基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统及方法

1.本发明属于金属矿矿山尾砂无害化利用技术领域，具体涉及一种高硫尾矿微波高温脱硫碱激发高强胶结循环利用工艺。


背景技术：

2.我国金属矿产资源长期高强度开采排放了大量的尾砂固废。尾矿地表排放会造成严重的环境污染和安全生产隐患，已成为生态文明建设中亟待解决的重大问题。为了适应绿色采矿的要求，必须对传统的采矿模式及其工艺技术进行根本变革。尾矿作为金属矿山生产活动中所产生的最主要固体废弃物，如何经济高效的无害化处理是采矿业所一同面对的难题。尾砂胶结充填采矿法因具有资源回收率高、环境损害与污染小、安全性高等优点受到广泛认同。从环境保护及作业安全的角度出发，充填采矿法代表了国内外金属矿山采矿技术的发展趋势。
3.高硫尾矿一直是矿山固废排放的重点难点。高硫尾砂胶结充填时，尾砂中的硫化矿物(黄铁矿、磁黄铁矿等)容易发生氧化反应，形成硫酸根离子(so
42-)，硫酸根离子会与水泥的水化产物反应，形成膨胀性的钙矾石或者二水石膏，导致充填体内部产生较大内应力，致使充填体膨胀破坏，甚至自行开裂崩解。宏观上表现为充填区容易垮塌失稳，无法有效支撑采空区。同时，中高浓度的硫酸盐还会严重抑制水泥的水化反应。实践证明，矿山充填常用的普通硅酸盐水泥及其他常规胶凝材料在进行高硫尾砂胶结充填时，充填体强度极低。为保证充填质量，必须加大水泥用量，这也导致了充填成本急剧上升，影响矿山经济效益。此外，高硫尾矿直接充填至井下，造成了大量的硫无法回收利用，极大浪费宝贵的资源。
4.微波处理技术在矿山领域已经试验性地应用到破岩开挖、疏通堵管、污水消毒等方面，而为解决高硫尾砂的处理问题实现固废资源化利用，同时满足高效率充填工艺需要，本发明提出的这种基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用方法，一方面利用微波辐射产生瞬时高温脱硫制酸，实现高硫尾砂中硫的高效回收利用；另一方面采用矿渣基胶结料，利用微波脱硫后的低含量余硫激发矿渣，实现尾砂的低成本高强度固结；此外，微波脱硫可使尾砂温度升高，有利于充填体实现早强；最后，本工艺方法中制备环节较少、能耗低、设备布置灵活且易于集中，不仅能够有效解决高硫尾砂的充填难题，还能够为企业带来可观的效益。


技术实现要素：

5.本发明针对高硫尾砂含硫高、充填体强度低、成本高的现状，提供了一种基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统及方法，一方面，利用辐射微波产生瞬时高温脱硫的方法，不仅可以高效脱硫制酸，实现矿山固废多层次循环利用，还能提高充填体的早期强度，缩短了采矿生产周期；另一方面，利用微波脱硫后残余的硫酸盐激发矿渣基胶结料，实现了低成本高强度固结。
6.本发明提供了如下技术方案：
7.一种基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统，包括高硫尾砂浓密脱水系统、可连续微波分解硫化物装置、低硫矿浆充填生产系统。所述高硫尾砂浓密脱水系统、可连续微波分解硫化物装置、低硫矿浆充填生产系统均布置于地面上，且根据流体势能利用原理和工艺设计流动性需要，高差有所不同。
8.所述高硫尾砂浓密脱水系统包括浓密机、过滤器、存储车间、铲运机、集料斗、皮带运输机、破碎振动筛、沉淀池、清水池。
9.所述的浓密机底部出料口连接过滤器的进料口，过滤器底部卸料口通过运输装备与存储车间相连，浓密机和过滤器的顶部废水出口连接沉淀池入水口，沉淀池出口连接清水池入口，存储车间通过铲运机与集料斗进料口相连，集料斗出料口与一号皮带运输机的一端相连，一号皮带运输机的另一端连接破碎振动筛进料口，破碎振动筛出料口连接二号皮带运输机的一端，二号皮带运输机的另一端连接微波分解硫化物装置。
10.该高硫尾砂浓密脱水系统高效完成高硫尾砂浆体脱水过滤等预处理步骤，净化废水，并计量稳定输送脱水高硫尾砂，保证后续工艺连续高效运行。
11.所述可连续微波分解硫化物装置包括微波分解硫化物装置、接触塔、吸收塔、中和池。
12.微波分解硫化物装置的二氧化硫排气口连接接触塔的进气口，接触塔的下端设置出气口，出气口连接吸收塔的进气口，吸收塔的出口连接中和池。
13.该可连续微波分解硫化物装置利用硫化物微波能吸收率高的特性，使高硫尾砂在微波照射下产生瞬时高温，将硫快速氧化为二氧化硫；通过负压风机将含硫气体与过量的氧气混合导入接触塔中反应生成三氧化硫；在吸收塔中以一定比例的硫酸溶液以逆流的方式吸收三氧化硫，让水和三氧化硫反应生成硫酸；制备一定浓度硫酸作为副产品，提高收益；收集并临时储存硫酸的罐体外围设置含中和剂的缓冲池，泄漏事故状态下作酸液收集之用，防止硫酸四溢造成危害和损失。
14.所述低硫矿浆充填生产系统包括胶结料仓、往复式定量给料机、三号皮带运输机、一级搅拌桶、二级搅拌桶、充填泵。
15.所述微波分解硫化物装置出料口连通至往复式定量给料机的进料口，往复式定量给料机出料口与三号皮带运输机的一端相连，三号皮带运输机的另一端连接一级搅拌桶进料口，清水池出口连通至胶结料仓，胶结料仓内设有搅拌器及实时监测系统，其底部出料口处装有计量器，胶结料仓出料口连通一级搅拌桶进料口，一级拌桶底部设置的出料口连接二级搅拌桶进料口，二级搅拌桶出料口连接至充填泵入口，充填泵出口泵出并经矿山充填输送管道，输送至指定充填区域。
16.脱硫后尾砂余硫氧化所得硫酸盐，对矿渣基胶结充填体产生激发作用，生成钙矾石能够填充充填体内部孔隙，提高早期性能，降低充填成本。使充填体强度提高。
17.一种采用所述的基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统的高硫尾砂资源化利用方法，包括以下步骤：
18.步骤1：选厂产出的尾砂浆体由管道输送至浓密机进行初步浓密，初步浓密后的尾砂浆输送至过滤器进行脱水过滤，过滤后的尾砂滤饼在过滤器卸料区由反吹风卸料落入卸料口，所得脱水高硫尾砂收集后由铲运机运送至存储车间；
19.步骤2：浓密机溢流和过滤器产生的废水汇集后导入沉淀池进行净化，处理得到的清水输送至清水池中贮存，用于后续的充填工序，完成废水再利用；
20.步骤3：将脱水高硫尾砂经铲运机输送至集料斗进行集料，再由一号皮带运输机至破碎振动筛打散，后通过二号皮带运输机将脱水高硫尾砂投入可连续微波分解硫化物装置，微波分解硫化物装置利用微波电炉产生瞬时高温，使脱水高硫尾砂在微波电炉中与氧气充分反应，将硫元素充分转化为二氧化硫；通过负压风机将含硫废气与过量的氧气混合导入接触塔中反应生成三氧化硫；在吸收塔中水和三氧化硫反应生成硫酸，连接中和池预防泄漏，完成微波脱硫制酸系统；
21.步骤4：经过脱硫处理的高硫尾砂已经变为低硫尾砂，由往复式定量给料机，辅以调节三号皮带运输机的传动速度，控制低硫尾砂，定量输送至一级搅拌桶中；配置料浆所需用水由清水池供给，矿渣基胶结料配比后在胶结料仓存储，其内设有料位计实时监测系统，由板式闸阀控制配给，再由双管螺旋称重给料机输送和计量后，根据设定配比将胶结料均匀地添加至一级搅拌桶中；
22.步骤5：在一级搅拌桶中，将低硫尾砂、水、胶结料集料和混合搅拌后，将充填料浆输入至二级搅拌桶；
23.步骤6：在二级搅拌桶中，低硫尾砂与碱基胶结料完成均化和活化搅拌，通过充填泵，沿充填线路输送至井下指定区域。
24.矿渣基胶结料主要成分为水淬高炉矿渣和激发剂；所述的激发剂为石灰，石膏或根据实际情况添加的其他助剂。优选胶结充填方案按质量份数计为如下组分：尾砂90份，矿渣6～8份，激发剂2～4份。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.一、本发明提供了一种基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统及方法，在充分利用现有矿山基础设备的基础上，提高了充填质量，并产出浓硫酸副产品，实现了高硫尾砂的资源化利用和安全高效充填，不仅解决了高硫尾砂充填难题，还显著提高了经济效益。
27.二、本发明工艺利用微波技术产生瞬时高温进行脱硫并通过制酸回收烟气中所含的so2气体，达到排空要求后排入大气，(达到我国目前《大气污染物综合排放标准》标准号：gb16297-1996要求后排入大气)对环境污染小，脱硫率高，在高效脱硫制酸的同时，实现矿山固废多层次循环利用。
28.三、微波脱硫使得尾砂温度升高，因此提高了充填料浆初始温度，会加快矿渣基胶结料水化反应速率，缩短充填体固化时间，提高充填体早期强度，提高生产效率。
29.四、本发明工艺充分利用微波脱硫后残余硫酸盐对矿渣的激发作用，优选了适用于低硫尾矿高强度充填的矿渣基胶结料，不仅节省了激发剂成本，还有助于充填料浆在井下及早形成强度，缩短采充周期提高生产效率，同时改善了地下采场工作环境，有助于实现安全生产。另外矿渣基胶结料无污染，性能好，工艺简单，极大地降低了胶结剂成本,提高了固废利用率。
30.五、本发明以废治废，实现资源综合利用，有效保护环境；基础设备要求低，工艺制备流程简单，耗能较少，降低了材料成本，符合我国执行和贯彻的走循环经济的道路和发展绿色经济的要求，有利于推进绿色矿山建设，并有良好的应用前景。
附图说明
31.图1为本发明的高硫尾矿资源性利用系统及方法示意图。
32.图2为高硫尾砂浓密脱水系统示意图。
33.图3为可连续微波分解硫化物装置示意图。
34.图4为低硫矿浆充填生产系统示意图。
35.图5为本发明的高硫尾矿资源性利用方法示意图二。
36.图中，1—浓密机，2—过滤器，3—储存车间，4—铲运机，5—集料斗，6—一号皮带运输机，7—破碎振动筛，8—二号皮带运输机，9—微波分解硫化物装置，10—往复式定量给料机，11—三号皮带运输机，12—一级搅拌桶，13—沉淀池，14—清水池，15—胶结料仓，16—接触塔，17—吸收塔，18—中和池，19—二级搅拌桶，20—充填泵，21—地下采场。
具体实施方式
37.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
38.如图1-5所示，一种基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统，包括高硫尾砂浓密脱水系统、可连续微波分解硫化物装置、低硫矿浆充填生产系统。所述高硫尾砂浓密脱水系统、可连续微波分解硫化物装置、低硫矿浆充填生产系统均布置于地面上，且根据流体势能利用原理和工艺设计流动性需要，高差有所不同。
39.所述高硫尾砂浓密脱水系统包括浓密机1、过滤器2、存储车间3、铲运机4、集料斗5、一号皮带运输机6、破碎振动筛7、二号皮带运输机8、沉淀池13、清水池14。
40.所述的浓密机1底部出料口以粗径pe管形式连接过滤器2的进料口，过滤器2底部卸料口通过运输装备与存储车间3相连，浓密机1和过滤器2的顶部废水出口以细径abs工程塑料输水管形式连接沉淀池13入水口，沉淀池13出口通过abs输水管连接清水池14入口，存储车间3通过铲运机4与集料斗5进料口相连，集料斗5料口与一号皮带运输机6的一端相连，一号皮带运输机6的另一端连接破碎振动筛7进料口，破碎振动筛7出料口连接二号皮带运输机8的一端，二号皮带运输机8的另一端连接微波分解硫化物装置9。
41.该高硫尾砂浓密脱水系统高效完成高硫尾砂浆体脱水过滤等预处理步骤，净化废水，并计量稳定输送脱水高硫尾砂，保证后续工艺连续高效运行。
42.所述可连续微波分解硫化物装置包括微波分解硫化物装置9、接触塔16、吸收塔17、中和池18。
43.所述微波分解硫化物装置9的二氧化硫排气口通过耐蚀合金钢管连接接触塔16的进气口，接触塔16的下端设置出气口，气体经由耐蚀合金钢管进入吸收塔17的进气口，吸收塔17的出口连接中和池18。
44.该可连续微波分解硫化物装置利用硫化物微波能吸收率高的特性，使高硫尾砂在微波照射下产生瞬时高温，将硫快速氧化为二氧化硫；通过负压风机将含硫气体与过量的氧气混合导入接触塔16中反应生成三氧化硫；在吸收塔18中以一定比例的硫酸溶液以逆流的方式吸收三氧化硫，让水和三氧化硫反应生成硫酸；制备一定浓度硫酸作为副产品，提高收益；收集并临时储存硫酸的罐体外围设置含中和剂的缓冲池，泄漏事故状态下作酸液收集之用，防止硫酸四溢造成危害和损失。
45.所述低硫矿浆充填生产系统包括胶结料仓15、往复式定量给料机10、三号皮带运输机11、一级搅拌桶12、二级搅拌桶19、充填泵20。
46.所述微波分解硫化物装置9出料口以钢管连通至往复式定量给料机10的进料口，往复式定量给料机10出料口与三号皮带运输机11的一端相连，三号皮带运输机11的另一端连接一级搅拌桶12进料口。清水池14出口以abs工程塑料输水管连通至胶结料仓15，胶结料仓15内设有搅拌器及实时监测系统，其底部出料口处装有计量器。超高分子量聚乙烯管道一端与胶结料仓15出料口接通，另一端连至一级搅拌桶12进料口。一级拌桶12底部设置出料口，以超高分子量聚乙烯管道连接二级搅拌桶19进料口，同理二级搅拌桶19出料口也以超高分子量聚乙烯管道连接至充填泵20入口，经加压后，充填砂浆由充填泵20出口泵出并经矿山充填输送管道，输送至指定充填区域21。
47.矿渣基胶结料主要成分为水淬高炉矿渣和激发剂；优选胶结充填方案按质量份数计为如下组分：尾砂90份，矿渣6～8份，激发剂2～4份。
48.脱硫后尾砂余硫氧化所得硫酸盐，对矿渣基胶结充填体产生激发作用，生成钙矾石能够填充充填体内部孔隙，提高早期性能，降低充填成本。使充填体强度提高。
49.一种采用所述的基于微波脱硫回收与余硫激发矿渣固化的高硫尾砂资源化利用系统的高硫尾砂资源化利用方法，具体步骤如下：
50.步骤1：选厂全尾砂经输送管至浓密机1，经重力沉降的高硫尾砂砂浆由浓密机1锥底排出，并经管道输送进入过滤器2。固体沉降过滤后得到脱水高硫细砂落入过滤器2卸料口，累计一定重量后由铲运机运送至储存车间3与脱水高硫粗砂混合。
51.步骤2：浓密机1溢流与过滤器2所产生的含有少量细粒尾砂的废水汇集后导入平流式斜管沉淀池13进行净化。处理后的清水经管道输送至清水池14。用于后续充填工作料浆的制备，部分也用于冲洗设备，完成废水循环利用。
52.步骤3：存放于储存车间3的脱水高硫尾砂，经铲运机4运输至集料斗5由一号皮带运输机6送入破碎振动筛7打碎，后经二号皮带运输机8定量输入至微波分解硫化物装置9的微波电炉中，同时将足量氧气输入至微波电炉中，设定微波电炉焙烧温度为600℃运行15min，将硫快速氧化为二氧化硫。在设备自带风机的抽吸作用下，含硫气体与过量氧气混合导入接触塔16，预定时间后得到高浓度so3气体。后气体进入吸收塔17以硫酸溶液吸收so3。收集得到一定浓度硫酸溶液，并以中和池18预防泄漏，完成微波脱硫制酸系统。
53.步骤4：微波分解硫化物装置9中的高硫尾砂经处理后变为低硫尾砂，由往复式定量给料机10，辅以调节三号皮带运输机11的传动速度，控制低硫尾砂投入至一级搅拌桶12内。配置料浆所需用水由清水池14供给，清水池14的自动水阀可以精准控制进入搅拌桶内的水量。矿渣基胶结料配比后在胶结料仓15存储，其内部设置有料浆实时监测系统，胶结料由板式闸阀控制配给，经过双管螺旋称重给料机计量输送后即可按预设配比均匀加入一级搅拌桶12内。桶内边搅拌边加水，因尾砂具有余热，因而可以稳定制备具有一定温度的充填料浆。
54.步骤5：经初步搅拌，将充填料浆输入至二级搅拌桶19内，二级搅拌桶19一般为一级搅拌桶容积的2-3倍，对料浆进行深度搅拌，具有一定缓冲作用并保证料浆均匀性，确保充填体强度。
55.步骤6：在二级搅拌桶19中，低硫尾砂与碱基胶结料完成均化和活化搅拌后，通过
充填泵20，沿充填线路输送至井下指定区域21。