辽宁凤城硼铁矿全流程固体废物放射性特征.pdf

第 卷第期 年月铀矿冶 收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（）。第一作者简介：李建华（），男，湖南衡阳人，学士，研究员级高级工程师，从事地浸采铀、湿法冶金、辐射防护研究工作。通信作者简介：王亮（），男，陕西汉阴人，硕士，高级工程师，从事地浸采铀、湿法冶金研究工作。辽宁凤城硼铁矿全流程固体废物放射性特征李建华，王亮，程威，周越，陈希，逄海骋（核工业北京化工冶金研究院，北京 ）摘要：辽宁凤城硼铁矿是大型硼、铁、铀共生的多金属矿床，采用露天开采选矿冶金工艺得到铁精矿、五水硼砂和重铀酸盐产品，生产过程中产生采矿废石、选矿尾矿、水冶尾渣等多种不同性质的固体废物。对全流程工艺过程、产品和固体废物的放射性特征进行了调查，并对固体废物资源化利用进行了计算分析。结果表明，铁精矿、硼砂产品的放射性达标，铀产品为天然放射性物质；采矿废石、选矿尾矿、碎石、粗砂和硼泥可作为普通固体废物处理处置，其中碎石和粗砂可作为建筑砂石料使用；硼泥掺量不超过 的亚纳米硅晶石，满足 建筑材料放射性核素限量（）规定的不同建筑材料放射性核素限量要求，其使用不受限制；水冶尾渣属于极低放废物，应建立独立的尾矿库进行处置。关键词：硼铁矿；固废；放射性；铀中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犇 犗 犐：硼作为战略性矿产资源，广泛应用于化工、医药、国防军工等领域。中国硼资源主要分布在辽东吉南地区，其中辽宁凤城硼铁矿是中国已探明的大型硼、铁、铀共生矿床，硼资源量占中国固体硼资源总量的 。该矿床硼镁铁矿与磁铁矿紧密共生，并含有少量放射性元素铀，矿床成因类型是以硼镁铁矿磁铁矿硼镁石为主的沉积再造矿床。凤城硼铁矿采用露天开采、多段选矿、湿法冶金工艺得到铁精矿、硼砂和重铀酸盐产品 。生产过程中产生采矿废石、选矿尾矿、水冶尾渣等固体废物 。由于矿石中含有放射性元素铀，铁精矿、硼砂产品放射性含量可能超标。对全流程中产生的固体废物的资源化利用及其处理处置方法，取决于其放射性活度水平。因此，对这些固体废物进行取样和试验研究，以及放射性调查监测、分析和评价，明确各类固体废物的产量和放射性水平，旨在为固体废物综合利用、安全处置提供指导。固体废物产出及其主要物理化学特征 固体废物的产出辽宁凤城硼铁矿，包括采矿、选矿、冶金工序，主要工艺流程见图，获得铁精矿、硼砂和重铀酸盐种产品，产生采矿废石、选矿尾矿、水冶尾渣等种不同性质的固体废物。该矿床采用露天采矿工艺，围岩主要为蛇纹岩类、粒岩类、透闪石岩类、云母岩类，岩性致密坚固，节理裂隙不发育。采用水平分层缓帮开采法采矿，平均剥采比 ，矿石损失率，废石混入率。露天开采，得到原矿石，并产生采矿废石。采出的原矿石块度为 ，由汽车运输卸入溜井，经颚式破碎机破碎至 ，经带式输送机运往选矿厂。选矿工艺流程包括：）破碎、筛分系统，采用三段一闭路破碎、干选；）磨选系统，采用两段闭路磨矿、两段磁选；）磁选尾矿系统，进行铀重选（一段粗选、一段精选）；）浮硼系统，采用一段粗选、一段精选、一段扫选。原矿石经磁选重选浮选得到铁精矿、硼精矿和铀精矿，其中铁精矿作为产品直接销售，硼精矿和铀精矿进入冶金工序。选矿过程中，产生粗粒径的碎石、细粒径的砂，以及选矿尾矿等种固体废物。图辽宁凤城硼铁矿采选冶工艺流程犉 犻 犵 犘 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犳 犾 狅 狑狅 犳犉 犲 狀 犵 犮 犺 犲 狀 犵狆 犪 犻 犵 犲 犻 狋 犲犿 犻 狀 犲 犻 狀犔 犻 犪 狅 狀 犻 狀 犵犘 狉 狅 狏 犻 狀 犮 犲以硼精矿为原料，采用碳碱法生产硼砂产品。其主要工艺过程：硼精矿粉经煅烧，加碳酸钠溶液，通入二氧化碳气体在 压力和 温度下进行碳解；碳解液分离除渣后，结晶得到十水硼砂；十水硼砂再经过重结晶、分离、干燥工序，得到五水硼砂产品。碳碱法产生的主要固体废物为硼泥。硼泥外观浅棕色，具有一定黏性，含水约，为。以铀精矿为原料，采用常压酸法搅拌浸出，浸出液经离子交换沉淀得到重铀酸盐产品；搅拌浸出后物料经固液分离，产出的固体废物为水冶尾渣。该水冶尾渣，放射性活度浓度较高，需要按放射性固废处理处置。固体物料的物理化学特征采矿获得的原矿石，矿物组成较复杂，有用矿物主要为磁铁矿，硼镁铁矿、硼镁石和晶质铀矿次之。脉石矿物主要为蛇纹石，金云母、白云母、滑石、透闪石、橄榄石、长石、石英、绿泥石和硅镁石等次之。原矿石的多元素化学成分分析结果见表，矿石中铁的物相分析结果见表，硼的物相分析结果见表。表原矿石多元素化学分析结果犜 犪 犫 犾 犲犆 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 犪 狑狅 狉 犲组分 含量 组分 含量 铀矿冶第 卷表矿石中铁的物相犜 犪 犫 犾 犲犕 犻 狀 犲 狉 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 犻 狉 狅 狀 犻 狀狉 犪 狑狅 狉 犲铁相磁铁矿中铁赤（褐）铁矿中铁硼镁铁矿中铁碳酸盐中铁硫化物中铁硅酸盐中铁合计分布率 表矿石中硼的物相犜 犪 犫 犾 犲犕 犻 狀 犲 狉 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳犫 狅 狉 狅 狀 犻 狀狉 犪 狑狅 狉 犲硼相硼镁铁矿中硼镁石中磁铁矿中硅酸盐中合计分布率 原矿石的扫描电镜背散射电子像（图）表明，晶质铀矿是主要含铀矿物，呈浸染状或斑点状，分布于硼镁石磁铁矿、含磁铁矿蛇纹岩矿石或含磁铁矿硅镁石岩中。此外，晶质铀矿还被硼镁石磁铁矿穿插交代，其边缘呈不规则状，偶见不完整立方体和八面体晶形；黑色，有沥青光泽和棕黑色条痕，不透明；具弱磁性和强放射性，铀矿颗粒大小悬殊，大者，小者 。晶质铀矿主要是与磁铁矿、硼镁石连生，且呈不规则状接触。固体物料中主要有害组分是铀及其放射性衰变子体（衰变系）。在 衰变系中，存在 、等个长寿命核素 。按 可免于辐射防护监管的物料中放射性核素活度浓度（）规定，其中任何一个核素的活度浓度 即为豁免废物。从采选冶全流程分析，该硼铁矿产出铁精矿、硼砂、铀种产品，以及采矿废石、选矿尾矿、硼泥、水冶尾渣等固体废物，这些物质的主要物理化学特征见表。图粒状晶质铀矿（犝 狉）边缘嵌布磁铁矿（犕）和硼铁矿（犞 狅）犉 犻 犵 犕 犪 狉 犵 犻 狀 犪 犾 犱 犻 狊 狋 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犿 犪 犵 狀 犲 狋 犻 狋 犲犪 狀 犱犫 狅 狉 狀 犻 狋 犲 犻 狀犵 狉 犪 狀 狌 犾 犪 狉犮 狉 狔 狊 狋 犪 犾 犾 犻 狀 犲狌 狉 犪 狀 犻 狌 犿犱 犲 狆 狅 狊 犻 狋 狊表产品和固体废物主要物理化学特征犜 犪 犫 犾 犲犕 犪 犻 狀狆 犺 狔 狊 犻 犮 犪 犾 犪 狀 犱犮 犺 犲 犿 犻 犮 犪 犾 犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳狆 狉 狅 犱 狌 犮 狋 狊犪 狀 犱狊 狅 犾 犻 犱狑 犪 狊 狋 犲物料主要物理化学性质质量（万）相对质量比产品铁精矿 占 ，含水率，狑（），狑（），狑（）五水硼砂白色结晶粉末，相对密度 铀产品重铀酸钠，含水率 固体废物采矿废石平均密度 ，岩石硬度 碎石 ，主要矿物硼镁石、蛇纹石、石英、长石 粗砂 ，主要矿物硼镁石、蛇纹石、石英、长石，含水率 硼泥浅棕色泥状，可塑性指数 ，主要组成 、，含水率约，约 选矿尾矿 占，矿浆浓度，平均干密度 水冶尾渣 占，含水率 第期李建华，等：辽宁凤城硼铁矿全流程固体废物放射性特征产品和固体废物的放射性调查 固体废物存放场所的剂量率监测采用 智能辐射仪，现场测量露天采场、排土场、选矿尾矿库、水冶尾矿库、硼泥等现有大宗固体废物存放场所。值高于本底水平倍以上的，认为是放射性异常点。异常点连续 以上的，认为是放射性异常带。对放射性异常点和放射性异常带，取样进行化学分析，确定固体废物的放射性水平和类别。年辐射环境丹东凤城站监测的空气吸收剂量率时均值为 ，年均值为 。以空气吸收剂量率年均值作为本底水平，铀水冶尾矿库、选矿尾矿库的空气吸收剂量率存在放射性异常（表）；其余场所的放射性水平略有升高，但未达到异常值。表固体废物存放场所的剂量率犜 犪 犫 犾 犲犱 狅 狊 犲 狉 犪 狋 犲狅 犳 狊 狅 犾 犻 犱狑 犪 狊 狋 犲 犻 狀狊 狋 狅 狉 犪 犵 犲 狊 犻 狋 犲 狊取样地点固体废物名称样品数量剂量率（）备注排土场采矿废石 铀水冶尾矿库水冶尾渣 放射性异常选矿尾矿库选矿尾矿 放射性异常建材碎石堆场碎石 建筑砂堆场粗砂 硼泥堆场硼泥 样品采集和检测采集方法：以取样地点中心为圆心，在圆周上采用梅花形布点，每个取样点均采集垂直深度为 范围内的表层物料，将个采样点的物料现场混合后取 样品装入层塑料袋内密封，再置于布袋中保存 。采用 型全自动低本底多道能谱仪，依据土壤中放射性核素的能谱分析方法（），对样品进行检测。当检验样品中天然放射性衰变链基本达到平衡后，在与标准样品测量条件相同的情况下，采用能谱仪对其进行镭 、钍 、钾 比活度测量。铁精矿、硼砂产品的放射性调查经取样检测，铁精矿、硼砂的放射性核素活度浓度见表。可以看出，铁精矿、硼砂放射性核素活度浓度低于豁免水平，铁精矿、硼砂产品质量标准对放射性含量没有特别规定，故认为铁精矿、硼砂的放射性达标。表铁精矿和硼砂的放射性核素活度浓度犜 犪 犫 犾 犲犛 狆 犲 犮 犻 犳 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犻 狋 狔犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狊狅 犳 犻 狉 狅 狀犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犲犪 狀 犱犫 狅 狉 犪 狓 物料名称 铁精矿 硼砂 固体废物放射性调查从水冶尾矿库和选矿尾矿库采集铀水冶尾矿和选矿尾矿样品，检测其中的放射性核素活度浓度，结果见表。可以看出，除水冶尾渣属于极低放固体废物外，其他固体废物的放射性核素活度浓度均低于限值，可以作为普通固体废物处理处置。水冶尾渣中的 、等个长寿命核素的活度浓度均高于 ，应按照 伴生放射性物料贮存及固体废物填埋辐射环境保护技术规范（试行）（）处置。铀矿冶第 卷表固体废物的放射性核素活度浓度犜 犪 犫 犾 犲犛 狆 犲 犮 犻 犳 犻 犮犪 犮 狋 犻 狏 犻 狋 狔犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 狅 犾 犻 犱狑 犪 狊 狋 犲 物料名称 水冶尾渣 选矿尾矿 采矿废石 建材碎石 建筑砂 硼泥 固体废物资源化利用放射性分析凤城硼铁矿破碎和重选工序，分别产出建材碎石和建筑砂。建材碎石主要含硼镁石、蛇纹石、石英、长石等矿物，粒度为 ，较均匀。建筑砂主要矿物是硼镁石、蛇纹石、石英、长石，粒度为 ，含水率为。两者的放射性均达到豁免水平，可以作为建筑砂石料使用。硼精矿经碳碱法生产硼砂产生的硼泥呈浅棕色，可塑性指数为 ，主要组成为 、。为充分利用其中的碱、硼、镁、硅等组分，拟将硼泥作为原料，制备亚纳米硅晶石，实现硼泥整体化高价值利用。作为一种建材，亚纳米硅晶石应满足 建筑材料放射性核素限量（）规定的不同建筑材料放射性核素的限量要求。在亚纳米硅晶石其他原料不含放射性核素的前提下，对不同硼泥掺量的内照射指数（犐）和外照射指数（犐）进行计算，结果见表。犐 犆 ，式中：犐 内照射指数；犆 建筑材料中天然放射性核素镭 的放射性比活度，；仅考虑内照射情况下，规定的建筑材料 中 放 射 性 核 素 镭 的 放 射 性 比 活 度限值。犐犆 犆 犆 ，式中：犐外照射指数；犆、犆、犆分别为建筑材料中天然放射性核素镭 、钍 、钾 的放射性比活度，；、分别为仅考虑外照射情况下，规定的建筑材料中放射性核素镭 、钍 、钾 在其各自单独存在时的限值。表不同硼泥掺量条件下亚纳米硅晶石的内照射指数和外照射指数犜 犪 犫 犾 犲 犐 狀 狋 犲 狉 狀 犪 犾 犲 狓 狆 狅 狊 狌 狉 犲 犻 狀 犱 犲 狓犪 狀 犱犲 狓 狋 犲 狉 狀 犪 犾 犲 狓 狆 狅 狊 狌 狉 犲 犻 狀 犱 犲 狓狅 犳 狊 狌 犫 狀 犪 狀 狅 犿 犲 狋 犲 狉狊 犻 犾 犻 犮 犪 狊 狋 狅 狀 犲狌 狀 犱 犲 狉犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犫 狅 狉 狅 狀犿 狌 犱犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 狊硼泥掺量 内照射指数（犐）外照射指数（犐）由表可看出，当硼泥掺量低于 时，亚纳米硅晶石的内照射指数（犐），外照射指数（犐），按照 建筑材料放射性核素限量（）规定，可以作为类装饰装修材料，该装饰装修材料产销与使用范围不受限制；当硼泥掺量低于 时，亚纳米硅晶石的犐 ，犐，可以作为类装饰装修材料，不可用于类民用建筑的内饰面，但可用于类民用建筑物、工业建筑内饰面及其他一切建筑的外饰面；当硼泥掺量为 时，犐，可作为类装饰装修材料，只可用于建筑物的外饰面及室外其他用途。第期李建华，等：辽宁凤城硼铁矿全流程固体废物放射性特征结论辽宁凤城硼铁矿生产的铁精矿、硼砂产品，其放射性核素活度浓度低于豁免水平，产品放射性水平达标。采矿废石、选矿尾矿、碎石、粗砂和硼泥的放射性核素活度浓度均低于限值，可作为普通固体废物处置。水冶尾渣，属于极低放废物，应按照 伴生放射性物料贮存及固体废物填埋辐射环境保护技术规范（试行）（）处置。碎石和粗砂主要矿物是硼镁石、蛇纹石、石英、长石，放射性均达到豁免水平，可作为建筑砂石料使用。硼泥可作为原料，制备亚纳米硅晶石；在其他原料不含放射性核素的前提下，硼泥掺量不超过 的亚纳米硅晶石，其使用不受限制。参考文献：李艳军，韩跃新辽宁凤城硼铁矿资源的开发与利用金属矿山，（）：刘然，薛向新，姜涛，等硼铁矿综合利用概况与展望矿产综合利用，（）：赵宇霆，李子颖，郭春影辽宁翁泉沟铁硼铀矿床成矿年度学研究铀矿地质，（）：张涛，梁海军，薛向欣，等重选回收辽宁凤城硼铁矿中铀矿物研究铀矿冶，（）：吴旭红，张建国，王洪明，等从某含铀硼铁精矿中浸出铀 的 试 验 研 究 铀 矿 冶，（）：刘双安凤城硼铁矿石选矿试验研究金属矿山，（）：安静，薛向欣，程恩庆，等硼铁矿资源综合利用过程的环境问题及防治措施矿业研究与开 发，（）：余兴昌辽宁凤城硼镁铁矿尾矿资源化利用工艺研究北京：中国地质大学（北京），中冶北方工程技术有限公司辽宁省凤城翁泉沟硼铁矿资源综合利用及硼化工基地建设项目可行性研究报告 大 连：中 冶 北 方 工 程 技 术 有 限 公司，陈万金辐射及其安全防护技术北京：化学工业出版社，王鉴中 国 铀 矿 开 采 北 京：原 子 能 出 版社，中华人民共和国生态环境部 年全 国 辐射 环境质量报告北京：中华人民共和国生态环境部，赵玉容，李向阳，周星火某铜铀共生尾砂放射性监测及其作为建筑材料的可行性铀矿冶，（）：魏广芝某稀土冶炼厂放射性污染源项调查铀矿冶，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会可免于辐射防护监管的物料中放射性核素活度浓度：北京：中国标准出版社，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会建筑材料放射性核素限量：北 京：中 国 标 准 出 版社，铀矿冶第 卷犚 犪 犱 犻 狅 犪 犮 狋 犻 狏 犲犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犛 狅 犾 犻 犱犠 犪 狊 狋 犲犉 狉 狅 犿狋 犺 犲犠 犺 狅 犾 犲犘 狉 狅 犮 犲 狊 狊狅 犳犉 犲 狀 犵 犮 犺 犲 狀 犵犘 犪 犻 犵 犲 犻 狋 犲犕 犻 狀 犲 犻 狀犔 犻 犪 狅 狀 犻 狀 犵犘 狉 狅 狏 犻 狀 犮 犲 ，（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（，），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫櫫 （）犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊犪 狀 犱犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犇 犻 狉 犲 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳犚 犪 犱 犻 狅 犪 犮 狋 犻 狏 犲犇 犲 犮 狅 狀 狋 犪 犿 犻 狀 犪 狋 犻 狅 狀犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 ，（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；第期李建华，等：辽宁凤城硼铁矿全流程固体废物放射性特征