鎳鐵渣資源化綜合利用現狀研究
鎳鐵渣資源化綜合利用現狀研究
摘要：鎳鐵渣是冶煉鎳鐵合金產生的工業固體廢棄物，鎳鐵合金火法冶煉工藝主要包括高爐冶煉和電爐冶煉，產生的廢渣分別對應高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣。本文分析了兩類鎳鐵渣化學成分和礦物組成的差異性，總結了兩類鎳鐵渣在水泥、混凝土、新型墻體材料及其它領域的綜合利用情況，并剖析鎳鐵渣資源化利用中存在的問題。
關鍵詞：鎳鐵渣；水泥；混凝土；存在問題
1 引言
目前，我國紅土鎳礦火法冶煉鎳鐵合金工藝主要包括高爐冶煉和電爐冶煉高爐實質是一個爐料下降煤氣上升兩個逆向流動的反應器，冶煉過程以煤為燃料，排放出大量的CO2，嚴重污染大氣環境，逐漸被淘汰，適用于中低鎳鐵合金(Ni<10%)電爐冶煉以電為主要能源，排放出的CO2 含量較少，符合環保和循環經濟要求，逐步成為我國主要鎳鐵合金火法冶煉工藝，適用于冶煉高鎳鐵合金(10%<Ni<25%)兩者冶煉工藝的原料體系和冶煉流程區別很大，產生水淬渣的化學成分與基本性能差別很大，區分為高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣；其中一個顯著差別在于鈣含量，高爐鎳鐵渣的鈣含量遠高于電爐鎳鐵渣
據有關統計，鎳鐵渣年排放量約3000 萬噸，已成為我國繼鐵渣鋼渣赤泥之后的第四大冶煉渣，總資源化利用率僅為8%~15%；絕大部分被填埋或露天堆放，占據大量土地，危害周邊生態環境，也對鎳鐵冶煉企業的可持續發展造成了影響當前，鎳鐵渣綜合利用方向大致可分為:作為水泥混合材制備水泥；作為摻合料和集料制備混凝土；制備新型墻體材料，生產微晶玻璃等其它應用但在綜合利用過程中并未根據鎳鐵渣基本特性進行區分，缺乏針對性，導致鎳鐵渣利用率較低本文總結了高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣的化學成分礦物組成及應用特性，并概括兩者在水泥混凝土新型墻體材料及其它領域的利用現狀，分析鎳鐵渣資源化利用中存在的問題
2 鎳鐵渣性能特點
2.1 化學成分
高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣化學成分中氧化物種類相似，但各氧化物含量卻明顯不同高爐鎳鐵渣中化學成分以SiO2Al2O3CaO 為主，次要成分是Cr2O3MgOFe2O3SO3 等，屬于SiO2-Al2O3-CaO 系，CaO 含量一般在20%左右，鐵化合物含量較低，具有明顯的鈣高鐵低特點，有一定的潛在活性電爐鎳鐵渣中化學成分以SiO2MgOFe2O3為主，次要成分是Cr2O3Al2O3CaOSO3等，屬于SiO2-MgO-Fe2O3 系，相比較于高爐鎳鐵渣，其最大的特點是MgO 含量高達20%CaO 含量較低(≤10%)，鐵化合物含量較高，具有明顯的鎂高鐵高鈣低特點，導致其有潛在活性低易磨性差利用成本高兩類鎳鐵渣化學成分具體見表1
表1 兩類鎳鐵渣化學成分
2.2 礦物組成及安定性問題
高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣水淬冷卻過程中均析出較多的玻璃體，屬于潛在活性成分，不同之處在于二者中的晶體組分，高爐鎳鐵渣析出晶體以硅酸二鈣硅酸三鈣尖晶石等礦物相為主，其中硅酸二鈣硅酸三鈣屬于由高活性礦物組分，電爐鎳鐵渣析出晶體主要為鎂(鐵)橄欖石，其活性較低，綜合而言礦物組成上的差異導致二者的活性不同劉云等研究發現高爐鎳鐵渣礦物組成主要是硅酸二鈣和硅酸三鈣，還包含大量的玻璃體，具備制作膠凝材料的潛力；王強等研究發現電爐鎳鐵渣中除含有一定的非晶態物質，晶態物質以鎂橄欖石為主此外在鎳鐵渣資源綜合利用研究過程中，很多企業對于鎳鐵渣中的較高的MgO 含量有疑慮，認為可能增加相應制品的安定性風險，但鑒于鎳鐵渣中的MgO 都是以鎂橄欖石或尖晶石的形式穩定存在，而非以方鎂石的形式存在，難以產生類似的體積膨脹問題，因此其安定性風險也較小，相關研究人員的成果也確認了鎳鐵渣不存在安定性問題
3 鎳鐵渣資源化利用技術
3.1 水泥生產
近年來，很多固體廢棄物被大規模的應用于水泥生產，但鎳鐵渣作為水泥混合材的研究起步較晚高爐鎳鐵渣因具有潛在膠凝活性，磨細成微粉可以作為水泥活性混合材使用，例如:何型江研究表明高爐鎳鐵渣添加量為30%時，制備的水泥滿足42.5 級優質水泥，添加量為50%時，制備的水泥滿足32.5R 強度要求，且摻入高爐鎳鐵渣粉后水泥漿體安定性表現為合格；齊太山研究表明高爐鎳鐵渣易磨性較好，摻入后將降低復合膠凝材料水化放熱速率，且摻入量越大，其水化反應程度越低，但總的反應量提高，繼而水泥漿體的抗壓強度滿足標準要求電爐鎳鐵渣因潛在活性低易磨性差，細磨至微粉后可分為三個方面應用:其一，在堿激發條件下作為活性混合材使用；其二，直接作為低活性或非活性混合材使用；其三，搭配其它活性混合材使用例如:石光等研究表明電爐鎳鐵渣經過輥磨后比表面積達到300~500kg/m2，對應的28d 活性指數為70%~85%，可替代水泥含量約30%
3.2 制備混凝土
混凝土生產中，將鎳鐵渣作為混凝土摻合料和集料，可節約水泥砂石，降低生產成本，提高廢渣的利用率，具有良好的經濟和社會效益由于鎳鐵渣中的MgO多以尖晶石或鎂(鐵)橄欖石相形式存在，將其應用在混凝土領域不會引起安定性不合格的問題例如:朱恩歡等研究表明混凝土中摻入高爐鎳鐵渣粉能明顯改善其工作性能，且摻入量為25%時，所制備的混凝土28d和56d 強度高于純水泥混凝土，同時具有良好的體積穩定性和耐久性高雪峰等研究表明電爐鎳鐵渣活性低，單獨使用效果差，但將其與石膏粒化高爐礦渣共同混磨至比面積為450m2/kg 的二元復合摻合料，達到復合礦物摻合料F95 級活性要求，最佳摻量約為20%；若
其與粉煤灰和高爐礦渣混磨至比面積為450m2/kg 的三元復合摻合料，達到F90 級活性要求，最佳摻量約為30%施引珍等研究表明電爐鎳鐵渣替代天然砂作細集料時，混凝土和易性良好，提高混凝土強度，最佳摻量為30%；電爐鎳鐵渣替代碎石作粗集料時，混凝土和易性仍較好，強度提高，替代率可達100%綜合而言，在混凝土領域高爐鎳鐵渣磨至細粉作摻合料經濟效益顯著技術方案較成熟以及廢渣利用率高；電爐鎳鐵渣作混凝土復合摻合料時技術不成熟利用率低，但將其作混凝土集料時替代效果良好經濟效益明顯以及廢渣替代率高
3.3 制備新型墻體材料
利用固體廢棄物制備新型墻體材料具有高強節能環保等優點，有效減少環境污染，節省大量的生產成本，若以鎳鐵渣代替砂石或部分水泥用作骨料或膠凝材料來制備新型墻體材料，具有較高的經濟和環境效益；同時鑒于電爐鎳鐵渣中鎂含量高的特點，可用于制備鎂系耐火材料及保溫材料例如:婁廣輝等以電爐鎳鐵渣為主要原料，采用壓制成型蒸壓養護工藝制備出MU30 高強磚，且廢渣總用量達到約90%；王亞軍等以電爐鎳鐵渣和礦渣作為復合輔助膠凝材料，配以化學激發劑鈉型鈣型，在電爐鎳鐵渣和礦渣質量比為1:1，膠砂比1:3，水膠比0.5，常溫養護制備出符合MU25 等級的免燒磚蔣金海等以電爐鎳鐵渣高嶺土為主料，碳酸鈉為發泡劑，在1050~1150℃條件下燒制成鎂橄欖石- 尖晶石泡沫陶瓷，鎳鐵渣摻量可以達到50%
3.4其它應用
除上述應用外，鎳鐵渣在微晶玻璃有價金屬回收無機礦物纖維等方面也得到廣泛關注鎳鐵渣中主要成分是硅鈣鎂鋁等氧化物，是構成玻璃的有效組分，在此基礎上采用熔融析晶法制備微晶玻璃鎳鐵渣中可回收有價金屬量較少，回收成本高張文軍等在以電爐鎳鐵渣為主料，粉煤灰為輔料，制備CMAS 系微晶玻璃，主晶相為鈣長石和頑輝石，微觀結構致密，所制備的微晶玻璃抗彎強度為87.7MPa，吸水率為0.09%，其性能優于大理石等天然建材尹雪研究在電爐冶煉鎳鐵合金過程中，加入適量的CaO，以排放出的高溫鎳鐵電爐渣為原料，采用高速離心制纖設備，通過控制設備工藝參數制成無機纖維，所得纖維可用于造紙和制備保溫材料
4鎳鐵渣資源化利用存在的問題及建議
綜合現有的鎳鐵渣資源化利用研究及應用狀況，目前還是存在如下一些問題:
（1）電爐鎳鐵渣大宗資源化處理技術缺乏高爐鎳鐵渣具有較好的潛在活性和易磨性，目前的主要應用途徑是制備成微粉用于水泥和混凝土生產，基本上已經得到較為有效的處置電爐鎳鐵渣雖然有較多的研究方向，但仍沒有大宗資源化處理技術落地，目前電爐鎳鐵渣還多是堆存處理，亟待開發新的技術并實現工業化應用
（2）國內對鎳鐵渣資源化利用研究起步較晚國外對鎳鐵渣資源化研究起步于上世紀80 年代，而國內對于鎳鐵渣資源的綜合利用集中于近些年，且國內鎳鐵冶煉廠多為私營企業，科研力投入不足經驗少，對鎳鐵渣資源化利用研究重視程度低
（3）產品認可度低，工業化推進較為困難由于鎳鐵渣自身的特殊性，相對于其他傳統工業廢渣其研究較少，市場上對于利用鎳鐵渣制備的產品認可度不高，缺乏銷售渠道，導致鎳鐵渣資源化利用方案工業化推廣時市場阻力較大
鑒于上述情況，在今后的鎳鐵渣資源化技術開發過程中，應以市場為導向，綜合考慮社會效益與經濟效益，致力于可操作性強市場接受度高消納量潛力大的技術開發工作，優先考慮有大宗消納潛力的技術
5 結論
（1）鎳鐵渣按生產工藝分為高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣，電爐鎳鐵渣堆積量占鎳鐵渣總量的一半以上，其中高爐鎳鐵渣資源化利用基本實現，但電爐鎳鐵渣的資源化利用程度仍然偏低
（2）高爐鎳鐵渣具有鈣高鐵化合物低特點，晶體以硅酸二鈣硅酸三鈣尖晶石等礦物相為主，具有良好的膠凝活性和易磨性，電爐鎳鐵渣具有鈣低鎂高鐵化合物高等特點，晶體主要為鎂(鐵)橄欖石，其潛在活性低易磨性差
（3）對于鎳鐵渣開展的資源化利用技術主要包括制備水泥混凝土新型墻體材料，生產微晶玻璃無機礦物纖維，有價金屬回收等，高爐鎳鐵渣微粉技術相對成熟實現了工業化應用，但上述途徑對于電爐鎳鐵渣而言操作性不強消納量偏低，未來的鎳鐵渣資源綜合利用技術應著重于電爐鎳鐵渣，優先考慮具有低成本且消納潛力大的技術途徑，諸如機制砂新型墻體材料混凝土等應用領域
2019冶金固廢處理與利用技術國際交流大會將于8月11-13日，在湖北武漢中南花園飯店召開。本次大會將圍繞鋼渣、脫硫灰、燒結除塵灰、低活性礦渣、電解錳渣、赤泥、鎳鐵渣、銅渣、尾礦等冶金固廢的處理與利用先進適用技術、裝備以及關鍵共性技術難題展開深入交流和討論。
會議由國家建筑材料工業技術情報研究所、武漢理工大學聯合主辦，大會同期設有技術產品裝備展覽展示、生產線參觀考察、專家面對面答疑等活動。
（山東魯兆鋼鐵實業有限公司）
