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1、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-+Fe2O31525%,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
2、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
3、水硬性的高炉矿渣,每生产1吨铁产生0.31.0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
4、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。
5、,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=0.5200m,80%50 m,A=270370m2/kg(透气法),r=2.03.0,=0.61.0kg/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
6、)2+SiO2+mH2OxCaOSiO2nH2OyCa(OH)2+Al2O3+mH2OyCaOAl2O3nH2O,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
7、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7m时，粉
8、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5070%漂珠：400700kg/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
9、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
10、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
11、：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7080。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
12、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12 Geopolymers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Rafale 战斗机,图19 聚合物胶凝材料作道路修补材料,49,结 语,主要废弃物的资源化可实现钢铁、能源、建材、化工等工业的联产。物理和化学的有效激发使废弃物正在成为胶凝材料的主要组分。将其全部用来替代水泥熟料，可年减排CO2 5亿吨、SO2 40多万吨，少开采石灰石4.8亿吨。今天的废弃物必将成为明天可贵的矿产资源而受到人类的器重。,50,Thanks for your attention!,
