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镍铁渣资源化综合利用现状研究

作者: 来源: 日期:2019/8/14 11:06:51

镍铁渣资源化综合利用现状研究

摘要:镍铁渣是冶炼镍铁合金产生的工业固体废弃物,镍铁合金火法冶炼工艺主要包括高炉冶炼和电炉冶炼,产生的废渣分别对应高炉镍铁渣和电炉镍铁渣。本文分析了两类镍铁渣化学成分和矿物组成的差异性,总结了两类镍铁渣在水泥、混凝土、新型墙体材料及其它领域的综合利用情况,并剖析镍铁渣资源化利用中存在的问题。

关键词:镍铁渣;水泥;混凝土;存在问题

1 引言

目前,我国红土镍矿火法冶炼镍铁合金工艺主要包括高炉冶炼和电炉冶炼高炉实质是一个炉料下降煤气上升两个逆向流动的反应器,冶炼过程以煤为燃料,排放出大量的CO2,严重污染大气环境,逐渐被淘汰,适用于中低镍铁合金(Ni<10%)电炉冶炼以电为主要能源,排放出的CO2 含量较少,符合环保和循环经济要求,逐步成为我国主要镍铁合金火法冶炼工艺,适用于冶炼高镍铁合金(10%<Ni<25%)两者冶炼工艺的原料体系和冶炼流程区别很大,产生水淬渣的化学成分与基本性能差别很大,区分为高炉镍铁渣和电炉镍铁渣;其中一个显著差别在于钙含量,高炉镍铁渣的钙含量远高于电炉镍铁渣

据有关统计,镍铁渣年排放量约3000 万吨,已成为我国继铁渣钢渣赤泥之后的第四大冶炼渣,总资源化利用率仅为8%~15%;绝大部分被填埋或露天堆放,占据大量土地,危害周边生态环境,也对镍铁冶炼企业的可持续发展造成了影响当前,镍铁渣综合利用方向大致可分为:作为水泥混合材制备水泥;作为掺合料和集料制备混凝土;制备新型墙体材料,生产微晶玻璃等其它应用但在综合利用过程中并未根据镍铁渣基本特性进行区分,缺乏针对性,导致镍铁渣利用率较低本文总结了高炉镍铁渣和电炉镍铁渣的化学成分矿物组成及应用特性,并概括两者在水泥混凝土新型墙体材料及其它领域的利用现状,分析镍铁渣资源化利用中存在的问题

2 镍铁渣性能特点

2.1 化学成分

高炉镍铁渣和电炉镍铁渣化学成分中氧化物种类相似,但各氧化物含量却明显不同高炉镍铁渣中化学成分以SiO2Al2O3CaO 为主,次要成分是Cr2O3MgOFe2O3SO3 等,属于SiO2-Al2O3-CaO 系,CaO 含量一般在20%左右,铁化合物含量较低,具有明显的钙高铁低特点,有一定的潜在活性电炉镍铁渣中化学成分以SiO2MgOFe2O3为主,次要成分是Cr2O3Al2O3CaOSO3等,属于SiO2-MgO-Fe2O3 系,相比较于高炉镍铁渣,其最大的特点是MgO 含量高达20%CaO 含量较低(≤10%),铁化合物含量较高,具有明显的镁高铁高钙低特点,导致其有潜在活性低易磨性差利用成本高两类镍铁渣化学成分具体见表1

表1 两类镍铁渣化学成分



 






2.2 矿物组成及安定性问题

高炉镍铁渣和电炉镍铁渣水淬冷却过程中均析出较多的玻璃体,属于潜在活性成分,不同之处在于二者中的晶体组分,高炉镍铁渣析出晶体以硅酸二钙硅酸三钙尖晶石等矿物相为主,其中硅酸二钙硅酸三钙属于由高活性矿物组分,电炉镍铁渣析出晶体主要为镁(铁)橄榄石,其活性较低,综合而言矿物组成上的差异导致二者的活性不同刘云等研究发现高炉镍铁渣矿物组成主要是硅酸二钙和硅酸三钙,还包含大量的玻璃体,具备制作胶凝材料的潜力;王强等研究发现电炉镍铁渣中除含有一定的非晶态物质,晶态物质以镁橄榄石为主此外在镍铁渣资源综合利用研究过程中,很多企业对于镍铁渣中的较高的MgO 含量有疑虑,认为可能增加相应制品的安定性风险,但鉴于镍铁渣中的MgO 都是以镁橄榄石或尖晶石的形式稳定存在,而非以方镁石的形式存在,难以产生类似的体积膨胀问题,因此其安定性风险也较小,相关研究人员的成果也确认了镍铁渣不存在安定性问题

3 镍铁渣资源化利用技术

3.1 水泥生产

近年来,很多固体废弃物被大规模的应用于水泥生产,但镍铁渣作为水泥混合材的研究起步较晚高炉镍铁渣因具有潜在胶凝活性,磨细成微粉可以作为水泥活性混合材使用,例如:何型江研究表明高炉镍铁渣添加量为30%时,制备的水泥满足42.5 级优质水泥,添加量为50%时,制备的水泥满足32.5R 强度要求,且掺入高炉镍铁渣粉后水泥浆体安定性表现为合格;齐太山研究表明高炉镍铁渣易磨性较好,掺入后将降低复合胶凝材料水化放热速率,且掺入量越大,其水化反应程度越低,但总的反应量提高,继而水泥浆体的抗压强度满足标准要求电炉镍铁渣因潜在活性低易磨性差,细磨至微粉后可分为三个方面应用:其一,在碱激发条件下作为活性混合材使用;其二,直接作为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:石光等研究表明电炉镍铁渣经过辊磨后比表面积达到300~500kg/m2,对应的28d 活性指数为70%~85%,可替代水泥含量约30%

3.2 制备混凝土

混凝土生产中,将镍铁渣作为混凝土掺合料和集料,可节约水泥砂石,降低生产成本,提高废渣的利用率,具有良好的经济和社会效益由于镍铁渣中的MgO多以尖晶石或镁(铁)橄榄石相形式存在,将其应用在混凝土领域不会引起安定性不合格的问题例如:朱恩欢等研究表明混凝土中掺入高炉镍铁渣粉能明显改善其工作性能,且掺入量为25%时,所制备的混凝土28d和56d 强度高于纯水泥混凝土,同时具有良好的体积稳定性和耐久性高雪峰等研究表明电炉镍铁渣活性低,单独使用效果差,但将其与石膏粒化高炉矿渣共同混磨至比面积为450m2/kg 的二元复合掺合料,达到复合矿物掺合料F95 级活性要求,最佳掺量约为20%;若

其与粉煤灰和高炉矿渣混磨至比面积为450m2/kg 的三元复合掺合料,达到F90 级活性要求,最佳掺量约为30%施引珍等研究表明电炉镍铁渣替代天然砂作细集料时,混凝土和易性良好,提高混凝土强度,最佳掺量为30%;电炉镍铁渣替代碎石作粗集料时,混凝土和易性仍较好,强度提高,替代率可达100%综合而言,在混凝土领域高炉镍铁渣磨至细粉作掺合料经济效益显著技术方案较成熟以及废渣利用率高;电炉镍铁渣作混凝土复合掺合料时技术不成熟利用率低,但将其作混凝土集料时替代效果良好经济效益明显以及废渣替代率高

3.3 制备新型墙体材料

利用固体废弃物制备新型墙体材料具有高强节能环保等优点,有效减少环境污染,节省大量的生产成本,若以镍铁渣代替砂石或部分水泥用作骨料或胶凝材料来制备新型墙体材料,具有较高的经济和环境效益;同时鉴于电炉镍铁渣中镁含量高的特点,可用于制备镁系耐火材料及保温材料例如:娄广辉等以电炉镍铁渣为主要原料,采用压制成型蒸压养护工艺制备出MU30 高强砖,且废渣总用量达到约90%;王亚军等以电炉镍铁渣和矿渣作为复合辅助胶凝材料,配以化学激发剂钠型钙型,在电炉镍铁渣和矿渣质量比为1:1,胶砂比1:3,水胶比0.5,常温养护制备出符合MU25 等级的免烧砖蒋金海等以电炉镍铁渣高岭土为主料,碳酸钠为发泡剂,在1050~1150℃条件下烧制成镁橄榄石- 尖晶石泡沫陶瓷,镍铁渣掺量可以达到50%

3.4其它应用

除上述应用外,镍铁渣在微晶玻璃有价金属回收无机矿物纤维等方面也得到广泛关注镍铁渣中主要成分是硅钙镁铝等氧化物,是构成玻璃的有效组分,在此基础上采用熔融析晶法制备微晶玻璃镍铁渣中可回收有价金属量较少,回收成本高张文军等在以电炉镍铁渣为主料,粉煤灰为辅料,制备CMAS 系微晶玻璃,主晶相为钙长石和顽辉石,微观结构致密,所制备的微晶玻璃抗弯强度为87.7MPa,吸水率为0.09%,其性能优于大理石等天然建材尹雪研究在电炉冶炼镍铁合金过程中,加入适量的CaO,以排放出的高温镍铁电炉渣为原料,采用高速离心制纤设备,通过控制设备工艺参数制成无机纤维,所得纤维可用于造纸和制备保温材料

4镍铁渣资源化利用存在的问题及建议

综合现有的镍铁渣资源化利用研究及应用状况,目前还是存在如下一些问题:

(1)电炉镍铁渣大宗资源化处理技术缺乏高炉镍铁渣具有较好的潜在活性和易磨性,目前的主要应用途径是制备成微粉用于水泥和混凝土生产,基本上已经得到较为有效的处置电炉镍铁渣虽然有较多的研究方向,但仍没有大宗资源化处理技术落地,目前电炉镍铁渣还多是堆存处理,亟待开发新的技术并实现工业化应用

(2)国内对镍铁渣资源化利用研究起步较晚国外对镍铁渣资源化研究起步于上世纪80 年代,而国内对于镍铁渣资源的综合利用集中于近些年,且国内镍铁冶炼厂多为私营企业,科研力投入不足经验少,对镍铁渣资源化利用研究重视程度低

(3)产品认可度低,工业化推进较为困难由于镍铁渣自身的特殊性,相对于其他传统工业废渣其研究较少,市场上对于利用镍铁渣制备的产品认可度不高,缺乏销售渠道,导致镍铁渣资源化利用方案工业化推广时市场阻力较大

鉴于上述情况,在今后的镍铁渣资源化技术开发过程中,应以市场为导向,综合考虑社会效益与经济效益,致力于可操作性强市场接受度高消纳量潜力大的技术开发工作,优先考虑有大宗消纳潜力的技术

5 结论

(1)镍铁渣按生产工艺分为高炉镍铁渣和电炉镍铁渣,电炉镍铁渣堆积量占镍铁渣总量的一半以上,其中高炉镍铁渣资源化利用基本实现,但电炉镍铁渣的资源化利用程度仍然偏低

(2)高炉镍铁渣具有钙高铁化合物低特点,晶体以硅酸二钙硅酸三钙尖晶石等矿物相为主,具有良好的胶凝活性和易磨性,电炉镍铁渣具有钙低镁高铁化合物高等特点,晶体主要为镁(铁)橄榄石,其潜在活性低易磨性差

(3)对于镍铁渣开展的资源化利用技术主要包括制备水泥混凝土新型墙体材料,生产微晶玻璃无机矿物纤维,有价金属回收等,高炉镍铁渣微粉技术相对成熟实现了工业化应用,但上述途径对于电炉镍铁渣而言操作性不强消纳量偏低,未来的镍铁渣资源综合利用技术应着重于电炉镍铁渣,优先考虑具有低成本且消纳潜力大的技术途径,诸如机制砂新型墙体材料混凝土等应用领域

2019冶金固废处理与利用技术国际交流大会将于8月11-13日,在湖北武汉中南花园饭店召开。本次大会将围绕钢渣、脱硫灰、烧结除尘灰、低活性矿渣、电解锰渣、赤泥、镍铁渣、铜渣、尾矿等冶金固废的处理与利用先进适用技术、装备以及关键共性技术难题展开深入交流和讨论。


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