北科大固体废弃物资源化作业答案整理.doc

固体废物资源化作业1.谈谈你对固体废弃物资源化的初步认识。刚刚听到固体废弃物资源化这个名词，就知道这是一个对环境保护和节省能源两个领域都有很大好处的工作。固体废弃物是指人类在生产、生活过程中产生的对所有者不再具有使用价值而被废弃的固态和半固态物质。我国各个矿场、工地、钢厂等地每年都会产生很多固体废弃物，这些固体废弃物引起很大的经济损失，这些经济损失包括由于污染和灾害所造成的人身健康与伤亡损失和生态环境损失。而固体废弃物资源化具有巨大的经济效益和社会效益。不仅变废为宝而且对生态环境也有很大好处。所以这是一个利国利民的工作，我们应该投入更多的人力和物力，把相关技术发展起来，使这些固体废物的价值更加充分的发挥出来！听完老师讲课，再结合自己看的一些相关资料，我发现，我国在这一领域与发达国家存在较大的差距，不少地方或工矿企业，不是找不到适合的开发技术，就是技术或设施不过关，或者是停留在乱排乱堆的盲目状态。因此加强对固体废物资源化技术的开发研究和工程化应用，交流固体废物资源化信息，具有重要的理论价值和现实意义。2.什么是Pozzolanic Reaction？在矿业固体废弃物综合利用过程中如何充分利用Pozzolanic Reaction？Pozzolanic Reaction是指火山活性反应即nSiO2+mCa(OH)2+qH2O= nSiO2mCaO (m+q)H2O( C-S-H 凝胶 )其中C-S-H凝胶中的钙离子可被铁、镁等二价离子取代，也可被铁、铝等三价离子取代，而硅离子可被三价铝离子和三价的铁离子取代。Pozzolanic Reaction的应用：在固体废物资源化中，矿渣、赤泥以及粉煤灰的资源化都可以利用火山活性反应为原理，制成C-S-H凝胶。nSiO2mAl2O3qCaO +rCa(OH)2sH2O= nSiO2mAl2O3q(q+r)CaO(s+r)H2O （矿渣、赤泥、粉煤灰、） （含铝C-S-H凝胶）nSiO2mAl2O3 qCaO +rCa(OH)2sH2O+3mCaSO42H2O =nSiO2 （矿渣、赤泥、粉煤灰） （石膏） (q+r-3m)CaO(s+r-27m)H2O +m(3CaO Al2O33CaSO432H2O) （C-S-H凝胶） （钙矾石）为充分利用Pozzolanic Reaction，发挥水淬高炉矿渣的火山灰活性，关键在于形成粒级和活性的双重协同优化。即：最先加入尾矿颗粒，其活性最低，但被梯级混磨至最细成为小球，平均粒径5m，并含有大量亚微米-纳米颗粒；其后加入矿渣微粉，活性中等，为中球，平均粒径20m并含有大量10m以下颗粒；最后加入的是水泥熟料，活性最高，平均粒径60m，很少有10m以下的颗粒。利用这一有利反应及特点,尾矿资源利用中充分利用尾矿渣中含SiO2、CaO，再加入石灰，石膏等，让其发生火山活性反应，产生C-S-H凝胶，从而能形成致密结实的材料。 如生产硅酸盐水泥、加气混凝土、蒸压尾矿砖等。而废石同样可代替黏土生产硅酸盐水泥和低碱水泥。3.煤系固体废弃物在水泥和混凝土中的应用主要有哪些环节？主要利用了煤系固体废弃物的什么特征？其被资源化利用的原理是什么？煤矸石煤矸石制水泥环节：将原燃料按一定比例配合，磨细成生料，烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的熟料，再加入适量的石膏和混合材料（矿渣），磨成细粉而制成煤矸石水泥，即采用所谓的“二磨一烧”工艺，煅烧设备可用回转窑或立窑。特征：煤矸石能作原燃料生产水泥，是由于煤矸石和粘土的化学成分相近，代替粘土提供硅质和铝质成分。煤矸石还能释放一定热量，可代替部分燃料。煤矸石作为水泥混合材料石灰石、铁矿石、萤石、煤、粘土磨细立窑煅烧破碎成球熟 料破碎煤矸石、石膏装包机水泥贮库水泥磨煤矸石水泥利用煤矸石作水泥混合材工艺流程特征：煤矸石经自燃或人工煅烧后具有一定活性煤矸石生产特种水泥特征：利用煤矸石含A12O3高的特点环节：应用中、高铝煤矸石代替粘土和部分矾土，可以为水泥熟料提供足够的A12O3，制造出具有不同凝结时间、快硬、早强的特种水泥以及普通水泥的早强掺合料和膨胀剂。根据其成分特点可分为含有硫铝酸钙、氟铝酸钙或者两者兼有以及含有较多铝酸盐矿物（C3A、C12A7）的硅酸盐水泥熟料。粉煤灰粉煤灰代替粘土原料生产水泥特征：粉煤灰的化学成分同粘土类似，可用于代替粘土配制水泥生料。环节： 利用粉煤灰配料生产水泥的工艺流程在制备水泥生料时，应根据所用原料的化学成分，经过计算确定生料的配料方案。由于粉煤灰中氧化铝含量较高，可采用氧化硅和氧化钙含量较高，氧化铁含量较低的配料方案。用粉煤灰配料烧制的水泥熟料，质轻而且多孔，因而易磨性较好，可提高磨机的产量。粉煤灰作水泥混合材特征：粉煤灰是一种人工火山灰质材料，它本身加水后虽不硬化，但能与石灰、水泥熟料等碱性激发剂发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，因此可以用作水泥的活性混合材。环节： 利用粉煤灰作水泥混合材工艺流程利用粉煤灰作水泥混合材生产粉煤灰硅酸盐水泥与生产普通硅酸盐水泥的生产工艺相同。其主要特点是调整配料方案、控制粉煤灰掺入量、控制水泥细度。配料方案是保证熟料的矿物组成合理，正常地发挥强度的关键。在配制粉煤灰水泥时，对粉煤灰掺量的选择，应根据粉煤灰细度质量情况，以控制在2040%之间为宜。一般，超过40%时，水泥的标准稠度需水量显著增大，凝结时间较长，早期强度过低，不利于粉煤灰水泥的质量与使用效果。用粉煤灰做混合材时，其粉煤灰与水泥熟料的混合方法有两种类型：将粗粉煤灰预先磨细，再与波特兰水泥混合或将粗粉煤灰与熟料、石膏一起粉磨。粉煤灰加气混凝土（粉煤灰加气混凝土是以粉煤灰水泥、石灰为基本材料，用铝粉作发气剂，经原料磨细、配料、浇注、发气成型、坯体切割、蒸汽养护等一系列工序制成的一种多孔轻质建筑材料。）环节：按蒸汽养护压力的不同，粉煤灰加气混凝土可分为常压养护和高压养护两种生产方法。我国大多采用高压养护的方式，高压养护粉煤灰加气混凝土生产工艺和其他加气混凝土大体相同，都要经过原材料处理、配料浇注、静停切割、高压养护等几个工序，其生产工艺流程如图5-22所示。图5-22 粉煤灰加气混凝土生产工艺流程应用特征：粉煤灰加气混凝土的强度主要依靠粉煤灰中的SiO2、A12O3和水泥、石灰中的CaO在蒸汽养护的条件下进行化学反应，生成水化硅酸盐而得到。发气剂主要是铝粉，双氧水（加漂白粉）等也可作发气剂。利用锅炉渣制水泥环节：炉渣可用于制备水泥，也可作为水泥的活性混合材使用。图5-31所示为造气炉渣制水泥工艺流程，与普通水泥生产工艺流程相同。图5-31 造气炉渣制水泥工艺流程炉渣、石灰石、铁矿粉、粉煤的配比（重量百分数）为57：34：1：8。混合料短少温度为1450。4）被资源利用化的原理如下：活性效应：富含SiO2，能与氢氧化钙在常温下起化学反应，生成较稳定的水化硅酸钙，即火山灰活性反应。滚珠轴承效应：粉煤灰中含有大量的粒形完整，表面光滑，质地致密的急冷玻璃体，这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用微集料效应：粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显的改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性，能增加原始最紧密堆积，减少用水量，增加流动性。在上述的三大效应中，滚珠轴承效应是物理效应，活性效应是化学效应，而微集料效应既有物理效应又有化学效应。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大。所以我们在应用粉煤灰时应根据水泥、混凝土、粉煤灰制品的不同要求选用适宜和定量的粉煤灰。如不恰当，则会起到反作用。4、试解释干磨钢微渣粉制备微膨胀全尾矿胶结充填料的水化硬化原理、强度增长原理和微膨胀原理。游离 f-CaO 和 f-MgO 的水化生成 Ca(OH)2 和 Mg(OH)2, 并分别产生约100% 和 200% 的体积膨胀。另外，钢渣中游离 f-CaO 和 f-MgO 都有很高的结晶度， 在水化反应中活性不高，因此它们将在地下充填体中长期缓慢水化，并引起长期的微膨胀效应超细的RO相颗粒，例如亚微米及纳米颗粒，以及较粗颗粒的表面，发生水化反应是不可避免的。RO相是MgO、FeO 和 CaO 的固溶体。我们对我国多家转炉钢渣的分析结果表明，这些钢渣中的 RO 相以 MgO 为主，占 60% 以上，其次是 FeO，占 30% 以上， CaO 的含量极低。因此，极细粒 RO 相的水化也将产生Mg(OH)2 及其他水化产物，并对长期的微膨胀效应做出贡献。在充填料硬化的中后期，体系中钙矾石和C-S-H凝胶的协同生成对抑制充填体中后期自收缩或维持微膨胀，和促进强度不断增长也具有重要作用。该充填料的胶凝体系中有大量的超细矿渣颗粒。矿渣是由大量硅氧四面体与铝氧四面体连接的玻璃体，硅氧四面体与铝氧四面体无序排列，Ca2+和Mg2+等阳离子无序分布在硅氧四面体与铝氧四面体周围平衡电荷。 在充填料浆体碱性溶液的作用下，矿渣玻璃体表面的阳离子率先溶解进入溶液，剩下的硅氧四面体与铝氧四面体电荷不平衡加剧，导致铝氧四面体的铝氧键断裂，以偏铝酸根的形式从玻璃体表面溶出，并倾向于形成玻璃体表面与溶液之间的溶解平衡。当有游离石膏存在时，会发生如式（1）所示的反应：4H3AlO42-+6Ca2+6CaSO42 H2O +4OH-+44H2O 2（3CaOAl2O33CaSO432H2O）因此，在含有大量矿渣、钢渣、脱硫石膏等固体废弃物微粉的胶凝体系中，可能存在着钙矾石和C-S-H凝胶的协同生成过程。当有足够水分供给时，钙矾石的生长是一个明显的体积膨胀过程，而C-S-H凝胶的生长往往伴随着混凝土的自收缩，而这种协同生长可以在使充填体强度不断提高的同时大幅度降低充填体的自收缩，或使其继续具有微膨胀性。5、试述利用脱硫石膏对矿渣、钢渣的激发作用，生产基本不含水泥的生态型人工鱼礁混凝土的原理。原理：脱硫石膏的主要成分是CaSO42H2O，这是一种溶解度很低，并显有微弱酸性的强酸弱碱盐。钙矾石(3CaOAl2O33CaSO432H2O)是一种具有更低溶解度的复盐。当钙矾石析出时，会不断消耗溶液中的硫酸根离子，促进石膏较快溶解。也可以视为，当溶液中有Al(OH)4- 、Ca2+等离子存在时，石膏与这些离子直接结合成钙矾石，可简化为如下反应式：3CaSO42H2O+2Al(OH)4-+3Ca2+4OH-+20H2O =3CaOAl2O33CaSO432H2O 钢渣和矿渣中均含有Al2O3 和CaO，并可与溶液处于Al(OH)4- 和Ca2+及OH- 的平衡状态。当钙矾石大量形成时，消耗溶液中的Al(OH)4- 、Ca2+和OH- 等成分，破坏了溶解平衡，从而促进钢渣和矿渣中的组分不断溶解、水化，使矿渣中的硅氧四面体铝氧四面体网络体不断解聚。因此钙矾石的形成又可以促进C-S-H凝胶的不断形成，使水化过程不断深入。6、 试述拜耳法赤泥制备胶结充填采矿专用胶凝材料的基本原理。（拜耳法包括两个主要的过程，也就是拜耳提出的两项专利，一项是它发现氧化钠与氧化铝摩尔比为1.8的铝酸钠溶液在常温下，只要添加氢氧化铝作为晶种，不断搅拌，溶液中的氧化铝便可以氢氧化铝的形式从溶液中徐徐析出，直到其中氧化钠与氧化铝的摩尔比提高至6。已经析出了大部分氢氧化铝的溶液，在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水和物，这也就是利用种分母液溶出铝土矿的过程，交替使用这两个过程就能够一批批地处理铝土矿，从中得出纯的氢氧化铝产品，构成所谓的拜尔法循环。拜尔法赤泥成分非常复杂，不同铝土矿生产氧化铝后所产生赤泥成分变化很大。将赤泥与高炉水淬矿渣、脱硫石膏、水泥熟料混合配制成胶凝材料，再用这种胶凝材料与全尾砂一起配制成胶结充填料回填矿井，不但能够减少大宗固体废弃物的堆存和污染环境，而且还能提高矿产回采率30%以上，并能够避免地表塌陷。）1）良好的保水性能是由于赤泥具有极细的原始颗粒和极大的比表面积，其原始颗粒大多为亚微米至纳米级，其比表面积可高达2000m2/Kg2）赤泥和矿渣均具有火山灰反应活性，可以发生火山活性反应；3）碱激发原理:赤泥中含有大量可进行离子交换的Na,水泥熟料水化可提供大量Ca2，经离子交换后形成一定浓度的 NaOH 溶液，使pH值升高，加速矿渣的水化，促进火山灰活性反应的进行。4）复盐效应：复盐的形成过程是物质能态降低的过程，因此许多活泼的离子可以通过复盐的形成使其在水中的溶解度大幅度下降，从而被固定下来，达到增强充填料的强度和稳定性的作用。5）硅的四配位同构化效应：Ca2+、Na+等进入SiO四面体网络平衡由于铝的加入而导致的电荷不平衡现象，因而实现了对Ca2+、Na+的稳定化，提高了充填料的稳定性。7、在水泥和混凝土的产业链中，可以大宗利用尾矿和废石的环节主要有哪些？其基本原理是什么？答：1）在水泥和混凝土的产业链中，可以大宗利用尾矿和废石的环节包括一下两个方面：一是利用尾矿含铁量高的特点用尾矿代替通常水泥配方使用中的铁粉；二是用尾矿代替水泥原料的主要成分，粘土和铁粉。前者消耗的尾矿量不大，后者用量大，但一般尾矿成分不会完全符合水泥配方要求，往往需要另外配入一些成分。因而尾矿和废石可应用在以下几个方面：磁铁石英岩型尾矿制备超高强混凝土结构材料尾矿生产加气混凝土尾矿生产氯氧镁水泥轻质墙体材料尾矿、废石制备全尾矿废石骨料高性能混凝土构件2）基本原理：尾矿组分与水泥配料相近，可作为水泥原料，代替部分石灰石、粘土和铁质。废石含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，与粘土成分类似，可以代替粘土用于生产硅酸盐水泥和低碱水泥。低品位石灰石是高硅低钙的黄长石类，煤矸石为高硅高铝高岭石类。因此，这两类废石的硅含量均较高，铁含量较低，可用于生产水泥。在混凝土的制备中，尾矿可以代替砂子做细骨料，生产加气混凝土。废石可以代替石子做粗骨料。废石由600900mm鄂式破碎机粗碎，再经12502500mm惯性振动筛分级。粒度2550mm的筛上粗粒可直接作为混凝土胶结骨料或水砂充填材料使用，小于25mm的筛下细粒经棒磨机细磨，进一步分成三级：大于3mm部分返回棒磨，0.0373mm部分可作为成品砂直接供胶结充填细骨料使用。8、页岩型煤矸石的最主要矿物成分是什么？主要有哪些资源化利用途径途（发电除外）主要原理或生产工艺流程是什么？答：1）页岩型煤矸石的最主要矿物成分页岩型煤矸石主要为掘进矸或露天矿的剥离矸。掘进矸或剥离矸的主要成分变化很大，根据煤层顶底板岩性的变化，有砂岩型煤矸石，页岩型煤矸石和石灰岩型煤矸石。页岩是指粘土岩中固结成岩者，所以页岩属于粘土岩类。粘土岩性煤矸石中主要矿物组分为粘土矿物（高岭石），其次为石英、长石、云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物，此外还含有丰富的植物化石、有机质、碳质等。2）主要资源化利用途径及其主要原理或生产工艺流程煤矸石的资源化利用途径主要有：煤矸石中能源物质的回收采用煤矸石作燃料回收其中能源的工业主要有化铁（用焦炭和煤矸石的混合物作燃料化铁）、烧锅炉、烧石灰和回收煤炭。煤矸石中含有一定数量的固定炭和挥发分，可以用来代替燃料煤矸石生产建筑材料目前，煤矸石主要用于生产建筑材料和筑路回填等。煤矸石建材主要包括煤矸石砖、煤矸石骨料、煤矸石水泥、煤矸石砌块等等。煤矸石生产化工产品从煤矸石中可生产化学肥料及多种化工产品，如结晶三氯化铝、固体聚合铝以及化学肥料氨水和硫酸铵、高岭土等。其中页岩型煤矸石主要用于以下几个途径：煤矸石制砖。煤矸石可用于生产承重多孔砖、非承重空心砖和清水墙砖。煤矸石制砖需采用页岩质煤矸石，（砂质煤矸石、石灰岩类煤矸石和含铁量过高的煤矸石（Fe15%）不适合烧制砖和砌块）煤矸石烧制砖或砌块反应过程第一阶段：干燥阶段（100-200）、脱去吸附水，生坯强度提高。第二阶段：脱去结晶水及煤矸石自燃阶段（ 200-800 ）。本阶段最重要的反应： Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2+2H2O 高岭石 偏高岭石第三阶段：烧结阶段（800-1000）。如果泥料中含有石灰岩类杂质，则会发生CaCO3CaO+CO2的反应，形成石灰碎块夹杂，为石灰爆裂留下隐患。低铁页岩型煤矸石（或煤系高岭岩）经轻烧除碳和偏高岭石化后可作为生产4A沸石分子筛的原料。石灰石型煤矸石或含有石灰石夹杂的页岩型煤矸石代替粘土原料及部分石灰石原料用于配制水泥生料，即利用了其含方解石和粘土矿物高的特点，节省用于烧制水泥熟料的石灰石和粘土，又能充分利用煤矸石中所含的可燃物，达到生产水泥过程中节能的目的。9、粒化高炉矿渣主要有哪些特点？试从其产生过程、化学成分和物质结构的角度解释这些特点。答：1）特点：粒化高炉矿渣也称水渣，水渣具有潜在的水硬胶凝性能，在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂作用下可显示出水硬胶凝性能。具有很好的火山灰活性，可作为生产水泥的活性混合材。2）解释：产生过程：急冷处理，也即水淬处理，是将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却的方法，冷却后高炉渣为粒状矿渣。粒化高炉矿渣是高炉渣出炉后在大量水的作用下被急冷成的海绵状浮石类物质，水淬使熔体急速固化冷却，使其中所有化学键，特别是Si-O键 Al-O键保留了较长的长度，因此更容易断开参与化学反应，形成C-S-H凝胶或类沸石相，因此水淬高炉矿渣的玻璃化程度高，具有很高的活性。化学成分与结构特点：不同化学成分、不同矿物结构的水渣，其化学活性具有一定差异。高炉水淬矿渣中很高的CaO和MgO（二元和四元碱度均约为1）含量会使硅铝网络体的聚合度降低。硅-铝氧存在四面体网络解聚效应：矿渣超细粉与水接触后，矿渣玻璃体表面的阳离子率先溶解进入溶液，剩下的硅氧四面体与铝氧四面体电荷不平衡加剧，导致铝氧四面体的铝氧键断裂，以偏铝酸根的形式从玻璃体表面溶出，并倾向于形成玻璃体表面与溶液之间的溶解平衡。当有游离石膏存在时，会发生如下反应：4H3AlO42-+6Ca2+6CaSO42 H2O +4OH-+44H2O 2（3CaOAl2O33CaSO432H2O） 随着钙矾石的不断形成，矿渣玻璃体表面与溶液之间偏铝酸根的溶解平衡被不断打破，促进铝氧四面体不断从矿渣玻璃体表面迁移出来。铝氧四面体从矿渣玻璃体表面的迁出，破坏了硅氧四面体与铝氧四面体的连接，使矿渣玻璃体表面的硅（铝）氧四面体聚合度快速下降，残余硅氧四面体和铝氧四面体的活性大幅度提高，在富Ca2+的混凝土浆体溶液中不断形成C-S-H凝胶。因此，在含有大量矿渣、脱硫石膏等固体废弃物微粉的胶凝体系中，可能存在着钙矾石和C-S-H凝胶的协同生成过程。10、烧结法赤泥和拜耳法赤泥各具哪些特点？这些特点与其产生过程有什么关系？答：赤泥是铝土矿提炼氧化铝后剩余的残渣。1）烧结法：主要采用高硅铝土矿掺混苏打、石灰煅烧,再碱溶进行固液分离,提炼。因此，烧结法赤泥中的矿物主要来源于熟料高温反应形成的不溶性矿物和溶出过程的水化、水解产生的衍生物、水合物以及二次副反应所形成的新生矿物。烧结法的主要矿物成分是-2CaOSiO2、Na2OAl2O32SiO2nH2O、3CaOAl2O32SiO2和赤泥附液（含Na2CO3的水）。在有激发剂激发