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

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。

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 SiO2、Al2O3、CaO 为主，次要成分是 Cr2O3、MgO、 Fe2O3、SO3 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 SiO2、 MgO、Fe2O3 为主，次要成分是 Cr2O3、Al2O3、CaO、SO3 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。

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[7]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。

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。

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：

⑴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。

⑵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，科研力量投入不足、经验少，对镍铁渣 资源化利用研究重视程度低。

⑶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。

结论

⑴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。

⑵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。

⑶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。