冶金工业固体废物的资源化

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1、第十一章 冶金工业固体废物的资源化,2,目录,高炉渣的资源化 钢渣的资源化 赤泥的资源化 铜渣的资源化,有色金属渣,炼铁过程,3,11.1冶金工艺概述,4,冶金工业分类法,除铁、铬、锰三种金属以外 的所有金属。,有色金属,5,(1)有色轻金属：指密度小于4.5g/cm3的有色金属，有铝、镁、钙等及其合金；(2)有色重金属：指密度大于4.5g/cm3的有色金属、有铜、镍、铅、锌、锡、锑、钴、铋、镉、汞等及其合金；(3)贵金属：指矿源少、开采和提取比较困难、价格比一般金属贵的金属，如金、银和铂族元素及其合金；,6,(4)半金属：指物理化学性质介于金属与非金属之间的硅、硒、碲、砷、硼等，也有人将硼、

2、碳、砹、钋划入半金属，所有半金属元素都呈现金属光泽；(5)稀有金属：指在自然界中含量很少、分布稀散或难以提取的金属，稀有金属又分为钛、铍、锂、铷、铯等稀有轻金属；钨、钼、铌、钽、锆、钒等稀有高熔点金属；镓、铟、铊、锗等稀有分散金属；钪、钇和镧系元素等稀土金属；镭、锕系元素等稀有放散性元素。,7,11.2 冶金固体废物,冶金固体废物是指在冶金生产过程中所排放的暂时没有利用价值而被丢弃的固体废物。 按照中华人民共和国固体废物污染环境防治法，固体废物分为城市垃圾、工业固体废物和危险废物三类。,8,2006年我国工业固体废物排放情况如下：工业固体废物产生量（万t） 151 541.4工业固体废物综合利

3、用量（万t） 92 601.0工业固体废物综合利用率(%) 59.6工业固体废物贮存量（万t） 22 398.1工业固体废物处置量（万t） 42 883.0工业固体废物排放量（万t） 1 302.1“三废”综合利用产品产值（亿元） 1026.8,我国固废的排放及利用状况,9,冶金固体废物分类,(1)矿业固体废物 (2)钢铁冶金工业固体废物 (3)有色金属工业固体废物,10,11.3冶金固体废物分类,(1)矿业固体废物（见上一章）,11,(2)有色金属工业固体废物 有色金属工业有害固体废物：则是指具有浸出毒性、腐蚀性、放射性和急性毒性四种中的一种或一种以上的固体废物，及列入表3 -24的固体废物

4、。,12,(3) 钢铁冶金工业固体废物主要是炼铁、炼钢冶炼过程中排出的废渣，这些废渣可以统称冶金渣。,13,冶金废渣,冶金废渣是指冶金工业生产过程中产生的各种固体废弃物。 主要指炼铁炉中产生的高炉渣；钢渣； 有色金属冶炼产生的各种有色金属渣，如铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等； 从铝土矿提炼氧化铝排出的赤泥以及轧钢过程产生的少量氧化铁渣。,14,高炉渣的资源化 钢渣的资源化 赤泥的资源化 铜渣的资源化,有色金属渣,炼铁过程,重点讲述以下四种冶金废渣的资源化,15,11.4 高炉渣的资源化（重点）,11.4.1 来源及成分高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废物，当炉温达到14001600时，炉料熔融，矿石

5、中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面的熔渣。高炉渣中主要成分为CaO、SiO2、Al2O3。,16,11.4.2 高炉渣分类,按冶炼生产方法可分为：铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣、特种生铁矿渣。 按化学成分可以分为：碱性矿渣 ，中性矿渣 ，酸性矿渣。 按物理性质及形态可分为：急冷矿渣；粒状矿渣、浮石状或球状矿渣；慢冷矿渣；块状矿渣、粉状矿渣。,17,高炉矿渣的性能取决于高温熔渣的处理方法。 对高炉熔渣通常用急冷法、慢冷法和半急冷法三种方法处理，便得到了三种性能不同的高炉矿渣： 水淬渣(granulated blastfurnace slag)

6、 块矿渣(granular ore slag) 膨胀矿渣（expanded slag）,18,(1) 水淬渣(granulated blastfurnace slag),用水、压缩空气或蒸汽对熔渣进行快速冷却处理，通常用水冷，使矿渣与水激烈混合急冷成粒状或海绵状浮石类物质,故又叫粒化矿渣。在急冷过程中，熔渣中的大部分组分来不及结晶而呈玻璃态保留下来，只有少部分形成稳定晶体。 对于碱性水淬渣，主要结晶相为碱性高炉水淬渣，具有良好的活性。 对于酸性熔渣由于A12O3含量高,粘度大,在水淬急冷时,熔渣易于形成玻璃态物质，因此，酸性水淬渣也具有良好的活性。 熔渣中的MgO能降低其粘度，在水淬急冷时易于

7、进入玻璃体，对水淬渣活性有利。 熔渣中的MnO不利于玻璃体的形成，因此对水淬渣活性有不良影响。,19,(2) 块渣(Granular ore slag),块渣的矿物成分和物理性能 块渣的矿物成分明显地不同于水淬渣，由于缓慢冷却，化学组分大多已析晶，主要矿物有黄长石(2070)，CS(1040)，C2S(2050)，辉石、FeS、MnS、CaO、玻璃体(35)，绝大多数不具有活性。CS:CaOSiO2 硅酸钙 C2S:2CaOSiO2硅酸二钙 C3S:3CaOSiO2硅酸三钙 块渣的分解 块渣中有多晶型的C2S、硫化物和石灰，当其含量较高时会导致矿渣结构破坏，这种现象称为重矿渣分解。 硅酸盐分解

8、 硫化物分解 石灰分解,FeS、MnS 是硫化物,20,a. 硅酸盐分解,由于C2S在不同温度下发生晶型转变，导致重矿渣体积膨胀而自动碎裂粉化，称为硅酸盐分解。 如-C2S在525时，转变为-C2S，密度减小，由3.28降低到2.87，而体积约增大10， 导致已凝固的重矿渣中产生内应力，当内应力超过重矿渣本身结合力时,就会导致块渣开裂，酥碎、粉化。 因此，C2S含量较多的块渣，不能用作混凝土骨料和道路碎石。,块渣的分解,21,b.硫化物分解,块渣中所含的硫化物主要有铁、锰的硫化物； 硫化物在水的作用下会生成氢氧化物，体积明显增大； FeS生成Fe(OH)3时体积增大38； MnS生成Mn(OH

9、)2时体积增大24； 硫化物的分解也会导致重矿渣酥碎粉化。,块渣的分解,22,c.石灰分解,块渣中的CaO遇水消解？，产生体积膨胀，导致块渣碎裂粉化，称为石灰分解。 所以，当利用块渣，特别是用作混凝土骨料时，必须认真分析上述物质。 根据国标YBJ20584规定，将块渣碎石试样置于蒸养釜中，在2个大气压下进行24小时蒸压，视矿渣块有无胀裂现象，予以试验评定。,块渣的分解,23,(3) 膨胀矿渣（expanded slag）,膨胀矿渣是高炉熔渣经半急冷处理的产物，通常用水并在机械作用下形成的块状或粒状膨胀矿渣，故又叫膨珠； 主要由玻璃体(95)构成，外观大多呈球形，表面有釉化玻璃光泽，珠内有微孔，

10、其松散容重大于陶粒、浮石，可达4001200 kgm3.,24,11.4.3 高炉渣利用,我国通常是把高炉渣加工成： 水渣 矿渣碎石 膨胀矿渣 矿渣珠 矿渣棉 免烧砖,25,（1）制作水渣,水渣是把热熔状态的高炉渣置于水中急速冷却的过程，主要有渣池水淬或炉前水淬两种方式。 水渣作建材用于生产水泥和混凝土，由于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，可以作为优质的水泥原料，可制成：矿渣硅酸盐水泥、石膏矿渣水泥、石灰矿渣水泥、矿渣砖、矿渣混凝土等。,26,（2）制作矿渣碎石,矿渣碎石是高炉渣在指定的渣坑或渣场自然冷却或淋水冷却形成较为致密的矿渣后，经过挖掘、破碎、磁选和筛

11、分而得到的一种碎石材料，生产工艺主要有热泼法和堤式法两种。,27,矿渣碎石在我国可以代替天然石料用于公路，机场，地基工程，铁路道渣、混凝土骨料和沥青路面等， 可用于配制矿渣碎石混凝土,在软弱地基中应用 用矿渣碎石作基料铺成的沥青路面既明亮且防滑性能好，还具有良好的耐磨性能制动距离缩短 用于铁路道渣可以适当吸收列车行走时产生的振动和噪音。,28,（3）制作膨胀矿渣珠,膨胀矿渣珠是用适量冷却水急冷高炉渣熔渣而形成的一种多孔轻质矿渣，生产方法有喷射法、喷雾法、堑沟法、滚筒法。 可用于做轻骨料，用来制作内墙板楼板等，也可用于承重结构。,29,（4）制作矿渣棉,矿渣棉矿物棉的一种由钢铁高炉渣矿渣制成的短

12、纤维。常用的原料有铁、磷、镍、铅、铬、铜、锰、锌、钛等矿渣。主要用作绝热材料和吸音材料。也可用铁包装材料。 矿渣棉是利用工业废料矿渣(高炉矿渣或铜矿渣、铝矿渣等)为主要原料，经熔化、采用高速离心法或喷吹法等工艺制成的棉丝状无机纤维。 它具有质轻、导热系数小、不燃烧、防蛀、价廉、耐腐蚀、化学稳定性好、吸声性能好等特点。可用于建筑物的填充绝热、吸声、隔声、制氧机和冷库保冷及各种热力设备填充隔热等。,30,31,（5）制作免烧砖机,主要是利用河沙、矿渣、炉渣、粉煤灰、石粉、煤矸石、钢渣、建筑垃圾等原料压制免烧砖。压制的免烧砖符合国家标准。,32,1、体积：240x115x50(mm)和普通砖一致，符

13、合JC42291部标77.515级非烧结免烧砖标准。 2、重量：由于原料不同、重量稍有差别块重约（2.23.5）kg 3、砖的粘力，吸水率（20%30%）均优于粘土砖，能粘贴瓷片等各种建筑装饰。,33,11.5 钢渣(slag)的处理和利用,钢渣是炼钢过程中排放出的废渣。 炼钢过程是用空气或高纯氧气氧化铁水中的碳、Fe、Mn、Si、P等元素并释放大量化学热。在高温下，炉料分成两个互不相溶的液相：钢液和熔渣，熔渣硬化后即为钢渣，一般每炼一吨钢，产生200300kg钢渣。 按冶炼方法，钢渣可分为平炉钢渣(初期渣，后期渣)，电炉钢渣(氧化渣，还原渣)和转炉钢渣三类。钢渣的物质组成 钢渣的处理工艺 钢

14、渣的利用,34,11.5.1 钢渣的物质组成,钢渣的化学成分钢渣的矿物成分,35,(1) 钢渣的化学成分,钢渣的化学组分的来源（重点) 钢渣的主要化学成分及其特点(重点） 钢渣的碱度(alkalinity)及分类,36,a. 钢渣化学组分的来源（重点）,金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物； 被腐蚀的炉衬和补炉材料； 金属炉料带入的泥砂等杂质； 造渣材料，如石灰石、白云石、铁矿石、石英砂等。,37,b. 钢渣的主要化学成分及其特点（重点）,主要化学成分有：CaO、SiO2、A12O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、Y2O5、TiO2等； 钢渣中FeO和Fe2O3含量(约20)明

15、显高于高炉矿渣和水泥熟料中的含量(约5)。 钢渣中含有P2O5(约15)，而高炉矿渣和水泥熟料中一般没有P2O5。P2O5对于钢渣矿物的形成起重要作用，但P2O5和CaO，SiO2能形成活性较差的叠磷硅钙石Ca3(PO4)22(-Ca2SiO4)，阻碍了C3S的生成，并使C3S分解，从而降低钢渣的活性。,38,c. 钢渣的碱度(alkalinity)及分类,钢渣的碱度(M0): 钢渣按碱度分类： 低碱度钢渣：M01.8； 中碱度钢渣：M01.82.5； 高碱度钢渣：M02.5,39,（2）钢渣的矿物成分,钢渣的矿物成分与其化学成分，特别是与碱度密切相关。在炼钢过程中，随着碱度逐渐增高，将发生不

16、同的化学反应，并形成不同的矿物相。 在冶炼初期，部分铁水氧化，形成FeO和Fe2O3，铁水中的Si被氧化成SiO2，此时熔渣为 SiO2(FeO+Fe2O3)CaO三元体系，主要矿物相为橄榄石CaOMg(Fe，Mn)OSiO2。 随后，由于石灰的不断加入，碱度不断提高，依次发生下列反应： 橄榄石+CaO3CaO(Fe,Mg,Mn)O2Si02(蔷薇辉石)十(Fe,Mg,Mn)O 蔷薇辉石+CaOC2S+(Fe,Mg,Mn)O C2S+CaOC3S,40,（2）钢渣的矿物成分,在不同冶炼期和不同碱度的钢渣中都有(Mg,Mn)O连续固溶体和游离CaO、铁酸钙存在，含磷多的钢渣中还存在叠磷硅酸钙石。 在这些矿物中C2S和C3S的含量都比较高，若钢渣处理方法适当，可以保存较高的活性，适于生产水泥。 MgO在低碱度钢渣中以镁蔷薇辉石形式存在，在高碱度钢渣中以氧化物固溶体形式存在，不影响水泥的安定性，因此，钢渣可用于生产水泥。,