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循环经济的二次资源金属回收 ① 马荣骏1, 马玉雯2 (1.长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012; 2.美国路易斯维尔大学,美国 肯塔基州 40202) 摘 要 简述了循环经济的内涵。 阐明了二次资源回收金属在循环经济中的重要意义及作用,并介绍了二次资源回收金属的原则 工艺,提出了二次资源回收金属的发展方向。 关键词 循环经济; 二次资源; 城市矿山; 金属回收 中图分类号 F407文献标识码 Bdoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2014.02.018 文章编号 0253-6099(2014)02-0068-05 Recycling Utilization of Secondary Resource Metals in Circular Economy MA Rong⁃jun1, MA Yu⁃wen2 (1.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China; 2.University of Louisville, Kentucky 40202,USA) Abstract The connotation of circular economy is briefly explained and the importance of recycling utilization of secondary resource metals in the circular economy is clarified. After the introduction of principle process for recycling the metals, the development trend of recycling utilization of the metals is proposed. Key words circular economy; secondary resources; urban mine; metal recycling 二次资源金属回收是冶金领域循环经济的核心内 容[1-8]。 循环经济的概念是美国科学家多尔丁首先提 出来的,他认为在人、自然和科学发展的这样一个系 统内,分析资源投入、企业生产、产品消费和废弃物处 理的全过程,把传统的依赖资源消耗线性的增长,应转 变为依靠生态型的循环来发展经济 这就是最初提 出来的循环经济概念。 21 世纪以来世界经济学家在研究经济模型中,特 别重视了经济的物质循环流动模型,把这一模型简称 为循环经济。 循环经济的内涵是按着自然生态系统 物质循环和能量流动规律重新构造新经济系统,使经 济发展和谐的纳入到自然生态系统的物质循环过程 中,建立一种新的经济发展形态。 在对经济发展研究和认识中,人们把“资源⁃产品⁃ 污染排放”型经济发展称为物质单向流动经济。 而把 循环经济归纳成为“资源⁃产品⁃废弃物再生⁃产品”型 经济发展,称之为物质循环反复利用经济,即循环经济 也可称为物质循环经济。 由此明显可见,二次资源金 属回收即是废弃物再生过程,该过程不可质疑的成为 冶金领域循环经济的核心内容。 今后循环经济在社会 经济发展中发挥的重要作用,也会呈现出二次资源金 属回收的重要贡献。 1 二次资源回收金属在经济发展中的 重要作用 二次资源金属回收是冶金领域可持续发展的必由 之路[1-8]。 在推行可持续发展中,必须以资源和物质 的可供性为基础,有了这个基础,才可能使经济得到可 持续发展。 地球陆地上的资源是一个常数,在人类社会发展 中,如果不考虑寻求新资源,总有枯竭的一天。 美国内 务部矿业局,曾公布过世界主要有色金属的储量,并按 其消耗水平,估计了每种金属的使用年限如表 1 所示。 因为新的矿产资源还在不断发现,其消耗量也在不断 变化,表 1 的数据显然存在着不可靠性,但它表明,有 色金属资源给人们警示出严重的危机感。 为此,科学 家们探索从其他星球或占地球巨大面积的海洋中寻找 新资源,目前开发其他星球的资源还只不过初步探索, 向海洋中寻求资源已开始,也只能说是一个起步,对金 属资源而言,最为现实可行的还是从二次资源回收各 种金属,不为过分的说,二次资源的金属回收是冶金领 域可持续发展的重要支柱和必由之路。 ①收稿日期 2013-12-10 作者简介 马荣骏(1931-),男,河北大城县人,教授,博士研究生导师,斯洛伐克国家工程院外籍院士,从事湿法冶金、环保及冶金新材料方 面的工作,是我国湿法冶金的学术带头人及萃取冶金的创始人。 第 34 卷第 2 期 2014 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.34 №2 April 2014 表 1 世界有色金属的储量及可供使用年限 金属名金属储量/ 万吨可供使用年限/ 年 Cu 490 000(48 000) 55.1 Al 500 000(2 200 000) 334.2 Pb 12 000 21.4 Zn 15 000(20 000) 23 Sn 1 000 41.7 Ni 54 000(61 000) 79.6 Co 148 67.3 W 191(290) 42.4 Mo 785 89.2 Ti 26 000 76.5 注括号中数据为 2003美国矿务局商品摘要数据。 2 二次资源回收金属在经济发展中的 功能与效果 二次资源金属回收在经济发展中的功能与效果可 以概括如下[9-12]。 2.1 增加和扩大金属的矿产资源 按循环经济规律及矿产金属资源严重危机的要 求,必须开展二次资源的金属回收。 早在 20 世纪 40 年代,美国、前苏联、英国、日本、德国、法国等工业发达 国家,开始重视了二次金属资源的再生利用。 据统计, 到 20 世纪 60 年代从二次资源中回收金属比重占金属 总产量的 30%以上,而到同世纪 80 年代高达 40%。 我国在同世纪 50 年就开始了杂铜的再生,到 80 年更 加重视了杂铜的再生工作,例如沈阳冶炼厂、上海冶炼 厂、株洲冶炼厂、重庆冶炼厂等在杂铜再生上做出了很 大贡献,1981 年统计我国从杂铜中回收再生的铜 11.6 万吨,占全国铜总产量的 30%。 在这个期间,各研究 单位也开发了除铜外的其他金属回收研究工作,一些 有色冶炼厂大力开展了综合利用和有色金属的回收。 在钢铁的生产上,世界各国中,废钢铁的再生利用也占 有很大的比重,包括我国,利用废钢铁炼钢的产出量均 占总产量的 20%以上。 由此可见,二次资源的金属回 收,在金属的生产中占有极为重要的地位,它有效地增 加和扩大了金属的资源。 2.2 节省和降低金属的生产能耗 冶金工业是能耗高的生产部门,各种金属生产,尤 其是火法冶金能耗极为显著。 目前原生金属,即由精 矿生产金属的能耗费用占金属生产总费用的比例日渐 增大,美国原生金属生产中,能源的费用占金属生产总 费用的比例为铜约为 15%、铅约为 17%、锌约为 20%、铝约为 40%,而某些镍矿的能源费用则高达总费 用的 50%,但从二次资源回收金属的能耗费用则大为 降低,表 2 列出了其降低数据。 表 2 从二次资源回收金属比原生金属能耗的节约数/ % 数据来源CuPbZnAlNi 美国83.867759589 前苏联83.957729589 中国82726295.6 据统计,二次资源回收金属的电耗比原生金属的 电耗降低分别为Al 50%、Pb 35% ~ 40%、Zn 28% ~ 40%、Cu 13%~16%、Ni 10%。 依上所述,可见二次资源回收金属的能耗比原生 金属的能耗有大幅度的降低。 2.3 节约基建投资和降低生产成本 生产原生金属的原始原料是低品位的矿石,在生 产中第一步就需要采矿来获取矿石,如生产 1t 铜需要 开采 120~150 t 或更多的含铜矿石,生产 1 t 钨、钼需 要矿石量为 1 700~2 500 t,而生产铝、铅锌分别超过 20、50 t 矿石。 采到矿石之后还要进行选矿,这都要消 耗大量物力及人力。 在生产原生金属中要消耗大量的 燃料和其他一些原材料,因此生产原生金属的成本甚 为高昂。 据国外统计,从二次资源回收金属(即再生 金属),其生产费用仅为原生金属费用的 1/2。 美国再 生有色金属的费用,占原生金属的比例为铜 35% ~ 40%、铝 40%~50%、锌 25%~30%。 我国生产 1 t 再生 铝比原生 1 t 铝可节约投资 87%,降低生产费用 40%~ 50%。 由此可见,从二次资源回收金属的生产投资少, 并可降低生产成本。 2.4 减少污染,改善环境 在原生金属的生产中,由于原料品位较低,成分复 杂,生成流程长,工序多,生产过程中产生废渣、废气、 废水,例如在烟气中含有 SO2,污染大气,产生酸雨,在 废水、废渣中含有 Hg、As、Pb、Cr、Cd 等有害金属元素, 导致严重的环境污染。 在国外曾发生数次严重的环境 污染事件,并造成了人员死亡。 在我国的有色金属冶 炼厂中,也发生过环境污染事件,因此,各国在原生金 属的工厂,要花费巨资,建成环保措施。 反之,由二次 资源生产再生金属,由于品位高,成分单纯,流程短,工 序少,排出的废物少,有利于环境保护,用于三废治理 的费用也少。 还要指出,在矿山开采及选矿中,会产生大量的废 石及尾矿。 例如,湖南省至今尾矿的堆存量高达 14 亿 吨,全国尾矿的储存量已约有 59.7 亿吨,这样大的尾 矿量已制约了矿业可持续发展,危及了矿区及周边环 96第 2 期马荣骏等 循环经济的二次资源金属回收 境。 在环境要求日益严格的今天,必须依赖二次资源 的开发利用,对尾矿进行处理,减少污染。 依上可见,二次资源金属的回收,是综合利用中的 措施之一,它会有利于环保,改善环境。 2.5 产生显著的经济效益 综合利用、回收有价金属,其经济效益是非常显著 的,可以举几个实例如下 1) 攀枝花钢铁公司的所属矿山含有多种金属,原 设计年产铁矿石 1 350 万吨,综合开采出铁、钒、钛、 镍、铬、铜、锰、钪等精矿共 503.1 万吨。 铁的价值占矿 石总价值的 38.67%,而有色和稀有金属的价值却占 60%以上。 攀枝花的钛精矿生产钛白,从钛白的水解液中回 收钪,从铁渣中提取五氧化二钒,在提钒的废渣中回收 镓,产生了显著的经济效益。 2) 湖北大冶有色金属公司所属矿山也是一个多 金属矿,已查明含有元素 31 种,其中 Fe、Cu、S、Co、Ni、 Au、Ag、Se 等 8 种元素达到综合利用回收指标Pb、 Zn、Pt、Bi、Cd 等 5 种元素,具有回收价值。 尾矿中大 部分磁铁矿已被回收,黄铁矿、黄铜矿已回收 50% ~ 60%,褐铁矿、菱铁矿已回收 30%,据估算从二次资源 回收最终产品的价值超过 1.8 亿元。 3) 湖南株洲有色金属集团公司,湖南硬质合金集 团公司,水口山有色金属集团公司,锡矿山有色金属集 团公司等在二次资源金属回收上都取得了非常可观的 效益。 3 二次资源及其回收金属的原则方法 3.1 二次资源的内容 在循环经济中,企业生产所产生的废物及中间产 物,一些低品位矿石、民用和军用中的废品废件都属于 二次资源,其包括的具体内容为[9-12] 1) 工业部门中损坏、报废的设备、机器、金属构件 及零部件等废品; 2) 金属机械加工等产出的废料、废件,如机械加 工产出的切屑,丝带和创花、边角废料,压力加工产生 的不合格废品及一些金属细碎物料; 3) 国防部门及交通上淘汰下来的运输装载工具、 武器、弹丸等金属废物,又如废旧汽车、飞机、船舶、军 舰,包括航天运载报销的废物; 4) 日常民用生活用品的废品、工具制品及其他的 一些金属废物; 5) 金属在冶炼过程中产生的含金属废渣、烟尘、 废水,在金属铸锭时产生的溅渣、氧化皮,还包括冶炼 生产中产生的中间物料,开采过程产生的废石及选矿 产生的尾矿等。 3.2 二次资源金属回收的原则流程 二次资源金属回收的原则工艺流程如图 1 所示。 对火法冶金、火法与湿法联合冶金及湿法冶金回收金 属的工艺,在此仅对有共性的预处理工艺进行介绍 如下。 图 1 二次资源回收金属的原则工艺流程 预处理有分类、解体和捆扎打包、电磁分选、重介 质分选、浮选分离等工序。 3.2.1 分 类 废料分类的目的是首先将原料分成 单一种类的金属或合金,并消除非金属物料;其次是进 行防爆处理,消除易爆的物件和材料。 分类最好在废 料产生的地方进行,因为此时分类容易。 分类的原则 是按各种再生金属原料标准进行分别堆放。 分类主要 用手工进行,分类方法可按外观标志分类和用化学分 析法或用仪器分析法分类。 3.2.2 解体和捆扎打包 进行冶金处理前,对废旧设 备、零件的组合件要进行解体作业,其目的是分离出黑 色金属和有色金属,排出非金属的镶嵌物,或回收珍贵 零部件中的贵金属废品。 解体的另一目的是将废件分 成适合于下一工序的块度。 解体有拆卸法和破碎法两种,前者选用于需要回 收珍贵零部件和制品(如滚珠轴承、紧固件)的废件, 后者适用于一般废件的解体,通常采用各种剪切、切 削、破碎、细磨等方法。 破碎和细磨方法的解体适用于 铅蓄电池、废电缆、导体、定子绕组、金属屑尘等。 所用 的破碎机分粗、中、细三种。 我国目前大都使用通用设 备,例如鄂式、锤式、转子式破碎机以及用棒磨机和碾 磨机等进行细碎及研磨。 在黑色冶金工业中,废钢铁在使用前必须要捆扎、 打包、压块,然后才能送入炼钢炉。 3.2.3 电磁分选 电磁分选的目的是从废杂料中分 出铁磁物料,例如废杂铜、废屑中常掺杂有车削铁屑、 车刀头、锯带等铁磁物料,电磁分选机的选择必须根据 07矿 冶 工 程第 34 卷 物料中铁磁物料的块度,除铁率以及生产规模来决定。 处理有色金属废料时常用悬挂式电磁除铁器,电磁细 粒物料也可在水介质中用磁选分离。 电磁分选还适宜于处理冶金、化工过程的废渣,机 械加工中的边角废料、车削碎屑、碎块以及含金属的生 活垃圾、工业垃圾等。 我国某冶炼厂熔炼再生铅基合金 时证明,先将废料进行解体或电磁分选和人工分选等预 处理,原料的准备工作做得好,可节约原料费约 33%。 3.2.4 重介质分选 可用重介质分离的废料有铝及 铝合金废件废铅蓄电池,后者用废蓄电池渣作为制备 重介质物料。 在用重介质分离金属废料时,由于废金属和合金 废料的密度大,因此要制备特殊悬浮液作重选介质。 即把磨碎的密度大的物料(悬浮体)与水混合制 成悬浮液作为重介质,在分选过程中,废料中密度小的 组份浮在上面,密度大的沉入下部。 用以制备重介质 的物质有硅铁、方铅矿(PbS)、磁铁矿(Fe3O4)。 广泛 应用的是磁铁矿,密度 6 400~7 000 kg/ m3,用它制备 成密度为 2 000~3 200 kg/ m3的悬浮液。 当用硅铁时 应含硅 10%~20%,硅含过量会使硅铁磁性变坏,并再 生困难,含量过低时则硅铁不好破碎,且易氧化,使用 时需将硅铁磨成 0.15 mm 粒度,且以球形颗粒最好,这 样可制成密度为 3 000 kg/ m3且粘度低的悬浮液。 3.2.5 浮选分离 冶金和化工过程产生的废渣、烟 尘、阳极泥以及工业垃圾等细粒物料,也可根据具体情 况用浮选法预处理。 阳极泥的浮选处理早已用于工业 生产,工业上锌浸出渣中浮选法富集银,可使银从 300 g/ t 浮选富集到 6 000 g/ t。 我国某厂采用磁选⁃重选⁃浮选技术处理铜灰及含 铜的工业垃圾,产出含铜约 60%的粗粒铜料,含铜 15%的细泥。 此法加工费用低,其工艺流程如图 2 所 示。 所用主要设备有S900 型磁选机, 150 750 型鄂 式破碎机,900 900 型球磨机,FCG-500 型单螺旋机 Φ125 型水力旋流器,G-S 型摇床,XTK-0.35 型浮选 机,Φ1000 型搅拌槽等。 此工艺金属总回收率(%) 为铜 85~90,锌 45~50,其技术指标如表 3 所示。 4 二次资源金属回收的发展方向 在自然矿产资源不足,能源短缺,环境污染严峻的 形式下,提出可持续发展与循环经济(物质循环),无 疑是经济发展的重要战略方针,尤其进入工业快速发 展的我国,更要深化与遵循这一方针,用科学发展观慎 重对待资源、能源、环境三大问题,其中需要大力发展 二次资源的开发利用[7-10]。 图 2 国内某厂铜灰及工业垃圾预处理流程 表 3 磁选⁃重选⁃浮选预处理铜灰和工业垃圾技术指标 名称产率/ % 品位/ %回收率/ % CuZnCuZn 原料1006~3010~20 重选粗铜精料18~3040~6015~3030~4010~20 重选细铜精料10~2015~256~1018~305~10 浮选精矿15~2514~1815~1720~2025~30 尾矿35~600.9~210~1520~30 在此对二次资源回收金属,提出以下几点意见作 为发展方向 1) 国家要制订并实施二次资源回收金属的有关 政策,增强人们利用二次资源和回收金属的意识,提高 对其重要性的认识,加强自觉地执行废料的收集与分 类,给二次资源回收金属创造良好的条件。 2) 研究、改进现有二次资源回收金属工艺,提高 金属的回收率,使其呈现出社会、环保与经济效益。 17第 2 期马荣骏等 循环经济的二次资源金属回收 3) 研究、开发二次资源回收金属的新方法、新工 艺,注意保护环境,实现绿色二次资源回收金属的实践。 4) 扩大二次资源回收金属的范围,结合综合利 用,使未能回收的金属元素得到回收,尤其是要加强稀 有、稀散及贵金属的回收。 5) 对一些高含量金属的二次资源,例如杂铜可考 虑在回收过程中一步制成可用合金,在回收中还可考 虑把一些二次资源中的金属制成化工产品,以提高经 济效益,对尾矿处理时,除回收可回收的金属外,还要 结合应用于建材方面的研究。 6) 建立和完善电子垃圾的回收体系及规范其拆 解方法。 我国每年有大量废旧电子产品产生,成为电 子垃圾,这种电子垃圾被称为“城市矿山”,其中含有 多种贵重金属,需要迅速完善其回收体系,并规范其拆 解方法,如拆解不当会造成有价金属的损失,还会造成 拆解人员中毒及污染环境。 7) 研究应用高效设备及加强过程的自动化、智能 化。 目前在二次资源回收金属中,火法使用的均为传 统设备,如回转窑、鼓风炉、反射炉等,这些设备虽然能 达到回收金属的目的,但其缺点也是突出的,例如效率 低、环保难达到要求,急待在二次资源回收金属中,研 究使用新型高效设备。 20 世纪在有色金属冶炼中,强 化了熔池熔炼,为了追求短流程,达到一步生产金属的 目的,开发了多种熔炼方法及高效设备。 例如,在国外 有三菱法、奥托昆普法、诺兰达法、基夫赛特法、瓦纽 科夫 法、 艾 萨 奥 斯 麦 特 法、 特 尼 恩 TMC ( Teninte Modified Conreter) 法、 Koldo 转 炉 法、 QSL ( Quenean Schurnan Lurgi)法;在国内也开发了白银炼铜法、水口 山(SKS)法[13]。 这些方法的熔炼设备都具有先进性, 应该开展研究这些设备在处理二次资源回收金属中的 应用。 湿法处理二次资源回收金属很有潜力,不但要 扩大应用,还要积极开发新方法、新设备,同火法一样, 要提升设备的效率,加强设备的自动化,应用计算机使 回收金属的工艺过程智能化。 参考文献 [1] 王定建,王高尚. 矿产资源与国家经济发展[M]. 北京地震出版 社,2002. 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