干堆磷石膏大型渣场设计概述.pdf

收稿日期2010 10 18作者简介何秉顺（1980），男，博士，工程师，从事金属非金属矿山尾矿库、灰渣库、化工矿山渣场设计与研究工作。Email：hebss163com干堆磷石膏大型渣场设计概述何秉顺1，田亚护2，张平虎1，王洪1（1 北京中寰工程项目管理有限公司，北京100013；2 北京交通大学，北京100044）摘要当前我国绝大部分磷石膏需要堆存处理，干排干堆和湿排干堆两种堆存方法已有所应用。首先介绍磷石膏的物理力学性质，干堆磷石膏渣场相比于湿堆渣场，优势在安全性、环保性、经济性三个方面。湿堆与干堆渣场两种方案的经济性比较应包含渣场全生命周期各阶段。当前没有对口指导干堆磷石膏渣场设计规范，设计可参考有关固体废弃物堆存规范。并简要介绍大型干堆磷石膏渣场分级、堆放、排洪、防渗、排渗、封场等设计要点。关键词磷石膏；干堆渣场；设计要点中图分类号TQ12635文献标识码A文章编号 10076220（2011）02002404Summary on designing the largescale slag dump of dry stack phosphogypsumHE Bingshun1，TIAN Yahu2，ZHANG Pinghu1，WANG Hong1（1Beijing Zhonghuan Engineering Project Management Co，Ltd，Beijing 100013，China；2 Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）Abstract：The most of phosphogypsum needs stacking treatment in China at present，two stacking methodsboth dry discharge plus dry stack and wet discharge plus dry stack have been applied First，the physicalproperty of phosphogypsum is introduced，compared with the wet stack slag dump，the dry stack slagdumphasthreeadvantagesincludingsafety，environmentprotectionandeconomyTheeconomicalcomparison between the wet stack and the dry stack should contain the total life cycle of slag dumpBased on no guide of design specifications at present，the relevant solid wastes stockpiling norms has tobe referenced，and the design points of large scale phosphogypsum slag dump are brief introduced，including grading，stacking，flood discharge，antileakage，drainage，closure etcKey words：phosphogypsum；dry stack slag dump；design points0前言磷石膏是化工厂用磷灰石与硫酸作用湿法生产磷酸的副产品。一般每生产 1 t 湿法磷酸，约排出5 t 磷石膏。据报道，全世界每年磷石膏的排放量高达（11 13）108t。其中只有（45 50）106t 磷石膏得到了利用，利用率仅为 41 451。2007 年，我国磷石膏年产量为 4 000 万 t2。磷石膏（干基）中二水硫酸钙质量分数一般可达 90以上，是一种重要的再生石膏资源。但磷石膏中含有磷、氟、有机物等诸多有害杂质，使其不能直接用于生产石膏建材。由于大量的磷石膏不能及时有效利用，需要进行堆置处理。其现状是，大多数磷石膏采用湿法堆放，也就是水力充填筑坝（为了与干堆相对应，以下简称为“湿堆”），这与金属非金属矿山处理尾矿的手段极其相似。20 世纪 90 年代初，江西贵溪建成了国内第一个湿堆磷石膏堆场。之后，湖北大峪口、湖北黄麦岭、广西鹿寨、贵州瓮福等引进的磷酸装置均建设了湿堆磷石膏堆场。21世纪初，大型磷酸装置国产化，云南大黄磷(富瑞)、云南云峰、云南三环、贵州息烽等亦相继建成了大型湿堆磷石膏堆场3。据初步统计，国内大型湿堆磷石膏堆场已达 20 多处。近年来，金属、非金属尾矿坝安全事故频发，造成重大人员伤亡和财产损失，促使监管部门与矿山企业寻求更加安全的尾矿堆存方式，而尾矿干堆方案比传统湿堆以其安全、节水、环保等的特点正逐渐受到重视，国家和有关省市已出台相关规定，鼓励采用尾矿干堆方案，国家安监总局将尾矿干堆列入了“先进适用技术”目录。在磷石膏堆场方面，也有向干式堆存转变的趋势，湖北宜昌地区在建或已在运行的各种规模的干堆磷石膏渣场达到24磷 肥 与 复 肥Phosphate Compound Fertilizer2011 年 3 月第26 卷第2 期20 多座。从输送和堆存方式来讲，磷石膏干堆有湿排干堆和干排干堆两种方式。管道输送、压滤后采用传送带或汽车运输的堆放方式简称为湿排干堆；直接在厂区压滤后采用传送带或汽车运输的堆放方式简称为干排干堆。湿排干堆既充分利用管道输送的经济性，避免了传送带或汽车运输途中的遗洒污染问题，因而受到大型磷肥厂的青睐。就在渣场内堆存来讲，湿排干堆和干排干堆没有任何区别。本文就大型干堆磷石膏渣场设计的要点，对其作一个概要的介绍和总结。1磷石膏的物理力学性质无论是常规的湿堆还是新兴的干堆磷石膏渣场，设计的首要前提是充分了解要堆存的对象磷石膏的物理力学性质。相比金属矿山尾矿坝及火力发电厂灰渣库，磷石膏的物理力学特性远没有金属尾矿及粉煤灰研究透彻。综合各种文献及室内试验结果，磷石膏物理力学性质初步研究成果有以下 3 个方面。11物理性质磷石膏主要成分为二水石膏（CaSO4 2H2O），其中 CaSO4 2H2O 的质量分数在 80 98，一般在 95左右。磷石膏呈灰白色至棕黑色，其外观颜色有差别，主要是受杂质的影响。由于磷石膏中含有未反应的硫酸和残余磷酸或氟氢酸，因而呈酸性，pH 值在 2 6 之间。在设计中，要充分考虑所含杂质（酸性物质、氟、放射性元素）对环境的影响。磷石膏的相对密度一般在为 235 237 之间。湿排磷石膏含水量一般较大，w（H2O）为 35 75，而干堆时含水量 w（H2O）在 12 20。不同含水量加之颗粒粒径分布的差别，使磷石膏容重有较大差别，在 140 185 g cm3之间。根据国内外一些资料来看4，磷石膏干容重大致在 105 145 g cm3，在设计阶段，若无资料，可取干容重115 g cm3。另外，磷石膏具有一定的溶解性，磷石膏中孔隙水稀释后，物理力学性质可能发生改变，试验中尤其要引起注意。12力学性质磷石膏的强度具有很大的离散性。包括沉积石膏不扰动试样、击实石膏样、人工沉积石膏样及各种细度的石膏样的试验结果。一些试验磷石膏没有有效黏聚力，而有较高的内摩擦力；另一些试样反而黏聚力较高，因胶结产生的黏聚力对石膏堆场的外坡的稳定有重大影响。沈婷5等人给出了 6 座渣场磷石膏强度指标，固结不排水条件下的内摩擦角均在 30以上。总体而言，磷石膏符合有效应力原理，尽管具有二次固结特性，用于土坝稳定计算的公式适合于磷石膏堆场6。磷石膏强度较高，较一般土体强度高，固结排水后强度更高。13渗透与压缩特性试验表明，磷石膏的渗透系数为106103cm s，属于中低渗透性材料。但是上述数据来源于室内试验，与现场试验存在一定差别。在磷石膏堆存区，由于裂缝和孔洞会增大磷石膏的渗透性，使现场渗透系数大于室内试验数据。磷石膏的水平和垂直渗透性能存在差别。张超7指出，磷石膏的渗透各向异性不同于常规的金属尾矿，垂直向渗透系数要大于水平向渗透系数。湿堆磷石膏渣场很容易发生管涌、流土，造成酸水流失，因为石膏具有高溶蚀特性。磷石膏干裂缝受雨水冲刷，容易形成溶洞。磷石膏具有二次固结特性，它不符合太沙基单向固结理论。磷石膏本身可压缩，除孔隙水外，骨架中存在结合水。当外力作用后，孔隙水很快排出，沉降暂时获得稳定；随着外力作用时间的延长，骨架中的结合水不断渗出，即石膏本身产生压缩，同时磷石膏颗粒结构不稳定，接触点晶格发生压缩变形，呈现出沉降量不断增大，没有稳定值的现象。因此，对于磷石膏，其固结试验资料不能求得固结系数，仅能提供压缩性指标。一般而言，磷石膏在 100 200 kPa 压力之间的压缩系数 av大致在 01 05 MPa1，属于中等压缩土4。2干堆磷石膏渣场的优势干堆磷石膏渣场的优势是相对于湿堆渣场而言，主要体现在 3 个方面：安全性、环保性、经济性。但是上述干堆磷石膏渣场的优势并不能一概而论，也不是绝对的，因为渣场在后期运行管理是一个较长的过程，各种不确定因素众多，需要具体问题具体分析。21安全性干堆磷石膏渣场安全度一般要高于湿堆渣场，这是选择磷石膏干式堆存的重要原因。干堆渣场安全度高，可从以下几个方面定性说明：1）非饱和磷石膏抗剪强度高于饱和磷石膏，导致渣场堆积边坡抗滑安全系数高于湿堆渣场；2）压滤后的磷石膏不再沉积分选，同时没有了高水位渗流作用，降低了渗透破坏（管涌、流土）的风险；3）干堆渣场可能形成非常低的地下水位线，大部分磷石膏渣处于非饱和状态，因此地震情况下出现液化的可能性小。252011 年第26 卷第2 期何秉顺等干堆磷石膏大型渣场设计概述22环保性干堆磷石膏渣场场内基本无水，因而减小了地下水渗漏及污染物质迁移，将 80以上的回水在厂区车间内实现闭路循环，在环保和节水方面特别是在干旱和严寒地区具有较大优势。23经济性这里所指的经济性包含了渣场的社会效益、环境效益和生态效益。考虑上述效益后，干堆渣场综合技术经济指标明显高于湿堆渣场。二者经济性比较不仅仅只对比初期基建投资，还要对比渣场全生命周期各阶段的技术经济指标，同时还应定量或定性评价二种堆放方式的社会、环境、生态效益。对于磷石膏渣场湿堆与干堆两种方案，基建及运行管理过程中的经济性对比见表 1。3干堆磷石膏渣场设计参考规范磷石膏湿排湿堆技术在我国起步较晚，干堆渣场更是新生事物，目前还没有具体的规范指导设计。湿堆磷石膏渣场堆存、防洪、排洪技术可参照尾矿库安全技术规程（AQ20062005）8。规程第一条给出了适用范围：“本规程适用于在中华人民共和国境内金属非金属矿物选矿厂尾矿库，其他湿式堆存工业废渣库可参照执行”。渣场防渗参照危险废物标准和垃圾场设计规范。电力部门出台了火力发电厂水工设计规范（DLT53392006）9，粉煤灰与磷石膏同属固体废弃物，堆存方式类似。该规范有大量干贮灰场设计要求，干堆磷石膏渣场设计可参考有关条文。对于山谷型干堆磷石膏渣场常常在沟口修建拦渣坝，磷石膏堆积体与拦渣坝之间有一定缓冲距离，对于此种渣场布置型式，可参照水利部门的水土保持治沟骨干工程技术规范10设计拦渣坝滞洪库容与淤积库容，并根据上述成果设计拦渣坝坝高。4大型干堆磷石膏渣场设计要点41渣场分级标准磷石膏渣场的设计分级应根据库容大小、堆积体高度和堆积体下游设施重要程度综合考虑确定。对于山谷型磷石膏渣场，借鉴与之类似的火力发电厂粉煤灰干贮灰场设计规范有关条文4，确定渣场分级标准如表 2。根据表 2 渣场级别，进而确定渣场各构筑物等级和渣场防洪标准。42渣场内布局整个渣场应进行合理规划，分块使用，我们建议采用“先支沟，后主沟；先上游，后下游”的堆放顺序。如图 1 所示的某磷石膏渣场平面图，由 3条支沟和 1 条主沟组成，设计在支沟的上游修建压滤车间。1 期先行堆放上游 3 条支沟，2 期则自 3条支沟自上而下堆积至主沟。此种堆放方法既可节省运输车辆的能源消耗，又可在堆积体与拦渣坝之间形成较大的滞洪库容和缓冲距离。图 1某干堆磷石膏渣场分期平面布置图表 1干堆、湿堆经济性比较库容利用初期基建投资1 拦渣坝（初期坝）2 排洪系统3 防渗系统4 排渗系统（回水）5 压滤厂房及设备中期运行1 运行管理难度2 脱水费用3 节水费用后期封场（闭库）干堆优优优优优优优优劣优劣优优湿堆劣劣劣劣劣劣劣劣优劣优劣劣社会效益环境效益生态效益表 2山谷型磷石膏渣场分级标准渣场级别123总库容 V m3108107 108106 107最终堆积高 H m7050 7030 50注：当渣场下游有重要工矿企业和居民集中区时，通过论证可提高一级设计标准；当堆积体高度和总库容不相对应时，以堆积体高度确定的级别为准。分级指标技术经济指标项目262011 年第26 卷第2 期磷 肥 与 复 肥43排洪系统设计出于环保的考虑，进入渣场水一律不得直接排放。当渣场四周有汇水流域时，宜将汇水截流并引至堆场外，入场水量最小化，从而实现“清浊分流”。但是在截洪沟圈内，仍有一定汇水面积，在设计洪水频率下可能还有较大的洪水总量，此时应拦蓄洪水，经过处理后再行排出。湿堆与干堆两种方案见图 2。湿堆渣场往往采取在初期坝下游再建水池坝的形式，利用初期坝和水池坝形成的库容拦蓄洪水。对于干堆渣场，场内可不设排洪系统，但是要在沟谷下游设拦渣坝。此时，在拦渣坝与磷石膏堆积体之间所形成的库容 V 是坝高 H 与缓冲距离 L 的函数。较大的缓冲距离 L，意味着较低的拦渣坝高 H 和较小的初期基建费用，但是会带来后期堆积库容的不经济。所以，应考虑首先确定堆积体滑坡后磷石膏不致翻坝而出所要求的最小缓冲距离 L，根据上述结果再行确定拦渣坝坝高 H。44磷石膏堆放与运输干堆渣场磷石膏堆放和运输与常规湿堆上游式渣场有很大不同，人为影响因素更大，为确保堆积边坡稳定及满足环保要求，设计中应注意以下内容：1）每一堆放区，按次序堆放，要明确碾压要求；2）堆积体表面要洒水湿化，根据施工要求和不同季节的气温、湿度、雨、雪、风等情况进行喷洒；3）压实或喷洒后的磷石膏表面避免人为扰动。进入渣场的车辆应按指定的路线行驶，转弯、调头时应低速行驶，并应及时清扫遗撒物。45渣场防渗与排渗干堆渣场由于入场水量少，减少了地下水渗漏及污染物质迁移，但仍要按照相关规范要求严格设计。对于地质条件较好的山谷型渣场，若其整体岩层抗渗能力能满足规范规定要求，我们推荐采用文献6提出的垂直防渗方案。对于谷口，拦渣坝设置垂直防渗帷幕，形成整个渣场的垂直防渗屏障。如此，渣场就如一不透水的容器，可防止场区污染水对周围开放水源、环境的渗透污染。对于磷石膏渗水与进入渣场内雨水，则通过排渗系统，让渗出水沿指定路径排走，一般设置拦渣坝坝前排渗盲沟网和拦渣坝坝后集水池，所有渗水都通过排渗盲沟收集并穿坝而出，进入坝下集水池，再通过泵站泵送至污水处理站。46渣场监测干堆渣场监测或观测项目与湿堆对比，没有了浸润线观测，其他监测项目有：1）磷石膏含水量及干密度，未达到或高于设计含水量的湿石膏不得入场；2）大气环境的飘尘、降尘、总悬浮颗粒监测；3）地下水水质监测；4）永久性坡面的沉降、裂缝、滑坡、坍陷及表面侵蚀观测。47复垦与封场多数干堆渣场具备堆放与复垦同步进行的条件，可实行“二边”，即“边复垦，边堆放”，及时进行区域绿化。封场时，临空堆积体须达到一定的密度要求，必要时采取加密工程措施5结语磷石膏干堆已被列入国家安全生产“先进适用技术”目录，以其安全性、环保性、经济性的特点，可能成为将来磷石膏堆存的趋势，但是设计、运行管理经验上仍很匮乏。总体而言，在设计和运行管理阶段都要遵循“安全第一、严格环保、技术先进、经济合理”的理念，遵循干堆磷石膏渣场自身特征，注意与传统上游式尾矿库或水库设计及运行管理方式的区别，及时总结设计及运行管理经验并逐步完善，为磷石膏或其他金属及化工矿山尾矿干堆渣场规范的制定和形成提供技术支撑。参考文献1 姜洪义，刘涛 磷石膏颗粒级配、杂质分布对其性能影响的研究 J 武汉理工大学学报，2004，26（1）：28302 葛祖元 磷石膏渣场的规划建设与运行管理 J 磷肥与复肥，2009，24（5）：25313 储学群，童小祥 大型湿法磷石膏堆场设计概要 J 磷肥与复肥，2008，23（4）：23264 熊军民，戈振 磷石膏的特征J 工业设计与研究，1995（12）：61655 沈婷，王芳，李国英 磷石膏的物理力学特性 J 磷肥与复肥，2008，23（3）：21236 张庆安，高伟，吴娟 磷石膏堆存技术 J 化工设计,2008，18（4）：67717 张超，杨春和，余克井，等 磷石膏物理力学特性初探 J 岩土力学，2007，28（3）：4614668 国家安全生产监督管理总局 AQ20062005 尾矿库安全技术规程 S 北京：煤炭工业出版社，20059 国家发展与改革委员会 DL T53392006 火力发电厂水工设计规范 S 北京：中国电力出版社，200610 水利部 SL2892003 水土保持治沟骨干工程技术规范 S 北京：中国水利水电出版社，2002图 2湿堆与干堆两种方案典型断面图272011 年第26 卷第2 期何秉顺等干堆磷石膏大型渣场设计概述