皮江煉鎂工業廢渣綜合利用現狀與展望★

郭麗娜， 趙 晶， 李香平， 李生虎

（太原理工大學材料科學與工程學院， 山西 太原 030024）

1987 年起，皮江煉鎂在我國開始工業化生產。由于皮江煉鎂工藝產品成本低、設備投入少，因此，皮江煉鎂企業在我國得到迅速發展。但皮江法也是能源與自然資源密集型生產工藝，每生產1 t 成品鎂，將會排出6.5～8.0 t 的廢鎂渣[1]。目前，大部分冶煉廠將鎂渣傾倒在荒地或者填埋山洼，大量堆積的廢棄鎂渣，不僅浪費了寶貴的土地資源，也給環境帶來了巨大的負面影響。因此，鎂渣資源化既是保護環境的迫切需求，也是創造經濟價值的一條途徑，鎂渣的合理利用關系到鎂產業能否實現可持續發展的戰略目標。因此，本文綜述了皮江煉鎂工業廢渣的生成、特性，以及目前資源化利用研究現狀，并對其未來進行了展望，為皮江煉鎂工業廢渣綜合利用提供必要的依據和參考。

1 鎂渣的成分

皮江法煉鎂屬于熱法煉鎂，它以煅燒白云石為原料，硅鐵為還原劑，螢石為礦化劑，其還原生產基本原理如下所示：

2MgO·CaO（s）+Si（s）→2Mg（g）+Ca2SiO4(s)根據硅熱法煉鎂生產工藝，制得金屬鎂的同時生成了大量的鎂渣。表1 為某廠鎂渣的主要化學成分。

表1 鎂渣的化學成分表 %

由表1 可知，煉鎂得到的還原渣中主要成分為硅酸二鈣β-2CaO·SiO2（s）[2]。在還原罐內1 473 K 的條件時，硅酸二鈣以β-2CaO·SiO2形式存在；還原結束扒渣時，硅酸二鈣在冷卻降溫時會發生物相轉變，在798 K 時發生β 相到γ-2CaO·SiO2相的相轉變，同時也伴隨著接近12%的體積改變，也就是鎂渣在冷卻時會粉化，發生體積膨脹。

2 鎂渣的特性

鎂渣冷卻時發生相變且伴隨體積變化，為很好地治理利用皮江煉鎂廢渣，很多學者研究了冷卻過程中渣的理化特性，為鎂渣綜合利用提供理論依據。

嵇鷹[3]采取控制風速冷卻法處理出爐鎂渣制備出三種冷卻速率下的鎂渣，用以研究鎂渣冷卻速率對其物化性能影響。通過三種冷卻速率鎂渣對比分析發現冷卻速率快可顯著增大鎂渣的水化活性，提高鎂渣強度，減小鎂渣自身的膨脹效果；且隨冷卻速率加快，鎂渣水化試樣由向外膨脹行為逐漸表現為內部的自密實過程，這種自密實過程表現在鎂渣樣孔尺寸的不斷減小甚至完全消失。徐祥斌[4]對鎂渣的熱容、松裝密度、真密度、粒度分布及其化學組成進行測試，得到鎂渣相應的基礎數據，為工程設計以及進一步研究提供參考。

3 鎂渣綜合利用

3.1 水泥混合材

鎂渣具有一定的火山灰活性，可以用作水泥的混合材料。鎂渣代替部分石灰石和黏土，提供水泥熟料中的CaO 和SiO2，利用鎂渣中含有氟等微量組分，用作水泥熟料煅燒時的礦化劑；鎂渣的潛在活性作為水泥混合材，可生產復合硅酸鹽水泥。彭小芹[5]以鎂渣作為水泥混合材配制了鎂渣硅酸鹽水泥，研究發現，鎂渣作為水泥的混合材具有一定的減水緩凝效果；鎂渣摻量在10%～30%范圍內時，水泥樣品符合通用硅酸鹽水泥42.5R 級的標準，摻量為35%～40%符合32.5R 型復合硅酸鹽水泥的要求；鎂渣摻量為30%～40%時對水泥砂漿的干燥收縮有抑制作用。彭小芹研究還發現鎂渣能夠抑制高堿性的水化硅酸鈣生成，消耗水泥熟料水化生成的鈣礬石，同時鎂渣在一定程度上可促進水化產物的生成，使水泥漿體結構更加致密。

利用工業鎂渣生產水泥不僅可以解決環境污染問題，還能提高水泥產量和降低水泥生產成本。

3.2 脫硫劑

樊保國[6]利用鎂渣和粉煤灰的水合反應，制備了可用于循環流化床鍋爐的脫硫劑，并進一步分析了脫硫劑孔結構分形維數對脫硫能力的影響。研究結果表明，水合作用可提高鎂渣比表面積，分形維數2.595 時，脫硫反應的鈣轉化率達到最大值；從而達到較好的脫硫效果，為在循環流化床鍋爐中應用鎂渣作為脫硫劑提供了重要的依據。

有學者研究發現，熾熱鎂渣激冷水合處理后脫硫能力提高，韓飛[7]進一步分析了激冷水合過程中鎂渣晶體結構與鎂渣脫硫活性的關系。結果表明：隨鎂渣激冷溫度升高，β-C2S 增加，促進了具有發達孔隙結構的C-S-H 生成，提高了物理吸附能力；晶粒細化程度增大，γ-C2S 晶胞參數變化引起的晶格缺陷增多，增強了化學吸附能力。

3.3 膠凝材料

利用鎂渣的自身膨脹來抵消水泥基膠凝材料的自身收縮行為，不僅使得鎂渣能得以利用，同時還能改善膠凝材料的自收縮危害。

肖力光[8]配制了鎂渣膠凝材料，并探討了鎂渣摻量、物料粉磨工藝、輔助激發劑復摻對鎂渣膠凝材料強度的影響。研究表明：當鎂渣與礦渣摻量相等時，鎂渣膠凝材料有較好的強度；“先混后磨”工藝所制備的鎂渣膠凝材料強度更高；復摻水玻璃、硫酸鈉、石膏三種輔助激發劑后，鎂渣膠凝材料強度性能達到32.5 強度等級復合水泥標準要求。

3.4 新型墻體材料

趙愛琴[9]利用鎂渣研制新型墻體材料，制得的墻體材料密度小、強度高、耐久性好，其各項指標均達到有關技術標準。

肖力光[10]利用自主研發的鎂渣膠凝材料[8]作為膠結料，與EPS 超輕集料及其它外加劑制成具有優良性能的墻體材料，并進一步研究了各種因素對墻體材料性能的影響，確定了利用鎂渣膠凝材料與EPS 制成墻體材料的最佳配方，檢測發現墻體材料28d 抗壓強度達6.5 MPa，-25～25 ℃條件下25 次凍融循環后質量損失小于l%，強度損失為10%，表明該墻體材料輕質、高強、耐久性好。

3.5 陶粒支撐劑

近年來，很多學者研究發現，工業廢棄物鎂渣可以代替La2O3，Cr2O3和TiO2作為輔料來制備陶粒，探索出一條利用鎂渣廢棄物的新途徑。

郝惠蘭[11]以山西陽泉鋁礬土和煤矸石為主要原料，工業廢棄物鎂渣為添加劑，在1 180～1 350 ℃下燒結制備陶粒支撐劑。研究表明，在不同燒結溫度下，制得的陶粒支撐劑，其各項性能均符合行業標準要求。

田玉明[12]進一步分析了添加鎂渣對陶粒支撐劑物相、顯微形貌以及制備工藝中的資源、能源消耗的影響。研究發現，鎂渣與原料中的一些氧化物在高溫下形成了液相，使得陶粒具有更好的力學性能；添加鎂渣后，不僅降低了陶粒的燒結溫度，還能夠利用皮江煉鎂廢渣，產生良好的經濟效益。實驗得出的數據為工業生產作業提供了參考。

以工業廢棄物鎂渣取代傳統添加劑，在保證陶粒支撐劑性能的同時，顯著降低了陶粒成本，是鎂渣資源化的新途經。

4 展望

目前，國內外專家學者對皮江煉鎂廢渣再利用方面做了大量探索性研究，但均停留在試驗研究階段，沒有形成產業化，無法真正意義上實現鎂渣的零排放、無污染。隨著全球環境問題的日益重視，國家應該從政策和資金上對鎂渣研究開發給予一定的扶持，鎂企業應該發揮自身市場優勢，聯合高校或科研院所，借助其科研優勢，展開產學研合作，實現科研成果向市場轉變，最終實現商品化，真正從根本上解決鎂渣環境污染問題。