年产5000吨高纯石英砂建设项目
可行性研究报告
二零一九年九月

第一章 总论
1.1项目背景
高纯石英砂（High-purity quartz sand）一般是指SiO2含量高于99.995%的石英粉体，具有极好的化学稳定性、高绝缘耐压能力和极低的体膨胀系数，是电子核心器件、光导通讯材料、太阳能电池等高新技术产业不可缺少的重要原材料，是生产石英坩埚、制造单晶硅棒、芯片加工等的基础原料，其高档产品被广泛应用在大规模及超大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航天、军事等行业中。由于这些行业关系到国家的长远发展，是一个国家高新技术行业可持续发展的必要条件，因此高纯石英砂的战略地位非常重要。由于石英砂高端产品的制造技术被美国、德国、俄罗斯等少数国家所垄断，并限制技术和产品出口，致使高纯石英砂产品价格一直居高不下。
从天然石英矿石直接提取高纯石英砂是目前世界生产高纯石英砂的最先进技术。俄罗斯、日本和德国等基本上可以实现自给自足，除了巴西出口未经加工的水晶原矿外，世界高纯石英砂出口市场基本上被美国尤尼明（UNIMIN）公司控制。美国尤尼明公司代表着世界超纯石英砂生产的最高水平，尤尼明公司生产的IOTA-CG石英砂二氧化硅含量为99.9978%，杂质是22ppm（尤尼明公司生产的最低档级的高纯石英砂），产品品质好，性能稳定；该公司目前已能生产二氧化硅含量为99.9992%，杂质是8ppm的超纯石英砂，并且二氧化硅的纯度正向99.9994﹪的方向发展。
　　我国已经成为高纯石英砂的消费大国，这主要与我国电子行业、太阳能行业等高端制造业的快速发展密切相关。目前，我国高纯石英砂产品的消耗每年大约在3万吨左右，其中只有极少部分是由国内企业生产，而利用国产石英矿石生产高纯石英砂的厂家几乎没有，我国所需高纯石英砂产品基本依赖进口，特别是从美国尤尼明（UNIMIN）公司进口，尤尼明公司在国际高纯石英砂市场处于垄断地位，这不仅导致了我国相关产品生产成本的增加，而且我国与此相关的高新技术领域的发展存在受制于人的被动局面。
我国还没有完全解决从天然石英矿石提取高纯石英砂的工艺技术问题，所以一方面是高新技术领域对石英玻璃的需求量越来越大、并且对品质要求越来越高，另一方面却是制造石英玻璃的原料石英砂产量和提纯技术存在着严重短腿的掣肘。这就是目前国产石英砂所面临的窘境。
　　因为美国尤尼明公司长期以来一直垄断着国际高纯石英砂市场，高纯石英砂的定价话语权完全掌控于美国尤尼明公司， 虽然由于技术进步以及国际上其它国家高纯石英砂产品也开始进入国际市场推广，尤尼明公司出于竞争以及打压竞争对手的目的，将IOTA-CG级高纯石英砂价格降低了75%左右，目前在我国的销售价格大约人民币4万元/吨左右，即便如此，与我国低廉的石英矿石价格相比，其利润还是非常巨大。
　　而且，问题还不仅仅是高昂的成本付出，如果由于某些原因导致高纯石英砂的进口渠道被阻断，我国生产高品质石英玻璃制品的企业将面临着无米下锅的局面，并直接影响电子工业、太阳能行业等一批与高品质石英玻璃相关的高科技领域，从而对国民经济产生巨大影响。
　　我国也一直在进行高纯石英砂生产技术的研发，但产品一直达不到尤尼明公司的高纯标准，目前只有少数企业利用进口石英矿石原料生产的品质较高的石英砂，可用来部分替代非关键部位使用的进口高纯石英砂，因此我国高纯石英砂还主要依赖美国进口，虽然我国也大量生产、并出口石英砂，但都属于初级产品，该初级石英砂成为日本、韩国等国家生产高纯石英砂的原料。由于我国已经成为世界电子工业以及太阳能行业的重要生产基地，对高纯石英砂的需求一直呈现快速增长趋势，为使我国相关高新技术领域健康发展，同时应对日益复杂的国际形势，我国必须打破高纯石英砂依赖美国进口的被动局面。
1.2立项依据
本项目团队不但具有坚实的研发基础和研发能力，而且具有丰富的高纯石英砂生产及管理经验。
研发方面，项目团队具有十多年的高纯石英砂研发基础，并在对石英矿石杂质分布特征的研究基础上，研发了针对各种杂质的去除技术和工艺。
天然产出的石英矿石，除少量达到水晶级的矿石外，其它石英矿石都含大量杂质，包括矿物杂质、流体杂质和晶格元素杂质。矿物杂质只要相互之间充分解析、分离，利用常规的选矿工艺就能去除。但只去除矿物杂质的产品很少能达到电子工业、半导体和太阳能等高新技术领域用石英玻璃的原料要求，在石英矿石中除矿物杂质外，在石英晶体中还包含有大量气液包裹体中的流体杂质以及晶格中的元素杂质；石英中的流体杂质不但使石英玻璃中产生大量气泡、气线，影响石英玻璃的表观特征，而且还严重影响石英玻璃的光学性能、机械强度以及使用寿命；而石英晶格中的元素杂质不但严重影响石英玻璃的高温稳定性，而且制约了石英玻璃的使用，因为在高温下石英玻璃中的元素杂质会扩散到其它产品中，对其它产品（如半导体产品）形成污染。
不同类型的石英矿石，其杂质组合特征也完全不同。目前用来生产高纯石英砂的矿石原料有二大类：石英脉中的石英以及花岗岩类岩石中的石英。脉石英矿石虽然石英含量相对较高，但石英中元素杂质以及流体杂质一般也高，以这类矿石生产高纯石英砂，必须在去除矿物杂质、元素杂质的同时，考虑流体杂质的去除，这样才可能生产出合格的高纯石英砂；花岗岩类石英矿石，其特征是石英含量不高，在矿石中只占30%左右，但石英本身的品质一般比较好，不但晶格中元素杂质相对较少，而且石英中的气液包裹体也少。
针对各类石英矿石中杂质类型及其特征，本项目团队研发了物理除杂、化学除杂和高温气化除杂的生产技术及其配套生产设备，用以进行高纯石英砂生产。石英矿石中的矿物杂质，主要采用物理选矿的手段进行去除；只有少量镶嵌于石英颗粒表面的矿物杂质采用化学处理的方式进行去除。石英矿石中的流体杂质，主要通过高温爆裂方法去除，本项目是将流体杂质的去除工序与干燥工序并合进行，只要在进行烘干工序时对烘干温度和烘干时间进行适当调整。石英矿石中的晶格元素杂质，只能通过高温气化工艺进行去除，在高温下利用高活性气体与石英颗粒进行气-固反应，以去除石英晶格中的碱金属元素杂质，该工序只在对品质要求很高的产品中实施，并且也可以将该工序与烘干工序以及流体杂质去除工序结合（三合一）。本项目团队可以根据不同的石英矿石类型、并结合高纯石英砂产品的不同用途，选择性的采用不同的高纯石英砂生产工艺及工序，以实现利益最大化。
高纯石英砂生产和管理经验方面，项目团队中有多年在高纯石英砂生产企业担任生产经理和销售经理的人员，已经将团队研发的高纯石英砂生产技术、特别是研发的生产设备在生产实践中进行了应用，并进行了充分的磨合、修正，团队成员具有丰富的实战经验，积累了大量与高纯石英砂生产相关的经验教训及生产关键细节。
根据目前我国高纯石英砂生产及应用现状，本项目团队设计三步推进项目的规划：第一步，以进口石英矿石为原料，生产出用于制作石英玻璃坨的打坨料，以及用于制作石英坩埚外层的高纯石英砂产品；第二步，还是以进口石英矿石为原料，生产出用于制作整个坩埚的高纯石英砂产品，完全替代美国进口高纯石英砂产品；第三步，积极找寻国内合适的石英矿石，逐步用国产石英矿石取代进口石英矿石生产高纯石英砂，在实现高纯石英砂生产的完全国产化的同时，可获得更高的产品利润。
1.3项目概况
（1）企业基本情况
单位名称：
项目名称：年产5000吨高纯石英砂生产项目
项目投资：3000万元
法人代表： 电话：
联 系 人： 电话：
通讯地址：
建设地点：
占地面积：
建设面积：
人员情况：从业人员200人
预计投产日期：
（2）产品种类及年产量：
①产品名称：高纯石英砂
②生产能力：年产5000吨高纯石英砂
（3）项目投入总资金及效益情况
年产5000吨高纯石英砂项目，除基建费用外，还需投资人民币3000万元，用于设备费用、原料费用以及流动资金。年销售收入超过1.5亿元。

第二章 市场分析
我国半导体、电子工业特别是太阳能行业发展迅猛，对高品质石英玻璃的需求日益增加，相应地对高纯石英砂的需求量也大幅度增加。最近几年，特别是国际环保大会的召开，各国加大了对绿色能源开发、应用研究的投资和资助力度，而太阳能作为世界公认的环保能源，得到了世界各国的政策性扶持。我国为了达到对国际社会的减排承诺，更是加大了对太阳能行业的扶持和投资力度，我国已成为单晶硅片的生产大国，单晶硅的生产必须使用高纯石英砂制成的坩埚，而且这种坩埚是一次性的，这就导致了我国对高纯石英砂需求量的迅猛增长。
另外，国际上高纯石英砂市场被美国尤尼明公司所垄断，世界各国对高纯石英砂需求量的迅猛增长，已导致尤尼明公司高纯石英砂生产原料的短缺，原来的生产原料已近于枯竭，目前正在世界范围内寻求原材料，原材料的变化导致尤尼明公司的高纯石英砂质量不稳定，从而引起下游产品的质量波动。
我国目前在打坨和坩埚生产方面，高纯石英砂的需求量大约在3万吨左右，主要依赖进口，特别是从美国尤尼明公司进口，只有少量的高纯石英砂是国内企业利用进口的石英矿石生产的；而随着我国对企业环保要求的提高，很多小的石英砂生产厂商都因环保要求不达标而被关闭，因此规模化的生产高纯石英砂，并逐步取代进口，这将使我国逐步摆脱高纯石英砂一直依赖进口的被动局面，使我国相关高新技术领域得到健康、稳定发展，同时将打破美国尤尼明公司在国际高纯石英砂市场的垄断地位，并使我国石英矿石的使用价值得到充分发挥。
因此，本项目的实施，不但可引起强烈的社会效应，而且可带来巨大的经济效益。年产5000吨高纯石英砂项目，除基建投资外，还需投资人民币3000万元（包括设备费用、原料费用以及流到资金），年销售收入超过1.5亿元。项目的风险相对较小，但对技术要求会很高，每年的研发费用投入也会较高。

第三章 项目主要设备、原辅材料、能源消耗
3.1主要原辅材料和能源消耗
项目主要原料为石英矿石，各物料和能源消耗见表3-1。
表3-1 项目主要原辅材料消耗
序号 名称 单位 用量 规格
1 石英矿石 t/a 9500 块体小于20cm
2 HF酸 t/a 400 60%
3 浓盐酸 t/a 240 31%
4 烧碱 t/a 170 液态
5 HCl气体 t/a 8 气体
6 氮气（N2） t/a 10 气体
7 水 t/a 15000 生产用
8 电 kWh/a 200万
3.2主要生产设备
项目主要生产设备见表3-2。
表3-2 项目主要生产设备
名 称 数量（台/套） 型号 功率 金额（万元）
粉碎设备 1套 购买 50
筛分设备 2套 定制 20
磁选机 2台 定制 70
浮选机 10台 定制 40
化学反应釜 8套 定制 500
高纯水装置 1套 购买 100
烘干、气化设备 5套 定制 300
空气净化装置 1套 定制 50
废水处理设备 1套 定制 70
低分辨ICP-MS 1台 购买 130
红外分光光度计 1台 购买 80
超净实验室 1套 定制 50
体视显微镜 1台 购买 10
物理除杂实验室 1台 购买 10
化学除杂实验室 1套 定制 5
高温气化实验室 1套 定制 5
水质、酸质实验室 1套 购买 10
3.3主要生产设备节能措施
在确保正常生产的基础上，为了最大限度地降低能源消耗，达到节能减排的目的，本项目在对生产工艺、生产设备选型、生产设备的设计和加工制作方面进行了充分考虑。
首先在生产工艺方面，根据产品用途不同对生产工艺流程进行整合，部分产品将流体杂质的高温去除工艺与产品干燥工序相结合，部分产品甚至将流体杂质的高温去除工艺和晶格元素杂质的高温气化工艺一起与产品干燥工序相结合，以最大限度地节省能源。
其次对定型设备全部选择节能型的型号及改良后的新产品。浮选机选择了低能耗的SF型浮选机，它本身具有自吸气、自吸浆功能，不需要外配空气压缩机以及砂浆泵，该型号浮选机能降低40%左右的能耗。
第三，通过对定型设备的改进，增加设备的使用功能，达到一机多用的目的，以此来减少生产设备的使用数量，降低生产能耗。浮选机正常生产过程中，一般需先使用搅拌桶对物料进行预处理，本项目通过对浮选机进行改良，增强了浮选机的搅拌功能，从而在实际生产时就不需要配置搅拌桶，这样能降低能耗30%左右。
第四，通过对加热设备的结构进行改进，提高热转化率、减少热能损耗。本项目中能源消耗主要集中在化学反应釜以及烘干、气化设备上。为了降低能耗，本项目对化学反应釜的结构进行了重大改进，将化学反应釜的外加热结构改造成内加热，不但消除了外加热过程中热能对环境的扩散，而且提高了热能的转化率，这项改进将化学反应釜的能耗从130kW降到了75kW，节能达40%左右。而对烘干、气化设备的改进，主要体现在对设备的保温材质和结构的改进，一方面利用保温材料消除加热器直接对环境的热辐射引起的热能损耗，另一方面利用保温材料对烘干、气化设备进行严密的保温处理，这些措施能将烘干、气化设备的能耗降低10%左右。
总之，本项目涉及的主要生产设备都是选择的最新型的节能型设备，生产工艺中都考虑了节能减排效应。

第四章 项目生产工艺
4.1主要生产工艺
本项目生产工艺主要包括：石英矿石采购→粉碎→筛分→磁选→浮选→酸洗→清洗→烘干→冷却→分装→销售。见图1 生产工艺流程示意图。
（1）石英矿石采购
a、 对准备采购的石英矿石进行实验室选矿、提纯试验；
b、 对实验室提纯试验合格的矿石进行小批量采购，并进行小批量生产，将产品送下游厂商进行加工生产试验；
c、 对下游厂商试验合格的石英矿石，进行正常的生产性采购；
d、 石英矿石块体尽量小，最好小于20cm。
（2）粉碎
a、 全部采用湿法粉碎工艺，以消除粉尘；
b、 根据所采购矿石块体的大小，分粗碎和细碎二道工序；粗碎工序将矿石块体粉碎到小于2cm，细碎工序将矿石粉碎到小于0.25mm；
c、 粉碎工序用水全部使用回用水，即生产废水经达标处理后的清水。
（3）筛分
a、 采用震动筛网对细碎后的产品进行分级，采用二级筛分工艺；
b、 第一级筛分设备置于细碎设备后，将细碎后的石英砂筛分出50-180目的产品，粗于50目的颗粒返回细碎设备继续粉碎，细于180目的尾砂收集后，待处理；
c、 第二级筛分设备置于磁选设备后，将磁选后的石英砂筛分出50-120目和120-180目二种规格的产品；
d、 该工序用水也使用回用水。
（4）磁选
a、 利用磁选机将石英砂中的铁质及含铁矿物去除，该工序采用二级磁选；
b、 利用稀土永磁磁选机将第一级筛分后的石英砂中强磁性矿物（如磁铁矿）以及粉碎过程中产生的铁屑去除；
c、 再利用高梯度磁选机将永磁磁选后的石英砂中弱磁性矿物（如黑云母、角闪石等）去除；
d、 该工序用水也使用回用水。
（5）浮选
a、 通过简单的酸碱洗涤将矿浆中杂质矿物的疏水性增强，并利用压缩空气形成的气泡将疏水性杂质矿物带到矿浆表层（上浮），浮选机上的刮板自动将矿浆表层悬浮的泡沫层从矿浆体系中去除，从而达到去除杂质矿物的目的；
b、 该工序用水使用酸洗工序和清洗工序产生的废水。
（6）酸洗
a、 在一定温度下，利用化学试剂将浮选获得的石英砂中少量镶嵌于石英颗粒表面的杂质矿物溶解、去除；
b、 使用HF和HCl为主的混合酸在反应釜中加热处理石英砂，混酸的总酸度为10%，酸用量为石英砂重量的75%，反应釜容量7立方，加热温度不超过90ºC，酸洗工序处理周期为48小时。
c、 该工序用水使用自来水。
（7）清洗
a、 利用纯净水对反应釜内酸洗并排出反应液后的石英砂进行清洗，共清洗6次；
b、 该工序利用自来水制作纯净水；清洗后3次的废水，作为下一轮次清洗前3次的用水，即每个清洗轮次只需补充后3次的用水。
（8）烘干
a、 在烘干设备中，利用800~1200ºC高温，对清洗后的石英砂进行干燥；
b、 对于流体杂质比较高的石英砂，在进行烘干的同时，通过调节烘干温度及烘干时间，以去除流体杂质；
c、 对于需要去除晶格中碱金属元素杂质的产品，可以在进行高温干燥的同时，利用HCl气体在高温下将石英晶格中的碱金属杂质元素活化转移到气相中加以去除，这主要是通过调节烘干温度和烘干时间，来实现烘干、流体杂质去除以及晶格中碱金属元素杂质去除的、三合一的“高温气化除杂”工艺。
（9）冷却、分装
在玻璃器皿中用水对烘干后的石英砂进行冷却，然后进行包装。

图1 高纯石英砂生产工艺示意图
4.2项目物料平衡和水平衡
（1）项目物料平衡
以脉石英矿石为例来计算高纯石英砂项目的物料平衡。在高纯石英砂生产过程中，原料的损耗主要出现在粉碎、磁选、浮选以及酸洗工序；利用脉石英矿石粉碎制作石英砂，石英砂的成砂率一般在60%左右；而在磁选和浮选工序，石英砂的成品率总共在90%左右；酸洗工序的损耗主要表现为HF对石英及其杂质矿物的溶解，我们按照最大损耗来考虑，1吨100%的HF能溶解500kg石英。按照年产5000吨高纯石英砂的设计产量，每天大约需要生产出24吨成品高纯石英砂。根据上述分析，每天需45.5吨石英矿石，粉碎获得27.3吨符合规格的石英砂、以及18.2吨的细粒尾砂，经过磁选和浮选后获得24.57吨石英砂、以及2.73吨杂质砂，而在酸洗过程中，有553kg的石英被1106kg 100%HF溶解，即酸洗后获得的成品高纯石英砂24.017吨，反应后的废酸液需737kg烧碱（NaOH）来中和，生成1732.7kg的氟硅酸钠（Na2SiF6）沉淀物。图2为本项目物料平衡示意图。


图2 高纯石英砂项目物料平衡示意图
以每天生产大约24吨高纯石英砂为例进行计算


（2）项目水平衡
用水量估算：本项目实施的高纯石英砂生产工艺，新鲜水（自来水）的补充主要在酸洗工序和清洗工序，其它工序都是使用的循环水或者回用水；水的消耗主要在烘干工序以及细粒尾砂中的含水，另外，还有一点自然蒸发，自然蒸发在水平衡计算时不予考虑。
冷却工序是使用自来水，循环使用，其蒸发量较小，冷却1吨高温石英砂蒸发100kg水。
烘干工序主要是水的消耗，清洗后的石英砂成品经真空脱水后，含水率大约在10%左右，即每吨石英砂在烘干工序消耗水100kg。
酸洗工序使用自来水，每吨石英砂需用750kg混合酸液来处理，考虑到进入反应釜的石英砂中含水率大约在30%，以及各种酸中的水含量，处理1吨石英砂需再加入400kg自来水；酸洗后倒出反应釜的废酸液大约在450kg，废酸液直接流入废酸箱，部分用于浮选工序调节水介质的pH值，用不完的废酸液先利用烧碱（NaOH）进行中和，形成氟硅酸钠结晶体，经沉淀、过滤后，氟硅酸钠沉淀物收集、待处理，获得的清水抽到污水处理箱中进行达标处理，达标处理后的清水流入回用水收集箱。
清洗工序使用纯净水，酸洗后的石英砂必须清洗6次，前面3次均使用上一轮清洗保留于清洗循环水收集箱A-1、A-2、A-3的后3次清洗水，后3次清洗使用新的纯净水，清洗1吨石英砂使用600kg水，考虑到石英砂中含水率大约30%，每次新加入的纯净水实际为300kg，3次总共加入的新纯净水为900kg左右，考虑到一些损耗，清洗1吨酸洗石英砂需补充1000kg纯净水；前3次清洗后排出的废水大约1000kg，流入浮选工序的循环水收集箱B-1。另外，1吨自来水只能生产0.6吨纯净水，生产1吨纯净水需自来水1.667吨，即清洗1吨酸洗石英砂需1.667吨自来水，其中1吨纯净水用于清洗工序，0.667吨废水流入浮选工序的循环水收集箱B-1。
浮选工序全部使用废水，浮选工序采用1次浮选、1次清洗的工艺；浮选后的清洗用水来源于浮选工序的循环水收集箱B-1，还有部分来源于回用水收集箱（达标处理后的清水），浮选清洗产生的废水流入浮选循环水收集箱B-2；而浮选用水则来自循环水收集箱B-2，少量来自废酸箱，浮选产生的废水流入污水箱中、与废酸中和后的清水一起经达标处理后流入回用水收集箱；浮选及其清洗时矿浆浓度一般为25%，即浮选1吨石英砂需3吨水，浮选后清洗1吨石英砂也需要3吨水。
磁选工序使用回用水收集箱中回用水以及磁选循环水收集箱C-1中水，磁选产生的废水经收集后流入磁选循环水收集箱C-1，磁选工艺一般使用25%的矿浆进行磁选，由于永磁磁选与高梯度磁选是串连的，永磁磁选后的矿浆直接流入高梯度磁选机，所以1吨石英砂需3吨水。
筛分工序全部使用循环水收集箱C-1中的水，第二级筛分产生的废水收集于循环水收集箱C-1中，第一级筛分产生的废水经收集、沉淀后，流入循环水收集箱C-2，在细粒尾砂中会保留30%的水，这部分水是消耗掉的水；筛分用水相对较多，1吨石英砂需9吨水，第二级筛分的废水全部循环使用，第一级筛分的废水有部分消耗于细粒尾砂中，只有8.7吨进入循环。
粉碎工序全部使用循环水收集箱C-2中的水，球磨机的用水量为1吨矿石3吨水，颚破机的用水量为1吨矿石1吨水，粉碎工序产生的废水经收集后流入循环水收集箱C-2。
本项目实施的高纯石英砂生产工艺中，每生产1吨高纯石英砂需补充自来水量：酸洗工序400kg，清洗工序1.667吨（包括1吨纯净水和667kg的生产纯净水产生的废水），在对烘干后高温石英砂进行冷却过程中会有水的蒸发，估算蒸发量10%，即100kg，再考虑到生产过程中水的自然蒸发等因素，每生产1吨高纯石英砂自来水的消耗量不超过3吨，每年生产方面的水消耗量大约在15000吨（按5000吨/年计算）。消耗方面，每吨高纯石英砂在烘干工序消耗100kg水；生产1吨成品石英砂会产生700kg细粒尾砂，尾砂含水率30%，消耗水210kg，水消耗量大约在1.1吨左右。
按每天生产24吨高纯石英砂来计算水用量以及产生的废水量见表4-1。
图3为本项目水流程示意图以及按每天生产24吨高纯石英砂的水平衡示意图，水的流程大致为：清洗工序补水40吨（24吨纯净水+16吨废水），酸洗工序补水9.6吨；清洗工序产生的废水用于浮选工序，酸洗产生的废酸除部分用于浮选外，多余废酸与浮选工序产生的废水一起经达标处理后用于磁选工序和筛分工序，磁选工序和筛分工序产生的废水用于粉碎工序，最后多余的废水经达标处理后排放市场污水管网。
整个生产工艺主要的水消耗在产品烘干工序（蒸发水2.4吨），以及细粒尾砂含水（7.2吨），由于补水量（49.6吨）大于消耗量（9.6吨），生产用水经循环使用后多余的清水会在粉碎工序后达标排放。
另外，烘干后的高温石英砂冷却是单独的水循环，其每天的消耗量2.4吨。

表4-1 项目每天用水量和排水量计算
工序 补(耗)水量（吨） 循环水用量（吨） 废水量
（吨） 备注
颚破机 24 24
球磨机 72 72
筛分1 7.2（耗） 216 208.8 细粒尾砂中含水30%
筛分2 216 216
磁选 72 72 永磁磁选与高梯度磁选串连在一起
浮选 72+72 72+72 浮选+浮选后清洗用水
酸洗 9.6（补） 10.8 废水中包括加入的酸液量
清洗1-3 24 24 前3次用上一轮后3次清洗废水；生产后3次的纯净水产生废水16吨；
清洗4-6 24（补） 16
烘干 2.4（耗） 水蒸发量
冷却 2.4（补） 50 水蒸发量
总量 45.6 818 787.6 生产纯净水的废水也属补充水，及自然蒸发等，实际补水量72吨

 


图3 项目水流程和水平衡示意图
按照每天24吨的产量计算
第五章 环境保护
5.1废水
本项目生产工艺流程中，“废水”经过中和、沉淀后主要进行循环使用，用不完的、经沉淀过滤后的清水，达标排放，图4为本项目水流程示意图。本项目生产过程中，浮选工序和酸洗工序会产生少量含化学试剂的废水，浮选工序产生的废水中和沉淀方案为：
浮选废水经地沟管网收集于污水处理箱，加入烧碱（NaOH）进行中和，并经达标处理（达标处理方案见酸洗工序废水处理方案）后，流入回用水箱，进行循环使用。
酸洗工序产生的废水中和沉淀方案：
酸洗后的废酸液经管道流入废酸箱，除部分作为浮选工序浮选液的pH调节剂外，大部分废酸液利用烧碱（NaOH）进行中和，反应生成氟硅酸钠（Na2SiF6）结晶体，经过沉淀、过滤，获得氟硅酸钠沉淀物以及清水，氟硅酸钠沉淀物经压滤后收集、利用；清水排入污水处理箱，进一步与浮选废水一起进行达标处理，达标处理主要是利用化学药剂降低废水中的F-离子浓度，本项目采用NaOH调节废水pH，以CaCl2作为沉淀反应剂，并辅助PAC（聚合氯化铝）的混凝沉淀作用，以使废水中的F-离子浓度达到排放标准，经过该方案处理的废水中，F-离子浓度在4-7ppm，远低于10ppm的排放标准。
由于其它工序不涉及化学试剂，因此，经污水处理箱达标处理获得的清水，在其它工序循环使用后，化学成分不会超标，多余的废水经过简单的沉淀、过滤后，可以直接排入与城市污水管网相连的公司生化污水处理池，实现排放。
 


图4 高纯石英砂生产的水流程示意图

影响本项目生产废水排放的主要因素是废水中的化学试剂，为使本项目的生产废水顺利排放，我们对生产过程中涉及化学试剂的工序进行详细分析。本项目实施的高纯石英砂生产工艺中，使用化学试剂的工序只有浮选工序和酸洗工序，因而在这二个工序会产生含化学试剂的废水。
在酸洗工序，主要使用HF和HCl的混合酸处理浮选后的石英砂，用量为1吨石英砂用总酸度10%的混合酸溶液750kg，反应后反应液中化学成分主要为H2SiF6、Cl-、F-、Al3+、Fe3+、Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Mn2+、Ti4+，其中H2SiF6含量最高，其次为Cl-离子，然后是F-离子，其余化学成分含量均很低，为ppm量级（10-6量级）；在这些化学成分中，影响废水排放的主要因素为废水中F-离子及其化合物的浓度；对于含高浓度F-离子及其化合物的废水，本项目采取二阶段处理的方案，首先是将废水中F-离子及其化合物的浓度降低到中、低浓度，然后再通过化学吸附的方法将F-离子及其化合物的浓度降低到排放标准；在本项目中，我们同时考虑了生产过程中固态废弃物量的问题，因此本项目是利用烧碱（NaOH）来对废酸液进行中和，以获得可资源化利用的氟硅酸钠（Na2SiF6）结晶体，最大限度的减少生产过程中产生的固废；烧碱中和后的废酸液，经沉淀、过滤后，获得氟硅酸钠沉淀物和清水，清水中F-离子及其化合物的浓度已经降低到中、低浓度，将清水收集到污水处理箱中，利用NaOH调节废水pH，以CaCl2作为沉淀反应剂，并辅助PAC（聚合氯化铝）的混凝沉淀作用，以使废水中的F-离子浓度达到排放标准，经过该方案处理的废水中，F-离子浓度在4-7ppm，远低于10ppm的排放标准。
在浮选工序，主要是利用化学试剂来调节浮选介质（水）的pH值，使杂质矿物在试剂作用下疏水性增强，便于杂质矿物与石英矿物的分离。在本项目中，主要是利用酸洗工序产生的废酸来调节浮选液的pH，由于用量很小，浮选1吨石英砂大约只需1000ml左右的废酸液，因此，可以将浮选废水直接收集到污水处理箱中，与酸洗工序流入的清水一起进行达标处理。
在进行化学物料平衡计算时，由于加入的盐酸（Cl-离子）一直残留在废水中，由于不断有新水加入，有废水排出，循环用水中的Cl-离子浓度一直处于较低的状态，不影响使用及排放，因此就不进行特别处理，也不进行计算；酸洗过程中被酸溶解的金属元素在废水中的含量是非常低的，也不参加化学物料平衡计算；同样，在污水处理箱中进行的废水达标处理的化学成分也不参与化学物料平衡计算。按每天生产24吨高纯石英砂计算化学物料平衡，要获得24吨左右酸洗后的石英砂，大约需24.57吨石英砂，需要100% HF 1106kg，其化学物料平衡计算如下：
(1) 6HF+SiO2→H2SiF6+2H2O
1106×(2×1+28+6×19)÷(6×(1+19))=1327.2kg
1106kg 100% HF与石英砂反应生成1327.2kg H2SiF6
(2) H2SiF6+2NaOH→Na2SiF6+2H2O
1327.2×(2×23+28+6×19)÷(2×1+28+6×19)=1732.7kg （Na2SiF6）
1327.2×2×(23+16+1)÷(2×1+28+6×19)=737.3kg（NaOH）
1327.2×(28+2×16)÷(2×1+28+6×19)=553kg （SiO2）
24.57吨石英砂，需要100% HF 1106kg酸洗，获得24吨（24.017吨）酸洗石英砂，反应生成1327.2kg H2SiF6，H2SiF6需737.3kg NaOH中和，中和后生成1732.7kg Na2SiF6。
生活污水：配套建生活污水化粪池，经预处理后排入与城市污水管网相连的公司生化污水处理池。
5.2废气
本项目采用的高纯石英砂生产工艺中，有害废气可能产生于二个环节：一是酸液产生的酸气，二是烘干工序中的活性气体。
酸气：工厂使用的酸液均储存于密闭的钢衬PE罐中，化学反应釜是国家标准的压力容器，生产中的酸液传输均是通过带流量计的PE管道，含酸废液的排放是在室温下、通过管道进入废酸箱的，因此生产过程中酸液不会直接与空气接触，只有在购买的酸液进厂时，从槽罐车通过管道输送到工厂储酸罐后，将两者之间连接管道取下时，管道中残留的一点酸液可能产生微量的酸气，可通过排风扇将其排到室外，所以整个生产中不会产生有害酸气。
活性气体产生的废气：在烘干工序，对于部分品质要求非常高的产品，需使用高温气化除杂工艺，将该工艺结合在烘干工序中，在对酸洗获得的石英砂进行烘干的同时，对石英砂进行高温气化除杂。该工艺使用HCl等高活性气体，在高温下将石英晶格中的杂质元素活化转移到气相中；该工序活性气体的使用量很小，气体流量大约在2000ml/min，按照每天生产24吨高纯石英砂估算，大约需HCl气体24kg，整个反应是在密闭的石英玻璃器皿中进行的，反应后的废气利用低真空装置，抽吸到中和装置中进行中和处理，中和处理装置采用“含氯气体的中和处理装置”专利技术，该技术可将含氯气体充分中和，用来中和处理HCl气体效果会更好，处理后的气体达标排放。这些举措保证了烘干工序不对环境产生有害废气。
5.3固废
本项目生产工艺中，固态废弃物主要出现在粉碎工序，其次为磁选工序和浮选工序，在废水处理过程中也出现固态废弃物。
在粉碎工序，石英矿石的成砂率一般只有60%，按照每天生产24吨成品高纯石英砂计算，每天需45.5吨石英矿石，粉碎获得27.3吨符合规格的石英砂、以及18.2吨的细粒尾砂。
磁选工序和浮选工序是去除杂质矿物的主要工艺，磁选工序和浮选工序的总成品率一般为90%，27.3吨的石英砂经过磁选和浮选后获得24.57吨石英砂、以及2.73吨杂质砂。
而在酸洗工序中，1106kg 100%HF能溶解553kg的石英，酸洗后获得的成品石英砂为24.017吨；在利用烧碱（NaOH）对废酸进行中和后，获得1732.7kg的氟硅酸钠（Na2SiF6）沉淀物。
可见，在本项目实施过程中，每天会产生18.2吨细粒尾砂、2.73吨杂质含量较高的石英砂，以及1.7327吨氟硅酸钠结晶沉淀物。本项目一方面将通过对生产工艺的进一步优化，提高成品率，为了减少固态废弃物的产生量；另一方面将对固态废弃物进行资源化利用，尾砂以及杂质砂其实都是石英砂，石英含量在95%以上，它们完全可以作为陶瓷、玻璃、保温耐火等建材行业的原料。而氟硅酸钠本身就是一种化工原料，本项目选择用烧碱来中和废酸液，主要也是考虑对固态废弃物的资源化利用，因为用石灰Ca(OH)2中和废酸液获得的氟化钙CaF2，资源化利用的可能性不大。
所以，本项目生产过程中产生的固态废弃物都能进行资源化利用，不会产生对环境有害的固废。
5.4噪音
在生产过程中，可能有些噪声，除电机旋转产生的噪音外，粉碎设备会产生一定噪音。对于电机旋转产生的噪音，可通过选用高品质低噪音的优质电机来降低噪音；对于粉碎设备形成的噪音，可以通过合理的粉碎介质配置、预防设备共振来降低噪音；同时，对设备场地进行一定的防噪音隔挡，选用双层真空玻璃窗以及合理的工厂布局、绿化，并采取控制噪声源等措施，确保厂界噪声稳定达标。