鞍山铁尾矿资源化利用方向与效益评估*

陈志量, 郗凤明, 尹 岩, 王娇月, 邴龙飞, 胡琴琴

(1.中科沈阳产业技术创新研究院有限公司，辽宁 沈阳 110027；2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；3.沈阳经济技术开发区管委会，辽宁 沈阳 110027)

0 引言

尾矿资源化利用是推动我国矿业绿色、循环、低碳发展的基本途径[1]。随着我国供给侧结构性改革的不断深入，矿山企业兼并重组的集中度不断提升，尾矿资源高效综合利用已成为矿业可持续发展的重要保障。我国各类金属尾矿贮存总量高达60.0亿t，且还在以3.0亿t的年均增长速率不断增加[2]。据统计，2019年金属尾矿总产生量约为12.7亿t，占大宗工业固废总排放量的34.4%；金属尾矿以铁尾矿和铜尾矿为主，分别占尾矿总产生量的40.9%和25.6%[1,3]。堆存的金属尾矿不仅占用了大量的土地资源，还会产生安全隐患和环境污染等问题。因此，以无尾矿或少尾矿产出为目标的尾矿资源化利用是推动我国矿业可持续发展的重要手段。

2019年，我国尾矿综合利用率为32.5%，与其他工业固废综合利用率(例如，粉煤灰74.9%、煤矸石53.7%，冶炼废渣88.7%)相比，差距较大[2-3]。我国铁尾矿产出率高达70.0%[4]，2019年我国铁尾矿产量达5.2亿t[1]。目前，铁尾矿的综合利用途径主要为有价元素回收、填料化(用于矿山采空区充填)、原料化(用作建筑材料原料)、基料化(用作修筑公路基料)和肥料化(用作肥料和土壤改良剂)[1,3,5-6]。

鞍山铁矿属于沉积变质铁矿石，原矿品位约30.0%，精矿品位为63.0%～65.0%，回收率较低，仅为60.0%～80.0%，这是鞍山铁尾矿堆存的重要原因之一[4]。在铁尾矿有价元素回收过程中，存在仅对价值较高、成本相对较低的有价金属进行回收的现象，造成了固体废弃物的二次污染，没有从根本上解决尾矿堆存问题[6]。在铁尾矿原料化和基料化利用过程中，存在成本高、用量小、与市场同类产品相比竞争力差的问题，这也是鞍山铁尾矿大量堆存、利用率低的重要原因[4,6-7]。

鞍山铁尾矿含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等多种矿物成分[1,3]，属于高硅尾矿[8]，尾矿中SiO2质量分数高达75.9%，TFe、Al2O3、CaO、MgO质量分数分别为11.7%、0.7%、1.8%和1.5%[9]，此外还含有MnO、P等成分。铁尾矿中富含作物所需的Si、Mn、Fe、P等(中)微量元素，可作为(中)微量元素肥料，提高作物产量；铁尾矿中的硅酸盐矿物可用作土壤改良剂，固化和稳定土壤中的重金属元素；同时，铁尾矿因其特有的理化性质，用作土壤改良剂时可以改善土壤结构，提高土壤透气透水性，因此，铁尾矿常用于盐碱地改良[3,9]。铁尾矿肥料化工艺相对简单，具有成本低、用量稳定、适销对路等特点，因此，尾矿肥料化利用将成为鞍山铁尾矿资源化利用的重要途径之一。本文以鞍山铁尾矿为研究对象，根据(中)微量元素肥料和土壤改良剂需求科学估算尾矿肥料化利用潜力，并对其经济效益和环境效益进行评价，旨在为我国铁尾矿的资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 铁尾矿基本特性

铁尾矿是经两段磨矿和选矿后的剩余物，是由“粗细分选、重-磁-浮联合”和“单一磁选-细筛再磨”两种工艺流程选别后产生的[10]，具有粒径小、泥化度高等特点。鞍山铁尾矿以赤铁矿、磁铁矿等为主，属于高硅型尾矿，主要成分以硅、铝、铁、钙、镁的氧化物为主，并伴有少量的磷、锰等元素。主要化学成分如表1所示。

表1 鞍山铁尾矿主要化学成分

1.2 研究方法

1.2.1 铁尾矿资源化利用方向与潜力估算

本研究基于铁尾矿的基本特性，确定铁尾矿资源化利用方向为硅肥化和盐碱地土壤改良剂化两种途径。因此，对铁尾矿利用潜力估算包括铁尾矿硅肥化潜力和铁尾矿土壤改良剂化潜力。基于水稻种植面积和盐碱地治碱面积估算硅肥需求量和盐碱地土壤改良剂需求量，从而估算铁尾矿利用潜力。铁尾矿硅肥化和土壤改良剂化潜力估算方法为

Pm=Dsf÷Cm，

Dsf=Sc×Qm，

Ps=Da×Cs，

Da=Ss×Qs，

式中，Pm表示铁尾矿硅肥化潜力，Dsf表示硅肥需求量，Sc表示水稻种植面积[14]，Qm表示水稻对SiO2的需求量[15]，Cm表示铁尾矿中SiO2含量，Ps表示铁尾矿土壤改良剂化潜力，Da表示盐碱地土壤改良剂需求量，Ss表示盐碱地治碱面积[16]，Qs表示单位面积盐碱地土壤改良剂用量[17]，Cs表示土壤改良剂中铁尾矿用量[17]。

1.2.2 铁尾矿资源化利用效益评估

对铁尾矿资源化利用的效益评估主要从经济效益和生态环境效益两方面展开。经济效益评估主要包括基础设施、设备及原辅材料等的投入成本，硅肥、土壤改良剂的生产效益，盐碱地改良后作物增产带来的经济效益三个方面。生态环境效益评估主要包括利用铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂过程中减少铁尾矿原料的运输和粉碎环节产生的碳排放，以及因硅肥、土壤改良剂施用后对土壤质量提升和土地生态环境改善带来的地价增长效益。

主要的效益评估参数分别如表2、表3所示。

表2 铁尾矿资源化利用经济效益估算

表3 铁尾矿资源化利用生态环境效益估算

2 结果分析与讨论

2.1 铁尾矿硅肥利用潜力与效益

鞍山铁尾矿属于高硅型尾矿，故铁尾矿的肥料化利用方式主要是制备硅肥。由于我国水稻属于典型的喜硅型作物，本研究主要基于水稻种植面积[14]和水稻对SiO2的需求量[15]来估算硅肥需求量，从而估算铁尾矿硅肥化利用潜力。我国水稻作物的硅肥需求量为534.5万t，铁尾矿用于制备硅肥的潜力达729.6万t。我国铁尾矿硅肥化潜力主要分布在我国南部和东北部。考虑到鞍山地理位置和铁尾矿硅肥后续销售的运输成本，主要针对我国东北地区为研究对象来分析鞍山铁尾矿硅肥化利用潜力。东北三省铁尾矿硅肥化利用潜力达126.9万t，其中以黑龙江为主，铁尾矿硅肥化潜力达93.7万t，占东北三省铁尾矿硅肥化潜力的73.9%，其次是吉林和辽宁，铁尾矿硅肥化潜力分别为20.7万t和12.5万t。

考虑到铁尾矿硅肥销售运输成本，本研究仅针对辽宁、吉林和黑龙江的铁尾矿硅肥利用的效益进行分析。效益分析内容主要分为经济效益和生态环境效益(见表4)。由表4可知：东北三省铁尾矿硅肥经济效益达11.5亿元，其中以黑龙江为主，经济效益达8.5亿元，主要是因为黑龙江水稻种植面积最大，对硅肥的需求量也最高；其次为吉林和辽宁，经济效益分别为1.9亿元和1.1亿元。分析铁尾矿硅肥化利用经济效益时发现，每吨铁尾矿产生的经济效益约为907.0元。不利用铁尾矿制备硅肥的投入成本估算约为270.0元/t硅肥，而利用铁尾矿制备硅肥的投入成本估算约为162.0元/t硅肥。利用铁尾矿制备硅肥比不利用铁尾矿制备硅肥的投入成本低了40.0%，主要因为硅肥制备原料中的矿物质成分需要采矿、研磨等工序，而利用铁尾矿节约了这些工序的原料、能源、设备折旧、人工、运输等成本。

表4 鞍山铁尾矿硅肥化利用效益分析 单位：万元

由表4还可知，东北三省铁尾矿硅肥生态环境效益达300.3万元，其中黑龙江221.9万元，吉林48.9万元，辽宁29.5万元。分析铁尾矿硅肥化利用生态环境效益时发现，每吨铁尾矿产生的生态环境效益约为2.4元。与不利用铁尾矿制备硅肥模式相比，利用铁尾矿制备硅肥在矿物原料开采、研磨等工序降低了碳排放量，因此具有碳减排效益。数据显示，每万吨铁尾矿制备硅肥的碳减排量约为1 904.8吨CO2，产生的碳减排效益为2.3万元。

2.2 铁尾矿盐碱地改良潜力与效益

盐碱地的特征是土壤团聚体稳定性较差，一方面影响土壤结构性状，土壤透气透水性差，导致盐分表聚，另一方面影响土壤离子交换能力，导致土壤碱化。铁尾矿中含有的铁、铝、钙、镁、锰等是重要的团聚体胶结物质，其在促进团聚体形成的过程中，不仅能改善土壤结构，还可以置换土壤胶体上的钠离子，使土壤盐分下移。此外，铁尾矿中富含的硅氧化物是重要的抗逆物质，可提高作物的抗盐碱能力。本文对铁尾矿制备盐碱地土壤改良剂的研究主要基于我国各省份的治碱面积来估算铁尾矿土壤改良剂化利用潜力。

我国盐碱地治碱面积达603.2万hm2[16]，根据单位面积盐碱地土壤改良剂用量和土壤改良剂中铁尾矿用量[17]，估算土壤改良剂的需求量达814.3万t，铁尾矿用于制备土壤改良剂的潜力约为277.9万t。我国铁尾矿土壤改良剂化潜力主要分布在北部地区。考虑到鞍山地理位置和铁尾矿土壤改良剂后续销售的运输成本，主要针对黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古为研究对象来分析鞍山铁尾矿土壤改良剂化利用潜力。四省铁尾矿土壤改良剂化利用潜力达43.5万t，其中内蒙古和辽宁铁尾矿土壤改良剂化利用潜力均为14.1万t，黑龙江和吉林铁尾矿土壤改良剂化利用潜力分别为9.1万t和6.3万t。

效益分析内容主要有经济效益分析和生态环境效益分析(见表5)。由表5可知：四省铁尾矿土壤改良剂经济效益达15.8亿元，其中以辽宁和内蒙古为主，经济效益均达5.1亿元，主要是因为辽宁和内蒙古治碱面积相对较大，对土壤改良剂的需求量也较高；其次为黑龙江和吉林，经济效益分别为3.3亿元和2.3亿元。分析铁尾矿土壤改良剂化利用经济效益时发现，每吨铁尾矿产生的经济效益约为3 627.8元。与铁尾矿制备硅肥相似，利用铁尾矿制备土壤改良剂大大缩减了原料、能源、设备折旧、人工、运输等成本。

表5 鞍山铁尾矿盐碱地改良利用效益分析 单位：万元

由表5还可知，四省铁尾矿土壤改良剂生态环境效益达30.9亿元，其中辽宁和内蒙古均为10.0亿元，黑龙江6.4亿元，吉林4.5亿元。分析铁尾矿土壤改良剂化利用生态环境效益时发现，每吨铁尾矿产生的生态环境效益约为7 084.5元，大大高于铁尾矿硅肥化利用的生态环境效益，这主要是因为估算铁尾矿土壤改良剂化利用生态环境效益时，将土壤改良剂改善土壤理化性状，从而带来的作物增产价值纳入到了估算体系中。此外，与不利用铁尾矿制备土壤改良剂模式相比，利用铁尾矿制备土壤改良剂在矿物原料开采、研磨等工序降低了碳排放量，因此具有碳减排效益。数据显示，每万吨铁尾矿制备土壤改良剂的碳减排量约为7 619.0吨CO2，产生的碳减排效益为9.1万元。

3 结论

我国铁尾矿用于制备硅肥的潜力达729.6万t，用于制备土壤改良剂的潜力约为277.9万t。鞍山铁尾矿资源化利用经济效益为27.3亿元，其中：铁尾矿硅肥在东北三省的经济效益达11.5亿元，铁尾矿土壤改良剂在北方四省的经济效益达15.8亿元。每吨铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂产生的经济效益分别为907.0元和3 627.8元。铁尾矿硅肥在东北三省的生态环境效益达300.3万元，铁尾矿土壤改良剂在北方四省的生态环境效益达30.9亿元。每吨铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂产生的生态环境效益分别为2.4元和7 084.5元。每万吨铁尾矿制备硅肥和土壤改良剂产生的碳减排量分别为1 904.8吨CO2和7 619.0吨CO2。