干堆磷石膏大型渣场设计概述
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HE Bing－shun1，TIAN Ya－hu2，ZHANG Ping－hu1，WANG Hong1
（1．Beijing Zhonghuan Engineering ＆ Project Management Co．，Ltd，Beijing 100013，China； 2． Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）
在干旱和严寒地区具有较大优势。
4 大型干堆磷石膏渣场设计要点
2．3 经济性
4．1 渣场分级标准
这里所指的经济性包含了渣场的社会效益、环
磷石膏渣场的设计分级应根据库容大小、堆积
境效益和生态效益。考虑上述效益后，干堆渣场综 体高度和堆积体下游设施重要程度综合考虑确定。
合技术经济指标明显高于湿堆渣场。二者经济性比 对于山谷型磷石膏渣场，借鉴与之类似的火力发电 较不仅仅只对比初期基建投资，还要对比渣场全生 厂粉煤灰干贮灰场设计规范有关条文［4］，确定渣场
2011 年
26
磷肥与复肥
第 26 卷第 2 期
2．2 环保性
离，对于此种渣场布置型式，可参照水利部门的
干堆磷石膏渣场场内基本无水，因而减小了地 《水土保持治沟骨干工程技术规范》［10］设计拦渣坝
下水渗漏及污染物质迁移，将 80％以上的回水在厂 滞洪库容与淤积库容，并根据上述成果设计拦渣坝
区车间内实现闭路循环，在环保和节水方面特别是 坝高。
优
劣
2 排洪系统
优
劣
3 防渗系统
优
劣
4 排渗系统（回水）
优
劣
5 压滤厂房及设备
劣
优
中期运行
1 运行管理难度
优
劣
2 脱水费用
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。 2．1 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。
命周期各阶段的技术经济指标，同时还应定量或定 分级标准如表 2。
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。
表 1 干堆、湿堆经济性比较
项目
干堆
湿堆
社会效益
优
劣
环境效益
优
劣
生态效益
优
劣
技术经济指标 库容利用
优
劣
初期基建投资
1 拦渣坝（初期坝）
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。 1．3 渗透与压缩特性
试验表明，磷石膏的渗透系数为 10－6 ～ 10－3 cm ／ 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。
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
0 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（1．1 ～ 1．3） × 108 t。其中只有（4．5 ～ 5．0） × 106 t 磷石膏得到了利用，利用率仅为 4．1％ ～ 4．5％［1］。 2007 年，我国磷石膏年产量为 4 000 万 t［2］。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
Abstract：The most of phosphogypsum needs stacking treatment in China at present，two stacking methods both dry discharge plus dry stack and wet discharge plus dry stack have been applied． First，the physical property of phosphogypsum is introduced， compared with the wet stack slag dump， the dry stack slag dump has three advantages including safety， environment protection and economy． The economical comparison between the wet stack and the dry stack should contain the total life cycle of slag dump． Based on no guide of design specifications at present，the relevant solid wastes stockpiling norms has to be referenced， and the design points of large －scale phosphogypsum slag dump are brief introduced， including grading，stacking，flood discharge，anti－leakage，drainage，closure etc． Key words：phosphogypsum；dry stack slag dump；design points
［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。 E－mail：hebss＠163．com
2011 年
第 26 卷第 2 期
何秉顺等 干堆磷石膏大型渣场设计概述
25
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
［关键词］磷石膏；干堆渣场；设计要点 ［中图分类号］TQ126．3＋5 ［文献标识码］A ［文章编号］ 1007 － 6220（2011）02 － 0024 － 04
Summary on designing the large－scale slag dump of dry stack phosphogypsum
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
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。 1．1 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 2．35 ～ 2．37 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 1．40 ～ 1．85 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 1．05 ～ 1．45 g ／ cm3，在设计阶段，若无资料，可取干容重 1．15 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。 1．2 力学性质
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 0．1 ～ 0．5 MPa－1，属于中等压缩土［4］。 2 干堆磷石膏渣场的优势
磷肥与复肥
2011 年 3 月
24
Phosphate ＆ Compound Fertilizer
第 26 卷第 2 期
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。
（1．Beijing Zhonghuan Engineering ＆ Project Management Co．，Ltd，Beijing 100013，China； 2． Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）
在干旱和严寒地区具有较大优势。
4 大型干堆磷石膏渣场设计要点
2．3 经济性
4．1 渣场分级标准
这里所指的经济性包含了渣场的社会效益、环
磷石膏渣场的设计分级应根据库容大小、堆积
境效益和生态效益。考虑上述效益后，干堆渣场综 体高度和堆积体下游设施重要程度综合考虑确定。
合技术经济指标明显高于湿堆渣场。二者经济性比 对于山谷型磷石膏渣场，借鉴与之类似的火力发电 较不仅仅只对比初期基建投资，还要对比渣场全生 厂粉煤灰干贮灰场设计规范有关条文［4］，确定渣场
2011 年
26
磷肥与复肥
第 26 卷第 2 期
2．2 环保性
离，对于此种渣场布置型式，可参照水利部门的
干堆磷石膏渣场场内基本无水，因而减小了地 《水土保持治沟骨干工程技术规范》［10］设计拦渣坝
下水渗漏及污染物质迁移，将 80％以上的回水在厂 滞洪库容与淤积库容，并根据上述成果设计拦渣坝
区车间内实现闭路循环，在环保和节水方面特别是 坝高。
优
劣
2 排洪系统
优
劣
3 防渗系统
优
劣
4 排渗系统（回水）
优
劣
5 压滤厂房及设备
劣
优
中期运行
1 运行管理难度
优
劣
2 脱水费用
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。 2．1 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。
命周期各阶段的技术经济指标，同时还应定量或定 分级标准如表 2。
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。
表 1 干堆、湿堆经济性比较
项目
干堆
湿堆
社会效益
优
劣
环境效益
优
劣
生态效益
优
劣
技术经济指标 库容利用
优
劣
初期基建投资
1 拦渣坝（初期坝）
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。 1．3 渗透与压缩特性
试验表明，磷石膏的渗透系数为 10－6 ～ 10－3 cm ／ 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。
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
0 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（1．1 ～ 1．3） × 108 t。其中只有（4．5 ～ 5．0） × 106 t 磷石膏得到了利用，利用率仅为 4．1％ ～ 4．5％［1］。 2007 年，我国磷石膏年产量为 4 000 万 t［2］。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
Abstract：The most of phosphogypsum needs stacking treatment in China at present，two stacking methods both dry discharge plus dry stack and wet discharge plus dry stack have been applied． First，the physical property of phosphogypsum is introduced， compared with the wet stack slag dump， the dry stack slag dump has three advantages including safety， environment protection and economy． The economical comparison between the wet stack and the dry stack should contain the total life cycle of slag dump． Based on no guide of design specifications at present，the relevant solid wastes stockpiling norms has to be referenced， and the design points of large －scale phosphogypsum slag dump are brief introduced， including grading，stacking，flood discharge，anti－leakage，drainage，closure etc． Key words：phosphogypsum；dry stack slag dump；design points
［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。 E－mail：hebss＠163．com
2011 年
第 26 卷第 2 期
何秉顺等 干堆磷石膏大型渣场设计概述
25
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
［关键词］磷石膏；干堆渣场；设计要点 ［中图分类号］TQ126．3＋5 ［文献标识码］A ［文章编号］ 1007 － 6220（2011）02 － 0024 － 04
Summary on designing the large－scale slag dump of dry stack phosphogypsum
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
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。 1．1 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 2．35 ～ 2．37 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 1．40 ～ 1．85 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 1．05 ～ 1．45 g ／ cm3，在设计阶段，若无资料，可取干容重 1．15 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。 1．2 力学性质
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 0．1 ～ 0．5 MPa－1，属于中等压缩土［4］。 2 干堆磷石膏渣场的优势
磷肥与复肥
2011 年 3 月
24
Phosphate ＆ Compound Fertilizer
第 26 卷第 2 期
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。