镍铁渣处理及利用技术研究的专利分析

张 杰 薛曼龄 刘 猛

(1:北京市钢铁冶金节能减排工程技术研究中心 北京 100029；2：北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029)

1 前言

镍铁渣已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后的第四大冶炼渣。镍铁冶炼是冶金行业技术开发的一个重要方向，主要有高炉冶炼、电炉(矿热炉)冶炼、回转窑直接还原熔炼三种方式[1]。因国内不锈钢需求高，用高炉生产低品位镍铁仍有一定空间。以生产20%镍铁为例，镍金属的综合回收率为90%时，渣的产生量至少在91%以上，且排渣温度在1523-1626°C[2]。每年渣产量在3000万吨以上[3]，预计总排放量一亿多吨。蕴含巨大热能的镍铁渣以填埋或堆砌的方式处理，占据大量土地，损失大量能源，并造成环境问题。与其它冶金渣相比，镍铁渣有价金属回收价值低，排渣量大，已逐步成为冶金废渣处理的一大难题。国内外冶金行业对冶炼高温镍铁渣能量利用及渣处理开始作为热点研究。

本文从专利角度入手，分析镍铁渣技术领域的整体情况，总结镍铁渣技术研究现状，并对检索结果以及分析内容进行总结和思考，为技术人员研究提供一定的借鉴参考。

2 镍铁渣技术专利分析

专利数据来源于中文专利文摘数据库(CNABS)和专利之星专利检索系统(CPRS)。在数据库中对申请日在2018年10月20日前申请的镍铁渣专利以检索式方式进行了检索，检索出专利522件，经过筛选、去重、分类等处理，最终确定与镍铁渣密切相关的123件中国专利，作为分析对象。其中发明114件，实用新型9件，授权36件，驳回、撤回放弃的15件，进入公开、实质审查阶段的专利有72件。

本文基于国内专利申请情况，从总体发展态势、申请人、技术方向分布对此技术进行统计分析。

2.1专利总体年度分布

图1显示了国内与镍铁渣处理及利用相关专利申请量的年度分布情况。从图中数据可以看出，该技术始于2007年，研究起步时间较晚。在2013年前处于低位发展，是探索期。随着国内关注度的提高，从2014年申请11件专利开始，进入一个高速发展期，申请专利量猛增，近五年申请专利109件，预计未来几年，仍处于高位发展。

图1 申请专利年度分布

2.2重点申请人分布

为了明确国内该领域的技术研发的主体，整理归纳了国内重点申请人，见图2。排名列于前10名的申请人为中南大学、江苏省冶金设计院有限公司、北京科技大学、河海大学、上海中冶环境工程科技有限公司、中冶宝钢技术服务有限公司、山东理工大学、江苏融达新材料股份有限公司、济南大学、福建青拓镍业有限公司。其中高校、企业各5家，专利数量均等。重点申请人中，中南大学、江苏省冶金设备设计院有限公司申请量并居首位。申请人主要研究技术方向集中在镍铁渣中金属的回收，如镁、硅、镍等、耐火材料、 泡沫砖、胶凝材料、陶瓷砖、冶炼助剂等。

2.3技术方向分布

对分析对象按照技术方向、应用领域进行了归类、统计，见表1。从表中数据可知，镍铁渣专利技术分布于资源化综合利用和渣的处理。资源化综合利用主要研究其在建筑材料、混凝土、水泥、耐火或凝胶材料、微晶玻璃等方面的应用。渣处理为有用金属的回收、渣的研磨、输送、洗涤等工艺技术研究。

图2 重点申请人分布

在资源化综合利用方面，渣在建筑领域的应用研究最多。近两年陆续出现了在脱硫材料、石油支撑剂、渣的余能余热利用方面的应用研究。

表1 镍铁渣专利技术方向分布

3 镍铁渣利用重点技术现状

镍铁冶炼技术涵盖镍铁生产、烟气处理及余热回收、渣综合利用等，以下对镍铁渣在建筑材料、混凝土、水泥、石油支撑剂、余热利用等方面的应用进行阐述。

3.1镍铁渣在建筑材料中的应用

镍铁渣用于建筑材料的专利共计22件，其中仅5件专利授权，其余均处于公开、实质审查阶段。授权专利技术主要用于生产自保温蒸压砖、高强承载砖、镁橄榄石轻质隔热砖、透水砖等各类性质的砖。如贵州省工业固体废弃物综合利用(建材)工程技术研究中心开发的镍铁矿渣路面透水砖及其制备方法[4]，是将原料按照配比进行混合，并采用搅 拌机在30r/min的搅拌速度下搅拌均匀；再向其中加水，并控制加入的水与原料的比为0.23，继续搅拌混合3min后，再将混合料送入成型压砖机中压制成型， 其中，压制成型时，振压频率45Hz，振压时间为8s；将成型后的砖坯标准养护至28天龄期，即可得到镍铁矿渣路面透水砖成品。通过采用的原材料中掺入75～85份的镍铁矿渣，使得镍铁矿渣的资源化利用显著，节约了处理成本，有效地解决了镍铁矿渣难于处置的问题，减少了环境污染。

3.2镍铁渣生产混凝土

镍铁渣生产混凝土的专利共计11件，其中仅3件专利授权。

典型技术为金川集团股份有限公司、中国铝业郑州有色金属研究院有限公司共同开发的利用水淬镍铁渣生产混凝土的方法、扬州大学开发的掺镍渣的耐磨混凝土以及徐州经济技术开发区诚意商品混凝土有限公司开发的镍铁渣超高强混凝土及其制备方法。

其中镍铁渣超高强混凝土及其制备[5]，以镍铁渣(掺量209kg/m3，比表面积为465m2/kg)作为粗、细骨料和矿物掺合料分别替代天然的石子、砂子和部分水泥。另外，镍铁渣的减水作用改善了混凝土的和易性，坍落度明显增大；28天抗压强度可达110Mpa以上，远高于非镍铁渣混凝土。

3.3镍铁渣生产水泥

镍铁渣生产水泥的专利共计11件，其中仅2件授权。

典型技术为湖南的彭美勋发明的镍矿冶金渣的处理和利用技术[6]，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。不产生二次废料也能避免重金属淋滤扩散，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。

3.4镍铁渣制备石油支撑剂

镍铁渣用于生产石油支撑剂专利2项，均授权。

杨松开发的石油支撑剂[7]按重量百分含量主要由75%-82%镍铁渣和18%-25%软质粘土经备料、混合、造粒、烧成和筛分制备而成，原料的重量百分含量之和为100%。石油支撑剂具有密度低、耐高温、耐高压、耐腐蚀、高强度、高导流能力、低破碎率和抗热震能力高的特点；该石油支撑剂将工业废渣进行再利用，增加了资源的利用率，并有利于减轻环境污染问题；另外，该石油支撑剂制备工艺能耗小，产能大，适宜工业化生产。

洛阳理工学院和洛阳赛罗帕陶瓷科技有限公司共同开发的低密度中强度石油压裂支撑剂[8]，技术通过采用在其中加入钼矿尾矿以及氧化锰粉和镍铁渣粉构成的复合添加剂，在明显降低支撑剂密度和保持其一定强度方面取得了较好平衡，从而使研制的石油支撑剂获得了优良的综合性能，既确保了支撑剂具有可观的强度，又降低了支撑剂的烧成温度，达到了节能降耗的目的，同时也充分的利用了废弃的矿物，实现了废弃资源的再利用。

3.5镍铁渣余热回收利用

镍铁渣余热回收专利有5项，其中2项授权，1项放弃，其余2项专利均为同一技术方案的发明专利。

无锡三达环保科技有限公司开发的高炉矿热炉渣固化热高中低余热回收利用系统[9]，其技术方案的总体思路为，用转碟与风冷相结合的方法进行高炉渣处理和热能回收。系统包括高炉、矿热炉、一体宝塔式螺旋汽化渣沟出热器、旋风除尘器、翅片式余热锅炉、蒸汽包、脉冲袋滤式除尘机、蛇形管换热器、汽轮机、发电机、配电室和冷凝器，卸渣平台中心设有螺旋形结构的月牙型汽化渣沟装置。系统能够将高炉渣和镍铁熔炼矿热炉炉渣的余热回收发电，并将污染物进行除尘，既满足了环保要求，又利用炉渣产生了经济效益。

北京中冶设备研究设计总院有限公司开发的烧结矿竖式逆流余热回收装置和方法装置包括顶部入料仓、竖式逆流回收装置本体、八字分料器、冷却风再分布装置、中心布风器、十字梁、环形布风管、振动给料机、下部接料仓；工艺流程为：高温烧结矿经破碎后进入顶部入料仓，经过五个下料管进入竖式逆流换热装置本体，物料在下降过程中受八字分料器、十字梁的影响均匀下降，从竖式逆流换装置本体下部的七个出料口排出，物料由七个出料口排出后，汇入下部接料仓，混合后以一定速度排出[10]。其优点是：运行平稳可靠、漏风率低、粉尘污染小、余热资源利用率高，可用于块状钢渣、红热铁合金铸块、镍铁渣等余热回收，回收的高温余热可用于发电、冬季取暖等。

此外，值得重点关注的是镍铁渣超高强混凝土及其制备方法、镍铁矿渣路面透水砖及其制备方法两项技术，经授权后，发生了权力转移，说明企业重点以专利为核心技术开拓市场，是市场接受度较高的技术。

4 结论

通过对国内镍铁渣技术相关专利进行梳理、统计和分析，可以发现：

1) 与冶金渣中高炉渣、钢渣的综合回收技术相比，镍铁渣研究起步较晚，是近五年才开始关注的技术方向， 2017-2018年出现井喷式的专利申请量，但授权专利仅36件，72件专利处在公开或进入实质审查阶段，说明各机构刚刚开始在此领域开展竞争。因此，镍铁渣是冶金行业固废处理的一个新的研究方向，开发空间很大。

2) 镍铁渣研究机构主要集中在高等院校、企业，技术仍处于探索期，未有大规模工业化的成熟技术。企业和科研单位应强化产学研一体化意识，实现产学研企的协同创新，促进多单位合作，进行共性技术的研发和核心技术的攻关，加强全产业链的整合，加快推进技术的产业化，将技术成果转化为市场收益。

3) 镍铁渣技术开发中，渣的资源化利用、处理、金属提取是初期开展的研究方向。能源利用主要集中在生产镍铁工业炉窑的余热利用，而对镍铁渣余热利用研究很少。因此，需在镍铁渣资源化利用的基础上，进一步回收镍铁渣的热量将是重点突破的难题。此外，镍铁渣在脱硫材料、石油支撑剂方面的应用也值得深入探索。

4) 企业可依据业务发展，及时了解市场需求，抓住机遇，在固废处理领域尤其是镍铁渣方向上积极进行专利布局，把控先机，成为行业的领头军。