某大型露天極貧磁鐵礦能耗和能源管理探究

梁振飛

上海格林曼環境技術有限公司

0 引言

國家“十四五”規劃特別提出“提高礦產資源開發保護水平，發展綠色礦業，建設綠色礦山”、“十四五”期間推進清潔生產和能源資源高效利用、力爭于2030 年前實現碳達峰、努力爭取2060 年前實現碳中和的目標，要求實施能源消費強度和總量雙控，推動能源利用效率，實現節能降碳減污協同增效。

在此要求下，鋼鐵行業將“極致能效標桿達標創標”列為2023 年度重點工作，大力推動節能技術應用，追求極致能源管理。鐵礦企業作為鋼鐵行業上游礦石原料的供應方，在能源管理上較為薄弱，主要體現在：綜合能耗水平有待提高；能源管理精細化程度不夠；用能結構存在進一步優化空間。

本文以國內某典型露天鐵礦山為例，重點分析礦山生產系統中主要能耗工序、能耗環節，并進行能耗溯源，在此基礎上提出節能降耗建議。

1 礦山概況

該礦山緊鄰皖江經濟帶和南京都市圈，在1916年就少量開采，1954年正式建礦，礦區總面積16 km2。全礦主體生產有A、B兩個采場，C、D兩個選廠，下屬三家集體企業。礦山2021年原礦產量1 356.24萬t，鐵精礦292.05萬t，曾先后榮獲一、三、四、七屆中國冶金礦山協會十佳廠礦、國家級生態示范區、國家級綠色礦山試點單位、資源節約與綜合利用優秀礦山。

1.1 采礦主要生產工藝

A、B 兩個鐵礦采場礦石性質相似，礦石中主要鐵礦物為磁鐵礦，少量的假象赤鐵礦、鏡鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦等。主要脈石礦物為斜長石，次為綠泥石、石英、高嶺石、透輝石、陽起石、方解石等，還有少量的云母類、石膏，微量的磷灰石。礦石構造以中-細粒浸染狀構造為主，次為細脈、網脈狀、脈狀、角礫狀及少量條帶狀構造，采礦主要工藝流程為：穿孔—爆破—鏟裝—運輸。

1.2 選礦主要生產工藝

C選廠年處理礦石能力約700萬t，D選廠500萬t，C、D兩個選廠工藝流程相似，破碎流程為三段一閉路—輥磨—濕式篩分—干、濕式聯合粗粒磁選拋尾—濕式粗粒磁選拋尾撈砂。選別流程為階段磨礦—階段磁選—細篩再磨再選。精礦脫水流程為磁選—過濾。尾礦濃縮流程為濃縮—輸送。

礦山主要工藝示意圖見圖1。

圖1 礦山主要工藝示意圖

2 能耗分析

2.1 重點用能環節識別

礦山主要生產工序包括采礦、選礦和尾礦處理。根據調研資料對礦山用能情況進行了初步分析：采礦工序和選礦工序合計用能約占整體用能的77%，是重點用能工序，其中選礦工序高達65%。

礦山2021年各工序能耗分布見表1。

表1 礦山2021年各工序能耗分布

對采礦工序和選礦工序次級用能環節進一步分析，結果表明，運輸環節是采礦工序的主要能耗環節，占總能耗的42%；磨礦環節和破碎環節為選礦工序的主要能耗環節，分別占總能耗的62%和22%。

2.2 采礦工序能耗

該礦山為露天開采，采礦工序包括穿孔、爆破、鏟裝、碎礦、運輸等環節。

穿孔環節使用牙輪鉆機，能源為柴油和電力；爆破環節使用雷管炸藥，原料為硝酸甘油，穿孔和爆破環節能耗占比約1%；鏟裝環節使用液壓反鏟和挖掘機，能源為柴油，能耗占比約10%；碎礦環節能耗占比最高，達40%左右；運輸環節包括礦用車（燃油車+電車）、電機車（用電）、膠帶機（用電），能耗占比約40%～60%。采礦工序全流程排水環節能耗占比30%左右。

2.3 選礦工序能耗

選礦工序包括破碎（粗碎、中碎、細碎、超細碎）、篩分，磨礦、選別、精礦脫水、尾礦濃縮等環節。破碎環節使用圓錐破碎機、顎式破碎機，能源為電力；篩分環節使用圓振篩、直線篩、高頻細篩，能源為電力，破碎和篩分環節能耗占比約22%；磨礦環節使用自磨機、球磨機、立磨機、高壓輥磨機，能源為電力；選別環節使用盤式磁選機（干式）、全自動淘洗磁選機（濕式），能源為電力，磨礦和選別環節能耗占比約46%；精礦脫水環節使用高效濃縮機、盤式過濾機、陶瓷過濾機，能源為電力，能耗占比9%；尾礦濃縮環節能耗占比2%。由于破碎及其他環節在管理劃分和工序環節連續性劃分的差異，會造成部分數據有出入。

2.4 能耗限額分析

礦山2021年能耗限額及對標情況見表2。

表2 礦山2021年能耗限額及對標情況

從表2可看出：礦山2021年A采場（0.37 kgce/t）和B采場（0.44 kgce/t）采礦單位產品可比綜合能耗均達到國家準入值水平（≤0.49 kgce/t），C 選廠（2.75 kgce/t）和D 選廠（3.03 kgce/t）選礦單位產品可比綜合能耗也達國家準入值水平（≤3.3 kgce/t），C選廠（16.75 kgce/t）和D選廠（18.43 kgce/t）鐵精礦單位產品可比綜合能耗未達到行業限定值水平（≤11.2 kgce/t）。

3 問題與討論

歷史原因、地理條件、鐵礦賦存狀態、礦石性質等導致原礦品位低是鐵精礦單位產品綜合能耗高因素之一。A、B兩采場中A采場為國際超低極貧示范基地，TFe 平均品位只有20.45%，遠低于國內同業（平均34.5%）和國外礦山（46%～48%）水平［1］，未來建議從源頭科學合理配礦，提高礦石質量和入磨品位。

此外，采礦工序運輸環節、選礦工序磨礦/破碎環節的能耗對鐵精礦綜合能耗的作用也不容忽視。采礦工序運輸環節采用高效的運輸工藝和運輸設備是降低能耗的關鍵，措施包括：坑內布置破碎站、汽車膠帶聯合運輸、陡坡鐵路運輸等。此外，降低礦巖爆破塊度、提高汽車滿載系數、優化汽車運距、探索混合動力汽車、采用溜槽放礦和干選拋廢、遠程智能運輸調度也是降低運輸能耗的措施［2］。

而選礦工序的破碎、磨礦環節，可采用多碎少磨、礦石預處理、預選拋廢、磨礦工藝改進和設備改造等實現節能降耗。磨礦效率隨著入磨粒度的減小而升高，能耗則降低。多碎少磨的方法主要有開路破碎改閉路破碎、調整破碎機各段破碎比、增加破碎段數、采用高效節能如高壓輥磨機的細碎設備、以3～5 mm 棒磨機粗磨代替細碎機細碎等。入磨前預選拋廢是減小磨礦量、降低磨礦能耗的有效措施，方法包括電熱輻射法、加熱后快速冷卻法、微波輻射法、超聲波共振法等［3］。通過對磨礦工藝大型化、磨礦設備永磁化改造，適當添加助磨劑（如脂肪酸、CaO 等）、改進磨機襯板、優化磨礦工藝參數和操作指數、調節球磨機充填率和鋼球級配關系、優化礦漿停留時間、采用高效分級設備、球磨機自動化控制等，提高磨機效率、降低磨機能耗。

礦山近年來已完成部分節能項目，包括高耗能設備更換、采場半連續工程、選廠節能減排升級、選廠輥磨系統改造、選廠低配室無功補償改造等，累計投入約60 000 萬元，實現節能量10 000 tce/年。建議礦山未來從技術節能、管理節能、結構節能等方面全面開展節能降耗工作：

1）提高能源利用效率、降低工序設備的能耗

優化礦石運輸系統，優化選礦工序流程，完善供排水系統，開展能效對標提升。

2）推進能源精細化管理

加強能源計量監測，進行能源精確計量，開展能效在線監測，明確能源管理責任，創新能源管理方式。

3）優化能源消費結構

提升電氣化水平，引入綠色電力，拓展新能源應用場景，配合儲能技術，構建微電網系統。

4）加快智能礦山建設

加快發展MES系統（生產計劃執行系統），采用成熟的智能技術。

4 結論與建議

礦山2021 年采礦單位產品、選礦單位產品可比綜合能耗均達國家準入值，鐵精礦單位產品可比綜合能耗未達行業限定值，這一方面與礦山原礦品位、生產工藝、企業能源管理有關，另一方面也與參考的國家標準和行業標準有關。GB 31335-2014 和GB 31337-2014 僅限定了特定的工藝（如浮選加溫），沒有反映礦山實際生產（弱磁選），引導作用有限。此外，標準超期服役，長期未修訂，已落后于行業發展水平，YB/T4647-2018 盡管規定了鐵礦石從入廠到加工獲得單位合格鐵精礦產品的能源消耗定額的技術要求、能耗統計、計算方法、節能管理與措施，但由于其為行業推薦性標準，對企業的約束力和指導性不夠強。

鐵礦山企業由于其自身行業特征，盈利狀況長期受市場礦石價格波動的影響，對通過提升能源管理降耗增效的盈利方式不敏感，長期的粗放式生產運營模式缺乏精細化管理支撐，且礦山行業由于不屬于重點用能行業，對國家政策驅動的能效提升壓力相對較小，能效對標壓力相對較輕，因此，須重視礦山整體能耗分布優化問題，建立合理的能耗管理體系，加強設備精細化、智能化管理，通過開展能源審計、節能診斷、能效對標等工作，推進能源精細化管理，逐步降低單位產品能耗。