潤約66億元。

　　“我們對磁鐵石英巖型鐵尾礦生產(chǎn)建設用砂及廢石生產(chǎn)混凝土粗骨料進行了研究。磁鐵石英巖型鐵礦每年的開采量占全國鐵礦石開采量的70%，其產(chǎn)生的尾礦和廢石約占全國所有金屬礦尾礦和廢石總量的40%左右。我們以北京威克冶金公司的鐵尾礦全尾砂為原料，經(jīng)過濕法篩分后，作為商品建設用砂。經(jīng)檢測，產(chǎn)品級配符合標準要求，放射性限量符合國家標準?；炷链止橇辖?jīng)過北京建設工程質量第一檢測所有限公司檢測，級配和放射性限量均符合指標要求?！?/p>

　　倪教授介紹，在減排二氧化碳方面，本項目成果中最新完成的大摻量礦物摻合料，C30和C40預拌泵送混凝土的膠凝材料中，水泥、粉煤灰和礦渣粉的比例達到了30∶35∶35，比目前普遍應用技術中的水泥用量降低了40%以上，而且已經(jīng)制備出高性能的混凝土。據(jù)測算，本項目的新成果比傳統(tǒng)技術減少水泥用量40%，可以減排二氧化碳約32%。

　　“我們還對‘100%采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石骨料，作為配制C30至C80預拌泵送混凝土技術’進行了研究，選用一級摻粉煤灰和S105礦渣粉進行復摻配合比，膠凝材料組分比為水泥、粉煤灰、礦渣粉的比例為30∶35∶35，水泥比例比通用方案降低了40%，完成了12個大型桿塔基礎的施工（600立方米），抗壓強度、塌落度均超過設計強度。全尾礦廢石骨料高性能混凝土應用于浦項中心AB座商務辦公樓工程項目和北京CBD核心區(qū)地下公共空間市政交通基礎設施項目工程中，C60、C80混凝土性能優(yōu)良，達到工程設計的各項要求?！?/p>

　　“由北京科技大學聯(lián)合武漢理工大學、北京豐懷軌枕廠和北京威克冶金有限公司等單位開發(fā)出100%采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石生產(chǎn)C60至C80預應力混凝土鐵路軌枕技術，已成功投產(chǎn)3年，生產(chǎn)出符合標準的預應力混凝土軌枕210萬根，其中新研制的C60預應力混凝土軌枕的水泥用量從90%下降到30%以下，比原來的技術減排二氧化碳約48%。”

　　倪教授認為，100多年來的水泥和混凝土化學的理論與實踐充分證明：所有納米、亞微米顆粒的緊密聚集，都對混凝土強度產(chǎn)生貢獻。因此，利用固體廢棄物為混凝土體系提供可解聚和再聚合的硅（鋁)氧四面體，是降低水泥用量、制備高耐久性綠色混凝土的關鍵。

　　高爐水淬礦渣是目前發(fā)現(xiàn)的活性最好的混凝土摻合料，其提供硅（鋁）四面體的潛力是水泥熟料的2倍至3倍。大部分尾礦提供硅（鋁）四面體的潛力是水泥熟料的3倍至4倍，但活性不容易被激發(fā)出來。充分利用多種固體廢棄物的協(xié)同效應，把它們提供硅（鋁）四面體的潛力充分釋放出來，是大幅度降低水泥用量、制備綠色高性能混凝土的重要發(fā)展方向。

　　人工魚礁減排二氧化碳90%

　　倪文教授介紹，他還主持完成了國家海洋公益性重大項目“基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋牧場關鍵技術研究與示范”中“生態(tài)型中性凝石混凝土人工魚礁研究及工程示范”子項目。倪教授介紹，人工魚礁就是模仿天然珊瑚礁的功能給魚搭窩，不僅具有聚魚效果，還具有顯著的凈化海水、恢復海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的功能。為了進一步降低人工魚礁混凝土的原料成本，促進節(jié)能減排，他們研究了一種極低水泥熟料人工魚礁混凝土。該人工魚礁采用1%水泥熟料，膠凝材料99%由超細礦渣粉、鋼渣粉和脫硫石膏代替，比普通人工魚礁混凝土減排90%以上的二氧化碳。目前，項目組已完成國家海洋局重大公益項目“基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋牧場研究與示范”，并通過驗收。極低水泥熟料綠色人工魚礁混凝土潛在生態(tài)危害指數(shù)較低，重金屬危害程度遠遠低于長江口海域、南海南澳海島海域沉積物重金屬生態(tài)風險指數(shù)。

　　倪文教授負責研究的國家自然科學基金項目“復鹽礦物在赤泥-礦渣高性能充填料中的形成機理及調控機制研究”也取得了較大進展。倪文介紹，以超細水淬高爐礦渣為主要原料，以鋼渣和脫硫石膏做激發(fā)劑可配制出地下固化有色工業(yè)廢棄物的膠結充填膠結劑，并發(fā)生“復鹽效應與硅的四配位同構化效應”，使砷和重金屬得到原子級固化。

　　“十三五”再展宏圖

　　倪教授介紹，“十三五”期間，他們還將圍繞鐵尾礦與廢石資源進行重點研究，主要開展以下項目的研究工作：

　　——“典型地區(qū)鐵尾礦和廢石資源中有價組分回收與優(yōu)質建材原料協(xié)同優(yōu)化清潔生產(chǎn)技術”研究，重點研發(fā)有價組分回高效回收與優(yōu)質建材原料生產(chǎn)的協(xié)同技術、粉塵污染高效低成本控制技術、廢水高效回用技術、超細尾礦泥（粉）高效回收與利用技術等。

　　——“以實時循環(huán)除鐵為核心的鋼渣高效粉磨技術”，重點研發(fā)鋼渣中微米級金屬鐵微粒的實時循環(huán)去除與鋼渣微粉生產(chǎn)的協(xié)同技術、鋼渣微粉的粒級控制技術、鐵微粒的特性控制和高附加值利用技術等。

　　——“S120級礦渣微粉低成本制備及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術”，重點研發(fā)礦渣入磨前的高效除鐵技術、礦渣粉磨過程中金屬鐵微粒的實時循環(huán)去除與礦渣微粉生產(chǎn)的協(xié)同優(yōu)化技術、單線能力100萬噸/年的S120級礦渣微粉低成本制備協(xié)同優(yōu)化成套裝備技術等。

　　——“無水泥微膨脹膠結充填料專用膠凝材料生產(chǎn)技術”，重點研究充填料水化硬化過程中硅的四配位同構化效應和復鹽效應調控技術、鋼渣微粉在礦渣微粉與脫硫石膏的協(xié)同作用下微粒微膨脹高效利用技術、提高充填料的可控性及強度發(fā)展規(guī)律對采礦工藝的適應性技術等。

　　——“尾礦充填過程中大規(guī)模高效濃縮、充填料制備、輸送和充填的成套裝備與技術”，重點研發(fā)尾礦高效濃縮、充填料成套工藝技術，新一代尾礦充填智能控制系統(tǒng)，形成大規(guī)模井下采場充填監(jiān)控、參數(shù)反饋與質量自動控制系統(tǒng)。

　　——“100%廢棄物低碳人工魚礁混凝土生產(chǎn)技術與應用”，重點研究海洋環(huán)境下100%廢棄物低碳人工魚礁混凝土系統(tǒng)的海洋生態(tài)相容性評價方法，并形成評價標準；研究基于尾礦和廢石與主要冶金渣全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用的人工魚礁混凝土對凈化海水和優(yōu)化海洋生態(tài)有益組分活性調控技術。

　　“我們計劃到‘十三五’末期，帶動京津冀及周邊地區(qū)減排PM2.5每年達到3萬噸，新增消納尾礦廢石每年達到3億噸，為在京津冀地區(qū)全面停止開山炸石提供具有國際領先水平的成套技術和示范工程；支撐全國膠結充填采礦生產(chǎn)成本平均降低30%，尾礦充填采空區(qū)消納尾礦總量從現(xiàn)在的1.6億噸增加到3億噸以上。

　　采訪結束，記者被一種感動的思緒所包圍，被一種崇敬的心態(tài)所籠罩。倪文教授每天馬不停蹄地行走在科技的前沿，不遺余力地將研制出的創(chuàng)新技術與實踐零距離接軌、融入，在為社會、為企業(yè)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益的同時，更是為減少尾礦、減少污染，為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大的貢獻。