CN105502974B - 一种镍矿冶金渣的处理和利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍矿冶金渣的处理和利用方法。本发明以回转窑‑电炉工艺（RKEF）提炼镍铁排放的镍铁渣为主要原料制备水泥，方法是先将镍铁渣与硅铝质原料及少量碱金属盐的混合物低温煅烧得到富硅物料，再在后者中按比例加入水化时释放Ca(OH)2的原料和含CaSO4的原料磨细。本发明处理镍铁渣不产生二次废料也能避免重金属淋滤扩散，且适用于各种不同矿产地的镍铁渣，可大量处理和利用规模庞大的镍矿冶金废渣，并实现增值利用。与硅酸盐水泥相比，所得水泥早强性好，长期强度能满足多数使用要求，有更高的性价比，碳排放、能耗和污染等都大幅度减小。
Description
技术领域
本发明属于固废处理和生态胶凝材料及其应用领域，特别涉及一种镍矿冶金渣的处理和利用方法。
背景技术
红土型镍矿冶金渣是指在用回转窑-电炉工艺（RKEF）提炼镍铁后排放的水淬废渣。我国的镍铁生产量已稳居世界首位，多数用RKEF工艺提炼镍铁，预测2015年年排放该种冶金废渣（通称镍铁渣）将突破1亿吨，成为除煤矸石、钢渣、赤泥外的第四大固体工业废物。与已广泛用于水泥混凝土工业的高炉铁矿渣不同，镍铁渣的化学组成中镁高，钙铝低，导致其火山灰性低，不能用作水泥和混凝土的活性混合材料，其高镁含量也妨碍直接用作水泥生料。现在处理镍铁渣的方法主要用来做矿棉和混凝土集料。矿棉用量有限，镍铁渣中高含量的玻璃相又可能引发混凝土的碱-硅反应，所以镍铁渣的处理量非常有限，大量处理仍存在严重困难。镍铁渣的堆放大量占用土地，且其中的Cr、Ni、Co等重金属还可能淋滤到水系中去而污染环境，其处理和利用已关系到镍铁冶金产业的可持续发展大计。
近年来，国际国内均有用碱性水玻璃激发固化镍铁渣的研究报导，其固化强度达到或超过硅酸盐水泥，是处理和利用镍铁渣的有效方法。但此种处理方法的工业碱掺量大，成本远超过水泥，若无国家补贴支持，经济上尚不可行。本发明用一种新的成本更低的方法处理镍铁渣，将其制备成水泥材料，能实现其在建筑工业中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种镍矿冶金渣的处理和利用方法。
本发明的技术方案为：
一种镍矿冶金渣的处理和利用方法，包括如下步骤：
（1）先准备两种原料。原料1为含有SiO2 和Al2O3的固体物质，可以是天然的岩石和矿物，也可以是人工的产物或其它固体废物，或者它们的混合物；含SiO2 和Al2O3的固体原料优选天然岩石、矿山尾矿、煤矸石、燃煤残碴、粉煤灰、陶瓷废料或冶金废碴中的一种或两种以上；原料2为含碱金属的盐，可以是钾和/或钠的氧化物、硫化物、氢氧化物、无机酸盐和有机酸盐的一种或两种以上的混合物（氧化物、氢氧化物等都不属于盐，但是为了方便表达，在此统一概括成含碱金属的盐），可以直接用工业碱，也可采用各种工业废碱以进一步降低成本。将镍矿冶金渣（或称为镍铁渣）与前述两种原料以任意方式均匀混合并研磨至细度达到200目筛余物≤10%，然后在氧化环境中于500~1000℃充分加热（这里的充分加热，对时间不明确限定，而以在该温度下的化学反应充分完成为判断依据），冷却后即得富硅物料；所述的富硅物料满足如下按质量百分比计的化学组成：
SiO2 ：44~63%，Al2O3 ：6~30%，K2O+Na2O：1~13%，其它：14~34%，所述的其它包括FeO、Fe2O3、CaO、MgO 、TiO2和SO3中的一种或两种以上；
（2）准备与水反应生成Ca(OH)2的钙碱原料和含CaSO4的石膏，与水反应生成Ca(OH)2的钙碱原料包括生石灰、熟石灰、电石渣和各种水泥熟料但不局限于此几种；含CaSO4的石膏包括天然硬石膏、石膏、半水石膏、煅烧无水石膏及化工石膏但不局限于此几种；
（3）按富硅物料/钙碱原料/石膏=50~95/5~25/0~40的比例混合均匀，以任意方式研磨至200目筛余量小于10%的细度即得水泥，比例中钙碱原料按所含CaO的质量计算，石膏按所含CaSO4的质量计算。
进一步地，所述富硅物料还包括天然或人工的火山灰性材料，当富硅物料中的硅铝含量不满足上述比例时，按需要添加，以改善水泥综合性能。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明能实现对镍矿冶金渣的一次性完全处理和利用。此发明不仅可全利用镍矿冶金渣，且可处理和利用全球范围内不同产地不同类型和经不同冶金工艺得到的镍矿冶金渣。因为该种水泥的化学组成有很大的变化范围，加上其混配原料的化学组成也可灵活调整，其技术适应性特别好，可消纳几乎全球所有镍矿冶金渣。由于水泥是大批量使用的建筑材料，社会需求量大，用此方法利用镍矿冶金渣制备水泥不会产生任何次生废渣。作为新的水泥品种，若因为无行业和国家标准而难以为市场接受时，可直接用来制备建筑砌块和泡沫混凝土等产品而实现其增值。
（2）本发明全利用镍矿冶金渣制备的水泥主要组份的烧成温度低，能耗、污染物和碳排放及成本也均低，故经济价值和社会价值均很显著。
（3）本发明所得水泥的早强性好，特别适合用来制备建筑砌块、泡沫混凝土等预制件，能显著提高生产效率。
（4）本发明所得水泥能和硅酸盐水泥复合，制备少熟料复合水泥，大幅度降低熟料掺比，从而降低水泥成本和碳排放。
（5）本发明所得水泥具有独特的复合胶凝机理，其水化物兼含非晶相、半晶相和全晶相胶凝物，能有效固化重金属元素，用该水泥做成的制品可阻止重金属淋滤造成环境污染，故适合固化通常重金属含量超标的镍矿冶金渣。
具体实施方式
下面用实施实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。
实施例中共实验了各地5种镍铁渣，共与4种硅铝质固体原料共混制备水泥，9种原料的化学全分析结果详见表1。固体原料分别初步粉碎后再加入碱一起球磨至200目筛余量少于10%的细度。分别在500~1000℃的温度区间内煅烧研磨好的粉体得到富硅物料。再按与富硅物料的比例加入钙碱物料和石膏，重新研磨至200目筛余量少于10%的细度。各实施例的具体工艺参数详见表2，表2中的份表示质量份。根据GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法检测3天和28天的强度性能，根据 HJ/T 299－2007《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》对经过28天强度检测的试块进行浸出毒性测定。强度与毒性测定数据详见表3。
表1 原料化学成分一览表 单位：wt%
| SiO2 | Al2O3 | TFe2O3 | MgO | CaO | K2O | Na2O | Cr2O3 | 烧失量 | |
| 天然岩石1 | 58.7 | 20.3 | 2.2 | 0.7 | 1.4 | 2.2 | 0.2 | 13.2 | |
| 天然岩石2 | 42.8 | 40.1 | 2.0 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 14.6 | |
| 天然岩石3 | 70.2 | 14.3 | 6.5 | 0.8 | 1.1 | 1.0 | 0.6 | 4.9 | |
| 工业废渣 | 57.8 | 35.2 | 7.8 | 1.0 | 2.2 | 2.2 | 0.2 | 1.1 | |
| 镍铁渣1 | 40.3 | 10.1 | 38.1 | 5.4 | 3.2 | 0.2 | 0.1 | 2.4 | 0.1 |
| 镍铁渣2 | 51.8 | 5.9 | 6.0 | 32.7 | 1.9 | 0.1 | 0.1 | 1.0 | 0.2 |
| 镍铁渣3 | 58.9 | 3.4 | 8.5 | 23.9 | 2.6 | 0.1 | 0.1 | 0.2 | 0.1 |
| 镍铁渣4 | 53.1 | 5.4 | 6.7 | 25.0 | 7.4 | 0.5 | 0.4 | 1.1 | 0.2 |
| 镍铁渣5 | 54.6 | 3.7 | 10.5 | 27.1 | 1.7 | 0.2 | 0.2 | 1.4 | 0.2 |
表2 各实施例工艺参数一览表
由表3中各实施例的强度性能可知，多数水泥超过PC32.5水泥的强度性能且3天强度能达到PO42.5的要求，但28天强度通常较小；当与硅酸盐水泥复合时，得到的3天强度远超PO42.5、28天强度也达到PO42.5的要求，而水泥熟料含量仅12%（见表2和表3实施例13），远低于PO42.5中熟料含量80%的下限。可见，本发明的水泥可与硅酸盐水泥复合从而能广泛用于结构工程，其它用途则以石灰代替水泥熟料便已足够。从主要重金属元素的毒性检测数据可知，所有水泥胶砂中重金属浸出指标均低于环保部的行业标准HJ/T299-2007，故该水泥做成制品后无需担心重金属扩散，可放心使用。
Claims (6)
1.一种镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）先准备两种原料，原料1为含SiO2 和Al2O3的固体物质，原料2为含碱金属的盐，将镍矿冶金渣与前述两种原料均匀混合并研磨至200目筛余物≤10%，然后在氧化环境中于500~1000℃充分加热，冷却后即得富硅物料；所述的富硅物料满足如下按质量百分比计的化学组成：
SiO2 ：44~63%，Al2O3：6~30%，K2O+Na2O：1%，其它：14~34%； 所述的其它包括FeO、Fe2O3、CaO、MgO 、TiO2和SO3中的一种或两种以上；
（2）准备与水反应生成Ca(OH)2的钙碱原料和含CaSO4的石膏；
（3）按富硅物料/钙碱原料/石膏=50~95/5~25/0~40的质量比混合均匀，以任意方式研磨至200目筛余量小于10%的细度即得水泥，质量比中钙碱原料按所含CaO的质量计算，石膏按所含CaSO4的质量计算。
2.根据权利要求1所述的镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，含SiO2和Al2O3的固体原料为天然岩石、矿山尾矿、煤矸石、燃煤残碴、粉煤灰、陶瓷废料或冶金废碴中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，所述的含碱金属的盐为钾和/或钠的硫化物、无机酸盐和有机酸盐的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，所述的与水反应能生成Ca(OH)2的钙碱原料为生石灰、熟石灰、电石渣和水泥熟料中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，所述含CaSO4的石膏为天然硬石膏、半水石膏、煅烧无水石膏及化工石膏中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的镍矿冶金渣的处理和利用方法，其特征在于，所述富硅物料还包括天然或人工的火山灰性材料。
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