鎳鐵冶煉渣資源化利用技術(shù)進展及展望

馬明生， 裴忠冶

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

鎳鐵冶煉渣資源化利用技術(shù)進展及展望

馬明生， 裴忠冶

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

鎳鐵是生產(chǎn)不銹鋼的主要原料，目前主要采用回轉(zhuǎn)窯- 電爐工藝(RKEF)生產(chǎn)。RKEF工藝存在高能耗、冶煉渣量大的問題。本文介紹了NKK、Merotec等渣顯熱回收工藝及相關(guān)工藝參數(shù)；前蘇聯(lián)利用液態(tài)鎳鐵渣生產(chǎn)礦棉工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)工藝參數(shù)；以及日本、希臘及我國鎳鐵渣資源化利用研究進展。提出了我國鎳鐵渣資源化利用的研究重點和研究方向。

鎳鐵； 冶煉渣； 顯熱回收； 資源化利用

0 引言

紅土礦冶煉鎳鐵是我國近年來新興的產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過快速發(fā)展，我國的鎳鐵產(chǎn)能已位居全球首位。我國的鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)普遍存在冶煉能耗高、冶煉渣量大及冶煉渣資源化利用難的共性問題。實現(xiàn)冶煉節(jié)能和冶煉渣資源化利用是鎳鐵產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的重點攻關(guān)課題。

本文介紹了我國鎳鐵冶煉技術(shù)現(xiàn)狀，分析了冶煉能耗高、渣量大的主要原因；總結(jié)了國內(nèi)外在冶煉渣顯熱回收和資源化利用方面的研究進展；提出了實現(xiàn)鎳鐵冶煉節(jié)能、冶煉渣資源化利用的研究重點和實施手段。

1 我國鎳鐵冶煉技術(shù)現(xiàn)狀

2008年以來，我國鎳鐵行業(yè)一直保持著快速發(fā)展的勢頭。2008年我國生產(chǎn)鎳鐵(NPI)8萬t(金屬)，2013年為48萬t(金屬)[1]。我國歷年NPI金屬量和鎳總產(chǎn)量如圖1所示。由圖1數(shù)據(jù)計算得出，2008年NPI金屬量占鎳總產(chǎn)量的比例為38.6%，2013年為70.8%。

圖1 近年來我國鎳產(chǎn)量

回轉(zhuǎn)窯—電爐工藝(RKEF)是我國鎳鐵冶煉的主流工藝，與其他鎳鐵冶煉工藝相比，具有產(chǎn)能大、能耗低、生產(chǎn)連續(xù)性好、操作簡單等優(yōu)點[2]。由表1所列的典型金屬冶煉渣工藝參數(shù)可以看出，鎳鐵冶煉的渣比和單位產(chǎn)品能耗指標都遠高于其他幾種金屬[3-5]。雖然RKEF工藝有諸多優(yōu)點，但其實質(zhì)是一種高能耗、資源利用率低的冶煉工藝。

表1 典型金屬冶煉渣工藝參數(shù)

*生產(chǎn)1 t金屬鎳的能耗

紅土礦按組成上的差異分為鐵質(zhì)礦和硅鎂型礦，表2列出了這兩種礦石的化學組成和礦物組成[6-7]。鎳鐵冶煉主要使用鎳品位較高的硅鎂型紅土礦作為原料。硅鎂型礦石的有價組分鎳、鐵總和20%左右，其他80%左右的脈石成分在冶煉過程中作為渣排掉。電爐冶煉過程中絕大部分電能消耗在渣熔化上并轉(zhuǎn)化為熔渣的顯熱，而通常采用的水沖渣方式無法回收熔渣的顯熱。

表2 紅土鎳礦的組成

電爐大型化和高電壓操作是有效降低鎳鐵冶煉能耗的技術(shù)手段之一，一直以來是國內(nèi)外鎳鐵冶煉領(lǐng)域研究和開發(fā)的重點。多米尼加Falcondo冶煉廠建成的8 MW電爐在1 500 V高電壓操作條件下實現(xiàn)了噸焙砂能耗379 kWh的指標，是全球鎳鐵冶煉能耗的最佳值[4]。圖2為冶煉鎳鐵過程電爐的能耗分布比例，可以看出，71%的電爐能耗都用于熔化渣，僅有10%用于金屬還原和金屬熔化。

圖2 鎳鐵冶煉過程電爐能耗分布

2 冶煉渣顯熱和資源化研究進展

表3列出了鎳鐵渣及其他幾種冶煉渣的組成[8]。由表3可以看出，鎳鐵渣在組成上屬于高硅、高鎂渣，其他類型鐵合金渣及高爐渣都屬于高鈣、高硅鋁型渣。研究表明鎳鐵渣的結(jié)晶傾向較大，且水沖渣的玻璃態(tài)物質(zhì)含量低于高爐渣等其他冶煉渣，潛在膠凝活性差[9]。

表3 幾種典型鐵合金渣和高爐渣化學組成 %

近年來，國內(nèi)一些鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)開展了利用鎳鐵渣作水泥熟料摻和料、利用液態(tài)渣直接生產(chǎn)礦棉的探索工作。由于相關(guān)研究工作開展的時間短，研究深度不足，尚無相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化應用的報道。蘇聯(lián)、日本以及希臘等國從20世紀60年代起即開展了鎳鐵渣資源化利用研究工作，并且有部分技術(shù)應用到工業(yè)實踐。日本、瑞典及澳大利亞在渣顯熱回收技術(shù)開發(fā)方面的研究起步較國內(nèi)早，開發(fā)出了如NKK[10]、Merotec[11]等工藝，但尚無相關(guān)工藝工業(yè)化應用的報道。

2.1 冶煉渣顯熱回收研究進展

冶煉渣顯熱回收一直以來是冶金領(lǐng)域的重要研究方向之一。從20世紀60年代開始，國內(nèi)外研究人員開展了大量探索性研究工作并開發(fā)出了多種渣顯熱回收工藝。我國在渣顯熱回收方面相關(guān)研究起步較晚，目前處于實驗室研究階段[12]。

冶煉渣按冷卻方式分為緩冷工藝和快冷工藝。緩冷工藝多用于有色金屬冶煉過程中間渣處理，如銅熔煉渣緩冷是通過磨礦浮選從緩冷渣中回收銅精礦?？炖涔に囀卿撹F冶煉及鐵合金冶煉常選用的渣處理工藝。

熔渣快冷按實現(xiàn)方式分為：水碎、風碎、機械粒化三種[11]。熔渣水碎冷卻工藝具有處理能力大、設(shè)備簡單的優(yōu)點，但無法實現(xiàn)渣顯熱回收。水碎處理后的熔渣一般以非晶態(tài)物質(zhì)為主，如水碎高爐渣90%以上是非晶態(tài)物質(zhì)。經(jīng)水沖處理獲得的熔渣由于具有可觀的膠凝活性，可以作為生產(chǎn)水泥熟料的原料，是世界各國高爐渣資源化利用的主要技術(shù)手段。

為實現(xiàn)高爐渣顯熱有效回收，20世紀60年代起，日本、瑞典、英國等國開展了干式?；に嚰把b備的開發(fā)工作，相關(guān)研究先后已持續(xù)了50余年。表4列出了一些已開發(fā)出的工藝及相關(guān)參數(shù)。

日本等國開發(fā)了十幾種不同的干式粒化工藝，但這些工藝的主體思路皆是通過風冷或機械方式實現(xiàn)熔渣的快速冷卻，進而得到與水沖渣具有同樣膠凝活性的冷卻渣，并利用流化床或冷卻壁換熱等手段回收渣的顯熱。因此干式?；に囀羌骖櫧鉀Q冶煉渣顯熱回收和資源化利用這兩個問題的渣處理手段。

表4 熔渣干式粒化工藝及參數(shù)

瑞典于20世紀70年代末開發(fā)了固體渣沖擊?；に嚥⒚麨镸erotec。圖3是Merotec工藝的原理圖，該工藝利用大顆粒(>3 mm)冷渣作為介質(zhì)沖擊熱熔渣實現(xiàn)熔渣?；?，渣的顯熱在?；埠蜔峤粨Q床內(nèi)與水冷壁進行換熱，熱回收率達到65%以上。冷卻后渣粒經(jīng)過篩分并儲存于兩個料倉中，大顆粒冷渣作為返料回用。

圖4是NKK和三菱重工合作開發(fā)的鋼渣風冷?；に囋韴D[17]。該工藝利用速度為100 m/s冷卻風將1 600 ℃的熔渣噴吹成粒徑<3 mm的渣粒并吹入加設(shè)水冷卻壁的換熱室內(nèi)。高溫?；謩e在換熱室及換熱室下部的移動床中進行換熱。規(guī)模為80 t/h半工業(yè)試驗結(jié)果表明，通過換熱可以獲得15 t/h的飽和蒸汽和110 000 Nm3/h的熱空氣，?；?jīng)過換熱后最終溫度為200 ℃，總的熱回收率為41%。

圖4 NKK熔渣顯熱回收工藝流程

英國Pickering最早提出了旋杯?；に?RCA)[14]，于20世紀80年代初開展相關(guān)研究工作。旋杯?；砣鐖D5所示，熱熔渣在高速旋轉(zhuǎn)的耐火材料杯中被離心力甩出同時形成顆粒，在?；惑w中設(shè)置的兩端臺階式流化床內(nèi)通入冷風與高溫粒化渣進行換熱實現(xiàn)渣的顯熱回收。Pickering工藝總的熱回收率為59%，?；趽Q熱后溫度可降低至250 ℃。Pickering開創(chuàng)了旋杯?；に?，其后日本等國的研究者在Pickering工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了Mizuochi等工藝[15]。

圖5 旋杯粒化原理圖

在RCA工藝基礎(chǔ)上，澳大利亞國家科學組織CSIRO開發(fā)了圓盤?；?SDA)并命名為DSG工藝[19]，與RCA不同之處是采用耐熱材料制成的盤體作為離心?；b置。SDA的工藝原理如圖6所示，該工藝利用高速離心盤實現(xiàn)熔渣粒化并采用風冷換熱回收顯熱。目前，該工藝已經(jīng)完成了6 t/h的半工業(yè)裝置設(shè)計及試驗研究，并擬在2015年實現(xiàn)工業(yè)化應用。

圖6 SDA原理圖及半工業(yè)生產(chǎn)線

以上介紹的工藝都沒有實現(xiàn)真正意義上的工業(yè)化應用，主要原因有以下幾點：

(1) 裝備本身能耗高，甚至要高過從熔渣中回收到的顯熱；

(2) 換熱裝置的熱回收效率低，換熱設(shè)備的耐久性差；

(3) 裝置系統(tǒng)復雜，利用一個換熱裝置難以實現(xiàn)顯熱高效回收，多采用多級流化床或多級換熱器，系統(tǒng)復雜、控制難度大。

隨著材料技術(shù)、裝備技術(shù)不斷發(fā)展及工藝思路的不斷創(chuàng)新，以上所述的渣顯熱回收在工藝和裝備上存在的問題一定會得到有效解決。

2.2 鎳鐵渣資源化利用研究和應用現(xiàn)狀

日本、蘇聯(lián)和希臘等國在20世紀60年代開始進行冶煉渣資源化研究和工業(yè)化實踐。日本作為世界上最早開展鎳鐵冶煉生產(chǎn)的國家之一，也是世界上較早開展鎳鐵冶煉渣資源化利用研究工作的國家之一。富山冶煉廠利用鎳鐵冶煉電爐渣生產(chǎn)巖棉和化肥[23]。日向冶煉廠利用水碎處理后的鎳鐵渣作為造船廠噴砂原料，并于1966年開始生產(chǎn)具有改良老化土壤的硅鎂肥[24]。大江山冶煉廠利用鎳鐵渣作為混凝土及瀝青摻合料[25]。

蘇聯(lián)在20世紀60年代開展了液態(tài)鎳鐵渣生產(chǎn)礦棉的研究和工業(yè)實踐[26]。當時的蘇聯(lián)北方鎳公司(現(xiàn)俄羅斯諾里斯克鎳業(yè)公司)聯(lián)合蘇聯(lián)科學院庫拉分院，基輔建筑材料工業(yè)設(shè)計院和鎳設(shè)計院共同開發(fā)了鎳鐵冶煉液態(tài)渣生產(chǎn)礦棉工藝，并于1965年在伯利奇斯基礦棉廠和日托米爾礦棉廠建成生產(chǎn)線并正式投入生產(chǎn)。表5是伯利奇斯基礦棉廠和日托米爾礦棉廠利用液態(tài)鎳鐵渣生產(chǎn)的礦棉相關(guān)技術(shù)指標，可以看出各項指標均達到了當時蘇聯(lián)國家標準要求并優(yōu)于高爐渣纖維的指標。

我國利用冷態(tài)渣如高爐渣生產(chǎn)礦棉產(chǎn)品的技術(shù)和工藝相對成熟。利用熱態(tài)渣生產(chǎn)礦棉的研究起步晚，生產(chǎn)實踐研究不足。經(jīng)過計算，與沖天爐生產(chǎn)礦棉工藝相比，利用熱態(tài)渣直接生產(chǎn)礦棉可節(jié)約能耗70%[27]。蘇州鋼鐵集團是國內(nèi)最早利用熱熔渣生產(chǎn)礦棉的企業(yè)，產(chǎn)實踐表明，單位產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)沖天爐工藝分別降低55%和50%。趙景富[28]報道了利用鎳鐵渣制備無機纖維并作為造紙及保溫材料的研究成果。

萬朝均[9]進行了少摻量鎳鐵渣制備混凝土的研究工作，結(jié)果表明鎳鐵渣具有減水、增塑作用，并有助于降低普通硅酸鹽水泥混凝土體系干燥收縮效應。通過對鎳鐵渣活性研究，認為鎂高、鈣低的特點導致鎳鐵渣活性較低，穩(wěn)定性較差。

希臘在鎳鐵渣資源化方面開展了很多有意義的研究工作并進行了工業(yè)化試驗。Kirillidi[29]等開展了利用水淬鎳鐵渣制備建筑材料的研究，如利用鎳鐵渣作為細骨料制備公路路基材料，利用鎳鐵渣作為礦渣水泥摻合料、混凝土細骨、陶瓷原料、防火磚等。Dourdounis[30]開展了以鎳鐵渣為原料制備高鋁水泥的基礎(chǔ)試驗和半工業(yè)試驗研究。

表5 鎳鐵渣礦棉性能參數(shù)

地質(zhì)聚合物是一種由鋁硅酸鹽組成的無機聚合物，20世紀70年代法國人Joseph Davidovits提出了這一概念[32]。地質(zhì)聚合物可以利用火山浮石、粉煤灰、礦物廢渣、燒黏土等含有硅、鋁氧化物的原料在堿激發(fā)作用下完成硅氧四面體和鋁氧四面體聚合而成具有非晶態(tài)和準晶態(tài)特征的三維網(wǎng)絡(luò)膠凝體[33]。經(jīng)過國內(nèi)外研究人員的持續(xù)研究，地質(zhì)聚合物的反應機理不斷明晰、原料選擇范圍不斷擴展。希臘Maragkos等[33]利用Larco冶煉廠鎳鐵渣制備地質(zhì)聚合物。

3 展望

鎳鐵渣資源化利用和顯熱回收是一個系統(tǒng)性問題，從目前相關(guān)研究的基礎(chǔ)來看，我國應該從以下幾個方面進行探索和研究：

(1)探索合理的冶煉工藝。以合適品位的礦石作為原料，制定合理的產(chǎn)品方案及冶煉工藝降低冶煉渣比指標。紅土礦的組成決定了冶煉鎳鐵過程會產(chǎn)生大量的渣。礦石的Fe/Ni比對產(chǎn)品方案及冶煉工藝選擇有很大的影響。使用高Fe/Ni比礦石生產(chǎn)高品位鎳鐵，渣量一定會高于相同礦石生產(chǎn)低鎳鐵產(chǎn)出的渣量。因此，在鎳鐵冶煉生產(chǎn)中，選取合適組成的礦石作為原料并制定合理的冶煉產(chǎn)品方案，是解決冶煉渣量大的一個重要手段。

(2)加快鎳鐵渣資源化利用研究速度。我國在鎳鐵渣資源化利用方面的研究起步晚、研究基礎(chǔ)薄弱，無相關(guān)技術(shù)工業(yè)化應用。國外的相關(guān)研究起步早，前蘇聯(lián)、日本鎳鐵冶煉渣資源化利用已工業(yè)化。加快我國相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)化應用速度，需要在國內(nèi)外已有的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合我國鎳鐵渣總排放量大的特點進行有針對性研究。如在鎳鐵企業(yè)實施少量熱渣生產(chǎn)高附加值的礦物棉和冷渣作為低附加值水泥、混凝土原料的多產(chǎn)品資源化利用方案，在保證經(jīng)濟可行的基礎(chǔ)上做到渣資源化利用的最大化。

(3)突破渣顯熱回收工業(yè)化應用的技術(shù)瓶頸。目前，國內(nèi)外熔渣顯熱回收技術(shù)和裝備方面的研究仍處于工藝開發(fā)和不斷完善階段。如NKK等諸多工藝，從工藝角度來看，都是可行的，但都未實現(xiàn)工業(yè)化應用。鎳鐵渣風冷粒化后作為噴砂原料是資源化利用手段之一，這是利用了?；谟捕壬蠞M足噴砂原料的要求；從顯熱回收裝備開發(fā)角度來看，粒化渣的高硬度特性決定了換熱裝置內(nèi)壁需要具有良好的耐磨性以滿足?；拈L時間沖刷。以下幾個方面是實現(xiàn)渣顯熱回收工業(yè)化應用的研究重點：①開發(fā)顯熱高效回收工藝；②開發(fā)顯熱回收裝置中關(guān)鍵部件的新材料；③有效降低裝置本身能耗。

4 結(jié)論

借鑒鎳鐵渣資源化利用及渣顯熱回收國內(nèi)外已有的研究成果和經(jīng)驗進行系統(tǒng)的工藝研究和裝備開發(fā)工作是我國鎳鐵行業(yè)健康有序發(fā)展的保障。改進冶煉工藝、開發(fā)兼顧渣顯熱回收和資源化利用技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上形成低能耗、資源高效利用的鎳鐵冶煉集成技術(shù)體系，是解決我國鎳鐵冶煉高能耗、渣量大問題的有效手段。

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Developmentandprospectofresourceutilizationtechnologyofferronickelsmeltingslag

MA Ming-sheng, PEI Zhong-ye

The main raw material used in the production of stainless steel is ferronickel, and the key process is rotary kiln electric furnace at present. The disadvantages of RKEF process are high energy consumption and large amounts of smelting slag. The slag sensible heat recovery process of NKK and Merotec, etc. and its corresponding process parameters were presented in this paper. The corresponding process parameters of mineral-wool industrial production used liquid ferronickel slag in former Soviet Union, and the research development of ferronickel slag recycling in Japan, Greek and China were introduced. The focus and direction of research of ferronickel slag recycling in China were proposed.

ferronickel; smelting slag; sensible heat recovery; resource utilization

馬明生(1980—)，男，遼寧鞍山人，博士，從事紅土礦冶金及有色冶煉渣資源化利用方面的研究。

TF815;X756

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