利用选铁尾矿及铁矿副产品制备土壤调理剂关键技术及应用研究

陈贤树，曲生华，张琼琼，解鹏洋，岳文龙

（1.中国新型建材设计研究院有限公司，浙江 杭州 310022；2.安徽金日晟矿业有限责任公司，安徽 六安 237474）

1 项目背景

土壤是农作物生长所需的基础。我国虽幅员辽阔，但人口数量巨大，可耕地面积有限，粮食安全对国家稳定至关重要，目前，我国的耕地主要面临土壤酸化、重金属污染、养分失衡、沃力下降等问题，对农业的影响日趋严重。虽然化肥对农业增产增收仍起主要作用，但长期大量施用化肥易造成土壤板结、盐渍化、酸化，除此之外，部分未吸收化肥随水流进入江海湖泊造成水源污染等问题也不容忽视。

铁矿石选矿提纯后的尾矿是一种工业废弃物，排放量巨大，大量堆积不仅占用土地而且容易造成安全隐患和环境污染[1-2]。但该尾矿中常含有一些作物生长所需的有益的中微量元素，如硅、钙、镁、钾等。利用尾矿制备富含植物生长所需有益元素的土壤改良剂[3]，是一种变废为宝的研究路线，对尾矿综合利用和土壤提肥技术和产业的发展具有重要推动作用、社会意义和经济效益显著。

土壤调理剂（Soil Conditioner）指加入土壤中用于改善土壤的物理和（或）化学性质，及（或）其生物活性的物料。不同于市场上各种化肥、农药、叶面肥和生物激素，土壤调理剂具有无公害、无污染、无生物激素等优势，是世界农、林业种植的新型绿色生产资料。土壤调理剂又分为：有机土壤调理剂、无机土壤调理剂、复合土壤调理剂等，其中无机土壤调理剂原料一般采用由天然矿物，如石灰、石膏、蛭石、膨润土、硅藻土、海泡石、沸石、珍珠岩、长石等；复合土壤调理剂则是根据各区域土壤实际情况，采用无机土壤调理剂、有机土壤调理剂和其它成分经过混合复配制得[4]。

本项目利用安徽某矿业公司选铁尾矿（SiO2=65%～70%）、副产云母（K2O=7%～9%）、副产白云石（CaO=29%～31%，MgO=21%～22%）等为主要原料，采用复配、煅烧、形貌改造以及元素活化等生产工艺，开发出富含硅、钙、镁、钾、铁等作物所需中微量元素的复合型土壤调理剂。通过实验室试验、工业中试，确定原料配方及工艺参数；通过农田应用试验，检验该产品的作物效应、改土效应和其它生态环境效应，同时为调理剂配方优选和合理施用提供依据，最终实现选铁尾矿及副产品的资源化利用。土壤调节剂的研发技术路线见图1。

图1 土壤调理剂研发技术路线

2 土壤调理剂的实验室研究

2.1 原矿的主要理化性质分析

选铁尾矿为褐色粉料，白云石为白色块状，云母为绿色片状粉料。将3种原料分别进行混匀、缩分、制样后，进行化学元素分析，结果见表1。

表1 3种原料的主要化学成分 %

由表1可见，铁矿尾矿中SiO2含量最高，其次为Fe2O3，另外还有一定量Al2O3、MgO以及少量的K2O、Na2O、CaO等；云母中K2O含量相对较高；白云石中CaO、MgO含量较高，还有少量的SiO2、Al2O3。

选铁尾矿的矿物组成较复杂，硅元素主要以石英形式存在，钾元素主要以云母形式存在，钙、镁元素主要以白云石形式存在；本次试验原料云母是选铁尾矿经浮选而得，纯度较高，是钾元素的主要存在形式，但仍含有少量杂质；本次试验白云石原料是与铁矿伴生的，是钙、镁元素的主要存在形式，但其纯度一般，含有一定的硅质杂质。对于制备土壤调理剂而言，3种原料中均含有有益的硅、钙、镁、钾等有益元素，是比较适合的原料，只是各元素的比例需要进行配方试验确定。

2.2 原料配比及煅烧温度试验

本次试验的主要目的是选铁尾矿的综合利用，为解决选铁尾矿排放问题探索新的利用路线。3种原料中，白云石与铁矿伴生，为铁矿采矿的副产品，云母是选铁尾矿经过浮选而得到。本次试验总体思路以选铁尾矿的煅烧活化为主，根据试验目标辅以适量的云母以提高产品的钾含量，而白云石既作为钙、镁元素的主要提供者，也作为主要的活化剂来进行制备土壤调理剂的研究。

首先用选铁尾矿和云母分别与白云石进行混合，分别考察不同配比条件下，选铁尾矿和云母分别单独与白云石混合的活化效果。根据单独活化的试验结果，结合产品目标要求，再对3种原料进行配方试验，以找出合适的原料配方。另外，硅元素的活化相对钾、钙、镁较困难，因此，部分试验产品主要是对产品中的活性SiO2含量进行检测分析，据此判断其活化效果。活性元素检测方法参照NY/T 2272—2012《土壤调理剂 钙、镁、硅含量的测定》及NY/T 2273—2012《土壤调理剂 磷、钾含量的测定》。

根据实验室系列试验结果，综合考虑原料配比、产品指标、煅烧工艺等因素，得到2种试验产品。产品1：按m（云母）∶m（白云石）∶m（磷灰石）=1.0∶1.0∶0.2混合，在1200℃下进行煅烧活化1 h，经自然冷却后制得；产品2：按m（选铁尾矿）∶m（云母）∶m（白云石）∶m（磷灰石）=1.0∶1.5∶2.5∶1.0混合，在1100℃下进行煅烧活化1 h，经自然冷却后制得。

其中，在原料中增加少量的磷灰石可以明显提高产品中活性P2O3含量。本次所用磷灰石中P2O3含量为20.33%，自然界中含磷物质较多，可根据需要，选择合适的作为磷源，添加量根据具体需求确定。

3 土壤调理剂的中试研究

3.1 中试试验目的

为了进一步验证土壤调理剂的实验成果，同时为下一步产业化提供规模化的生产工艺和装备以及合理的工艺技术参数，本项目建设了1条年产9000 t土壤调理剂的中试生产线，其试验目的在于：

（1）初步技术鉴定实验室阶段研制成功的土壤调理剂，进一步稳定、完善、优化和提高土壤调理剂的性能。

（2）初步确定土壤调理剂的生产工艺和装备，为今后产业化做好技术储备和借鉴。

（3）鉴于项目的现状为尾矿处理量较大，大量尾矿排放带来一定的尾矿库的库容加大和占用土地。为了减少尾矿库的压力和降低采矿成本，需要消化大量的选铁尾矿，特别是超细的选铁尾矿，因此，本中试生产线产品的原料配方采用选铁尾矿为主，加上副产云母、白云石和磷灰石，然后根据成本需要可用部分尾矿废石（石灰岩类）替代部分白云石。

3.2 中试工艺与装备

3.2.1 中试工艺

土壤调理剂中试生产线的工艺主要包括：白云石和磷灰石的制粉工艺、土壤调理剂原料的制备工艺、土壤调理剂的煅烧工艺和成品储存及包装工艺，具体工艺流程如图2～图4所示。

图2 白云石和磷灰石制粉工艺流程

图3 土壤调理剂原料制备工艺流程

图4 土壤调理剂成品制备工艺流程

3.2.2 中试设备

选用高细球磨机作为白云石（石灰石）和磷灰石的制粉设备，既节约电耗又能保证产品的细度；采用卧式无重力混合机作为原料制备的主要设备，保证了几种原料混合的均匀性；选用沸腾炉作为煅烧的关键设备，流化床的煅烧工艺增加了热交换速度和提高矿物质元素的活化程度；采用单筒冷却机的骤冷冷却方式，可很好地保持矿物质的活化成果和生产系统的连续性。

3.3 中试试验总结

利用铁尾矿和副产云母粉、白云石制备土壤调理剂的实验室研究成果，建设了1条年产9000t的中试生产线，经过调试和试运行基本可以达到中试生产线的要求。

（1）按照实验室参数和成果要求，建设了1条完整的中试生产线，包括白云石（石灰石）和磷灰石的制粉系统、土壤调理剂原料制备系统、土壤调理剂原料煅烧及成品制备系统。

（2）实现了生产线的连续运行，并且成功制成了一定量的中试产品。

（3）按照实验室小试提供的配方进行了中试生产线的验证，其产品指标完全达到合同书要求的技术指标，且优于小试的实验室指标，同时通过优化原料配比试验，利用石灰石替代部分白云石，实现资源的综合利用。

（4）通过对生产线不同的工艺参数进行调整试验，基本确定了中试生产线的合理参数，为工业化生产提供技术依据。

4 土壤调理剂产品田间作物效应与评估

水稻示范基地（15亩），试验示范地点在安徽省霍邱县王截流乡长马村陈思飞承包地，供试土壤调理剂由安徽金日晟矿业有限责任公司提供，水稻品种为隆两优1307。试验土壤为水稻土，基本理化性质见表2。

表2 供试土壤的基本理化性质

选取地势平坦、常年施肥水平一致的田块30亩作试验示范基地，其中15亩面积作为对照组（CK），按照水稻推荐施肥：基肥30 kg复合肥（24-8-13）+追肥10 kg尿素，复合肥一次基施，10 kg尿素作追肥。调理剂示范田（SF）选取相邻连片15亩，在推荐施肥的基础上，每亩另外基施调理剂100 kg。水稻均为5月15日育秧，6月10日统一机插秧，其他栽培管理措施一致，10月2日机收，随机选取对照和调理剂示范田各1亩计实产，并取样考种计算理论产量。试验产量情况见表3，试验土壤理化性质变化情况见表4。

表3 土壤调理剂试验示范测产考种结果

由表3可见，在同等施肥条件下，基施土壤调理剂100 kg/亩时，水稻有效穗、穗粒数和实粒数增产明显，水稻实际增加产量12.4%。

表4 试验后土壤理化性状变化情况

由表4可见，土壤的pH值有所增大，有机质和全氮含量变化不大，速效磷和有效钾含量有所增加。施用土壤调理剂的土壤通透性良好，能够起到保水保肥作用，促进农作物根系生长。另外，对土壤和水稻籽粒进行检验，没有检出砷、镉、铬、汞等重金属。

5 结 语

（1）本项目利用选铁尾矿和副产品云母、白云石制备了土壤调理剂，可以改良土壤，具有促进粮食增产、农民增收的效果，对维护国家和地区的粮食生产安全、提高农民群众收入、促进农业可持续发展、解决食品安全问题和加速新农村建设等具有重要意义。

（2）由于尾矿的堆放会对农田土壤等造成严重的环境污染，通过工艺创新，实现了选铁尾矿等工业废弃物的有效利用，对减轻土壤、大气和水体的污染、改善铁矿开采及其周边的生态环境具有重要意义。

（3）以铁尾矿为主制备的调理剂可有效改善土壤的物理化学性能。