工业废弃物的资源化技术.ppt

工业废弃物的资源化技术 徐德龙西安建筑科技大学 2 Content 1概述2冶金工业渣的资源化技术3粉煤灰的资源化技术4用煤矸石制取煤系高岭土的技术 3 1概述 资源节约型 环境友好型社会 循环经济 工业废弃物的资源化技术 4 我国主要工业废弃物的年排放量 钢渣0 65亿吨 年高炉矿渣1 4亿吨 年粉煤灰3 75亿吨 年煤矸石3 8亿吨 年 5 2冶金工业渣的资源化技术 2 1水硬性钢渣的资源化技术 表1钢渣与水泥熟料主要化学成分的对比 6 钢渣的碱度与主要矿物的关系 FeO Fe Fe2O3 15 25 表2钢渣的碱度与主要矿物的关系 7 钢渣资源化的主要目标 选铁回炉 胶凝材料 图1钢渣资源化的主要工艺过程 液态渣 1450 淬冷粒化 渣铁分离 细磨 建材骨料 烧结原料 改良土壤 磁选 Fe Fe 熟料粉 矿渣粉 胶凝材料 钢渣水泥 8 转筒式淬冷造粒装置 图2转筒式淬冷造粒装置 9 滚筒渣和浅盘渣的对比 图3滚筒渣和浅盘渣的对比 10 钢渣的细磨和选铁过程 图4钢渣的细磨和选铁流程图 11 不锈钢湿法选铁过程 图5不锈钢湿法选铁流程图 12 钢渣水泥的生产 首钢渣 钢渣碱度 钢渣粉细度 1 450m2 kg 2 500m2 kg 水泥熟料粉细度 300m2 kg 图6钢渣掺量与水泥石强度的关系 表3钢渣化学成分分析 13 2 2具有潜在水硬性的高炉矿渣 每生产1吨铁产生0 3 1 0吨矿渣 我国每年排出的矿渣总量约1 4亿吨 表4矿渣与水泥熟料主要化学成分的对比 14 高温矿渣的潜在活性主要取决于CaO Al2O3的含量和玻璃相的含量 一般上述量 或相 含量越多 矿渣的活性越高 矿渣中的主要活性矿物为C2AS CAS CS C2S等 故SiO2的含量越少 其活性越高 矿渣粉的活性还取决于其细度 水化反应 矿渣粉在没有激发剂的情况下一般不与水发生反应 当浆体中存在Ca OH 2或硫酸盐物质后 能生成水化硅酸钙 水化硫铝酸钙 水化铁酸钙等凝胶 15 水泥或混凝土中加入矿渣微粉的优越性 1 水灰比密实性后期强度水化热早期裂缝外界侵蚀耐久性大大提高2 浆体流动性粘度屈服应力施工难度降低 16 矿渣微粉的细度 掺量与强度的关系 细度为650m2 kg的矿渣 图7矿渣微粉的细度 掺量与强度的关系 17 矿渣微粉生产工艺的选择 表5不同工艺过程生产矿渣微粉的经济性比较 18 沙钢200万t a生产线 19 长钢150万t a生产线 20 四川川威集团100万t a矿渣水泥生产线 21 青藏铁路和大体积高层建筑 22 3粉煤灰的资源化技术 主要为火力发电厂燃煤锅炉排出的废渣 每年3 75亿吨 目前利用率为 60 大部分在灰场堆放 一小部分倒入江河湖海 据1985年统计 堆放25亿吨 占地8000公顷 23 3 1粉煤灰的化学和物理特性 表6粉煤灰的主要化学成分 形貌为球形玻璃珠 d 0 5 200 m 80 50 m A 270 370m2 kg 透气法 r 2 0 3 0 0 6 1 0kg l 图8粉煤灰原灰形貌 24 玻璃球的分类 空心玻璃球 光滑富钙 粗糙富铁 多孔玻璃球 富硅或铝 大球包小球 层层包裹 不规则的颗粒 含量比较少 图9不同形式的粉煤灰颗粒形貌 25 3 2粉煤灰的水化原理 潜在水化活性的材料 活性来自无定形的活性SiO2 高活性Al2O3 玻璃体的含量及其解聚能力 一般不与水发生反应 但在Ca OH 2或石膏溶液中却有明显的水化作用 其机理是 xCa OH 2 SiO2 mH2O xCaO SiO2 nH2OyCa OH 2 Al2O3 mH2O yCaO Al2O3 nH2O 26 影响水化的因素 激发剂浓度越高 激发作用越大 活性发挥越充分 粉煤灰磨得越细 反应界面越大 水化速度越快 石灰 水泥熟料 碱类 石膏等都可有效地激发活性铝和活性硅 27 3 3粉煤灰的资源化技术 历史 起步于上世纪50年代美国 1965年出现6家细灰公司 2002年50家大规模公司 至今连续召开几十次国际灰渣利用会议 1974年将其列为国家最丰富的第七位矿产资源 英 澳 加 1980年起作为水泥的孪生工业进行经营 中国 1950年起研究 1979年利用率 10 1995年后开始多方面应用 墙体材料 胶凝材料 路基材料 现利用率尚 60 28 粉煤灰脱炭技术 残余炭粒径较大 多孔 需水量增加 反应活性减小 外加剂消耗量增加 影响水泥和混凝土质量 图10采用静电分离方法进行粉煤灰脱炭的原理示意图 29 普通粉煤灰水泥的生产工艺 粉煤灰 40 熟料 石膏 粉煤灰水泥 普通粉煤灰水泥已成为我国五大水泥品种之一 粉磨 图11普通粉煤灰水泥生产工艺示意图 30 低热粉煤灰水泥 配比 性能低水化热 146J g 3d 188J g 7d 微膨胀 其强度可达32 5 或42 5 表7低热粉煤灰水泥的配比 31 粉煤灰的磨细 效果将粉煤灰磨细至平均粒径为7 m时 粉煤灰呈现硅灰的性质 用其等量替代20 的水泥熟料后 可使混凝土的强度提高25 以上 尤其使抗折强度明显增强 且后期强度很高 生产技术将粉煤灰用熟料或矿渣粉均匀混合后 用立磨粉磨 具有系统简洁 助磨效果好 电耗很低 过程干净的优点 32 各种珠体的分选 磁珠 Fe3O4 磁选 含铁量为50 70 漂珠 400 700kg m3 用作隔热材料或各种添料沉珠 浮选时沉在水底 为实心珠或石英单体 耐磨 强度高 可用于生产胶凝材料和填料 33 我国粉煤灰总贮存量已超过30亿吨 严重地影响环境 气候和生态 将其彻底资源化仍任重道远 34 4煤矸石的资源化技术 矸石 原煤 15 每年3 8亿吨 全国矸石堆山1500座 40亿吨 占地1 2万公顷释放CO SO2 CO2和大量粉尘 污染水 35 成熟的矸石利用技术 用矸石生产烧结砖并替代部分燃料用矸石生产陶粒等轻骨料 用矸石替代部分水泥粘土质原料或少量混合材 用作筑路 矿井等的充填材料 技术含量低 产品利用价值低 利用率有限 36 4 1煤矸石的物理化学性质 碳质泥岩 碳质页岩 碳质沙岩 泥质页岩 沙岩 石灰岩等组成 矿物组成 高岭石 水云母和绿泥石等粘土矿物 高岭土类的非金属矿产资源 表8煤矸石的主要化学成分 37 高岭石为主的粘土类矿产的特点和用途 物理特性 可塑性 粘结性 耐火性 化学稳定性 用途 陶瓷及其釉料 纸张的充填料 粘土质耐火材料 油漆涂料的骨料 橡胶塑料的充填料 石油化工中的滤料或吸附剂等 我国每年从国外进口高档次高岭土约100万吨 38 4 2煤系高岭土的生产新工艺 我国煤系高岭土生产现状及存在问题起步晚 20世纪90年代 1998年开始生产双90产品 生产工艺繁复落后 10道工序 能耗高 产品质量不稳定 活性差 关键 粉磨 煅烧技术落后 39 新型高压立式挤压粉磨工艺 图12新型高压立式挤压粉磨工艺 40 用立磨制备原料 制成产品的试验结果 表9用高压立磨粉磨煤矸石的能耗试验结果 图14终粉磨试样 产品 的粒度分布 图13终粉磨试样 原料 的粒度分布 41 悬浮态快速煅烧煤矸石新工艺 煅烧 气固两相间 或固体内 传热 传质 反应的耦合过程 表10堆积态和悬浮态下气固相之间的换热参数对比 42 悬浮态煤矸石煅烧新工艺的示意 优点平推流 煅烧均匀 煅烧速度高 产品活性大 过程向可逆逼近 热效率高 易大规模生产 高固气比悬浮预热器系统 悬浮煅烧炉 悬浮冷却系统 图15悬浮态煤矸石煅烧新工艺 43 新工艺的全套流程 图16新煅烧工艺流程图 44 4 3地质聚合物 Geopolymers 胶凝材料的研究 悬浮态高温快速生产的高岭石细粉中的主要成分是高活性的SiO2和Al2O3 它们在细粉中的总含量为70 80 正如前面所示 这些细粉不仅可象粉煤灰一样作为混凝土的重要组分 而且在某些激发剂的作用下可形成凝胶 称为地质聚合物胶凝材料 聚合原理 说法各异 经快速煅烧所得的偏高岭土是一种由不定形的 SiO4 四面体和 SiO6 八面体组成的层状结构 当加入碱液后 在化学能的作用下 这种层状结构中的Si O Si或Si O Al键会打开 形成低聚合度的物质 经重组和缩聚后 形成Si O四面体和Al O四面体的共氧连接而成的三维网状结构的聚合物 其它的阳离子 Na K Ca2 H3O 则在该网状结构的空腔中平衡四配位的Al3 的负电荷 45 地质聚合物胶凝材料的网状结构 图17地质聚合物胶凝材料的网状结构 46 地质聚合物材料的力学性能 表11地质聚合物材料的力学性能 47 Geopolymers与水泥的性能比较 表12Geopolymers与水泥的性能比较 48 Geopolymers的工程应用实例 图18部分部件采用聚合物胶凝材料的法国