1、固体废物处理,使学生了解和掌握常见固体废弃物资源化和处理的常用技术和方法,第十一章 工业固体废物的资源化利用,教学目标: 1.了解煤矸石和粉煤灰的来源、组成及活性激发； 2.了解高炉渣和钢渣的来源、组成；了解的来源、组成； 3.了解煤矸石和粉煤灰在建筑材料方面的应用； 4.了解高炉渣和钢渣在建筑材料方面的应用。 教学重点：粉煤灰的资源化利用途径；煤矸石的资源化利用途径。,第十一章 工业固体废物的资源化利用,随着我国经济和社会的不断发展，基础设施建设和居民住宅建设得到迅速发展，对建筑材料数量的需求越来越大，质量的要求越来越高。许多固体废弃物在制造建筑材料，特别是新型建筑材料方面大有可为。,第十一
2、章 工业固体废物的资源化利用,11.1粉煤灰 11.2煤矸石 11.3高炉渣 11.4钢渣,11.1粉煤灰,来源 飞灰:煤在炉膛燃烧时的烟气带出的粉状残留物， 8090。除尘技术 底灰:少量的煤粉粒子在燃烧过程中由于碰撞凝结成块，沉积于炉底，由底部排出形成，1020 。低灰除渣,11.1粉煤灰,化学组成（类似粘土的化学组成）评价粉煤灰质量高低的重要技术参数 SiO2（4060） Al2O3（1535） Fe2O3（215） CaO（110） 未燃尽炭 有害元素和微量元素 CaO20称为高钙灰，我国多为低钙灰。,11.1粉煤灰,矿物组成：来源于母煤，以铝硅酸盐粘土矿和SiO2为主。 无定形相：主
3、要为玻璃体5080和未燃尽炭粒。 结晶相：莫来石、石英、云母、长石、磁铁矿、赤铁矿和少量的钙长石、方镁石、硫酸盐矿物、石膏、方解石等。被玻璃相包裹。 低钙粉煤灰：活性主要取决于无定形玻璃相矿物，而不取决于结晶相矿物。玻璃体含量越高，粉煤灰的化学活性越好。 高钙粉煤灰：富钙玻璃体含量多，有较多的氧化钙结晶和水泥熟料的一些矿物结晶组分。高钙灰的性质既与玻璃相有关，又与结晶相有关。化学活性均高于低钙灰。,11.1粉煤灰,颗粒组成 球形颗粒 不规则多孔颗粒（多孔炭粒和多孔铝硅玻璃体） 碎片,11.1粉煤灰,外观和颜色 外观象水泥 组分中的含炭量使其有由乳白到灰黑等不同颜色，含炭量越高，颜色越深。炭粒存
4、在于粉煤灰的粗颗粒中。 颜色可在一定程度上反映粉煤灰的细度。颜色越深，质量越低。,11.1粉煤灰,比重和容重 低钙灰比重：1.82.8 高钙灰比重：2.52.8 松散干容重：6001000kg/m3 压实容重：13001600kg/m3,11.1粉煤灰,细度 粉煤灰的颗粒粒径极限为0.5300um。国标以45um筛余百分数为细度指标。 需水量比 在粉煤灰标准规范中，采用粉煤灰水泥胶砂需水量与基准水泥胶砂需水量的比值表示粉煤灰的需水量。 低需水量的粉煤灰测定值：2230 中等需水量：3040 高需水量：5060,11.1粉煤灰,粉煤灰的活性 也叫“火山灰活性”，是指火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻土等
5、天然火山灰类物质所具有的这样性能： 其成分中以SiO2和A12O3为主(7585)，且含有相当多的玻璃体或其他无定形物质； 其本身无水硬性； 在潮湿环境，能与Ca(OH)2等发生反应，生成一系列水化产物凝胶， 上述水化产物不论在空气中，还是在水中都能硬化产生明显的强度。 烧粘土、烧页岩、煤矸石烧渣、燃料灰渣等属人工火山灰类物质，粉煤灰便是其中的一种，同样具有上述性能。,11.1粉煤灰,活性激发:以石灰和石膏作激发剂的蒸汽养护方法 粉煤灰中的活性氧化硅与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙(CSH)凝胶，称为碱性激发： mCa(OH)2+SiO2+(n1)H2OmCaOSiO2nH2O （二次水化反
6、应） 粉煤灰中的活性氧化铝与Ca(OH)2反应，生成水化铝酸钙(CAH)凝胶： mCa(OH)2+Al2O3+(n1)H2OmCaOAl2O3nH2O （二次水化反应） 硫酸盐激发:CAH强度比较低，在有石膏(常用水泥中均掺有石膏)存在下，可加速反应生成三硫型水化硫铝酸钙(3CaOAl2O33CaSO43H2O)，通常称为钙矾石，简称E盐：mCaOAl2O3nH2O+CaSO42H2OmCaOAl2O33CaSO4(n+2)H2O 石膏量不足时生成单硫型水化硫铝酸钙(3CaOA12O3CaSO412H2O) M盐,11.1粉煤灰,活性的评定 石灰吸收法：一定时间内从石灰液中吸附的石灰量。 溶出
7、度试验法：酸碱处理粉煤灰，测硅，铝的浸出量 砂浆强度试验法（是迄今国内外公认的粉煤灰活性的最佳评定方法）：粉煤灰和水泥熟料配比，制成砂浆试件，测其强度。,11.1粉煤灰,资源化利用途径 选炭、铁、空心微珠 生产建材及制品 农肥、作土壤改良剂 污水处理的吸附剂 化工产品,11.1粉煤灰制水泥,粉煤灰硅酸盐水泥基本性能与一般普通硅酸盐水泥相似，因而统称普通硅酸盐水泥。粉煤灰硅酸盐水泥的特性是水化热低、抗渗和抗裂性好、对硫酸盐浸蚀和水浸蚀具有抵抗能力，对碱反应能起一定的抑制作用。适用于一般民用和工业建筑工程、大体积水工混凝土工程、地下和水下混凝土构筑等方面。,11.1粉煤灰制水泥,粉煤灰烧成水泥:以
8、粉煤灰代替部分粘土制成 粉煤灰无熟料水泥:以粉煤灰为主要原料，配加适量的石灰、石膏磨细制成的 粉煤灰少熟料水泥:以粉煤灰为主，配少量的水泥熟料和石膏制成的,11.1粉煤灰制混凝土,普通混凝土是以水泥熟料为胶结料，以沙、石为骨料，加水拌和而成的构筑材料。粉煤灰混凝土是以粉煤灰代替部分水泥熟料拌和而成的混凝土。粉煤灰混凝土能有效改善普通混凝土的性能。,11.1粉煤灰制砖,粉煤灰的基本组成与粘土相似，可以替代粘土制备粉煤灰烧结砖。该生产技术成熟，节约能源，成本低廉，所需技术设备与普通粘土砖相同，且砖的质量较好。目前我国已有50多条粉煤灰烧结砖生产线，年产砖近50亿块。,11.1粉煤灰制砖,粉煤灰蒸养
9、砖以粉煤灰为主要原料，掺入适量骨料、生石灰及少量石膏，经碾练、成型、蒸汽养护而成粉煤灰蒸养砖。,11.1粉煤灰制砖,粉煤灰免烧免蒸砖以粉煤灰拌以生石灰、骨料（炉渣、钢渣等）及少量激发剂而制成粉煤灰免烧免蒸砖。,11.1粉煤灰制砖,粉煤灰空心砖 粉煤灰微孔夹心砖,11.1粉煤灰制其他建材,粉煤灰硅酸盐砌块以粉煤灰为原料，掺入少量石灰、石膏及骨料，经蒸养而成的新型墙体材料。具有轻质、高强、空心和块大等特性。与砖相比具有工效高、投资省等优点。,11.1粉煤灰制其他建材,粉煤灰加气混凝土近年开发的新型墙体材料，它是以粉煤灰为原料，适量加入生石灰、水泥、石膏和铝粉（发泡剂），加水搅拌成浆，注入模具蒸养而
10、成。,11.1粉煤灰制其他建材,拌和料粉煤灰可以代替沙石、水泥作大型建筑混凝土。由于粉煤灰能降低水化热、改善易和性和提高防渗性，利于远距离泵输且后期强度高，被广泛用于水工工程和大型建筑工程。我国三门峡、刘家峡、亭下水库等水工工程，秦山核电站、北京亚运村工程等，国内其它的一些大的地下、水上及隧道工程等，均大量掺用了粉煤灰节约了大量的水泥，提高了工程质量。粉煤灰还可以代替沙石、粘土用于高等级公路路基、修筑堤坝，也可以作路面材料。,11.2煤矸石,来源、分类和排率 煤矸石是与煤伴存的岩石。在煤的采掘进和煤的洗选过程，都有煤矸石排出。 依所含矿物组分可分为碳质页岩、泥质页岩和砂质页岩； 依来源可分为掘
11、进矸石，开采矸石和洗选矸石。 煤矸石堆放过程，其中的可燃组分缓慢氧化、自燃，故又有自燃矸石与未燃矸石的区分。 排率0.10.2t煤矸石/t原煤。,11.2煤矸石,组成 矿物组成：粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、石英、方解石、黄铁矿。 化学组成：氧化物SiO2+Al2O3占6090。,11.2煤矸石,煤矸石的活性 煤矸石经过燃烧，烧渣属人工火山灰类物质而具有活性。 高岭石的变化 500600：脱水，晶格破坏，形成无定形偏高岭土，具有火山灰活性： 9001000：偏高岭土又发生重结晶，形成非活性物质。9001000 水云母矿(K2O5 Al2O314SiO24 H2O)的变化 100200：脱
12、去层间水； 14501600：失去分子结晶水，但仍保持原晶格结构 600以上：逐渐分解，晶体逐渐破坏，开始出现具有活性的无定形物质， 9001000：分解完毕，具有较高的活性 10001200：又出现重结晶，向晶质转变，活性降低。,11.2煤矸石,石英的变化煤矸石中，石英的含量随温度升高而降低 生成无定形SiO2，提高煤矸石烧渣的火山灰活性 生成石英变体，仍属非活性物质 生成莫来石晶体，活性降低。 莫来石的生成 煤矸石煅烧过程中，一般在1000左右便有莫来石(3Al2O32SiO2) 生成，到1200以上，生成量显著增加。莫来石的大量生成，降低了煤矸石的活性。 黄铁矿的变化 黄铁矿是可燃物质，
13、随煤矸石一起燃烧，晶体相应地发生变化，生成赤铁矿，对煤矸石活性无补 活性的主要来源:粘土类矿物和云母类矿物的受热分解与玻璃化。,11.2煤矸石,煤矸石的资源化途径 煤矸石生产水泥 生产建筑材料 代替燃料 煤矸石生产化工产品,11.2煤矸石,制水泥煤矸石中二氧化硅、氧化铝和氧化铁的总含量一般在80%以上，是一种天然粘土质原料，可代替粘土配料烧制普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、煤矸石炉渣水泥、无（少）熟料水泥等 制砖、瓦煤矸石经过配料、粉碎、成型、干燥和焙烧等工序可制成砖和瓦，其生产工艺与普通粘土砖瓦基本相同。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石中二氧化硅、氧化铝和氧化铁的总含量一般在80%以上，是一种
14、天然粘土质原料，可代替粘土配料烧制普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、煤矸石炉渣水泥、无（少）熟料水泥等,煤矸石硅酸盐水泥（普通硅酸盐水泥）以煤矸石替代粘土配制水泥生料烧制成的胶凝材料。煤矸石主要提供水泥中的二氧化硅、氧化铝和氧化铁,11.2煤矸石制水泥,11.2煤矸石制水泥,煤矸石快硬硅酸盐水泥利用氧化铝含量较高的煤矸石和石灰石、铁粉混合磨成生料，然后与无烟煤混拌，加水制成生料球后煅烧（温度1400-1450）。将其烧成的熟料和石膏磨细即成快硬硅酸盐水泥。煤矸石快硬硅酸盐水泥具有早期强度高、凝结硬化快等特点，其各项性能指标均符合国家标准快硬硅酸盐水泥（GB199-79）的规定。,11.2煤矸石制
15、水泥,煤矸石炉渣水泥将煤矸石与粒径1mm以下的烟煤（或无烟煤）混合后（70%煤矸石，30%烟煤或无烟煤），喷入沸腾炉内在900-1000下煅烧，煅烧后的炉渣再与生石灰、石膏混合磨细即成煤矸石炉渣水泥。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石少熟料水泥也称煤矸石砌筑水泥，用67%的煤矸石+30%的水泥熟料+3%的石膏，原料不经煅烧，直接磨制而成，标号可达150号，能符合配制砌筑沙浆的要求，是近年才列入国家标准的水泥新品种。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石无熟料水泥直接把具有一定活性的煤矸石与石灰、石膏（也可加入适量的高炉水渣）按一定比例混合磨细而成。此种水泥早期强度不高，凝结硬化缓慢，不宜用在时间紧和强度要
16、求高的工程上。使用这种水泥关键在于加强养护，特别是早期养护。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石空心砌砖以煤矸石无熟料水泥作胶结料、煤矸石作粗细骨料、加水搅拌配制成半干硬性混凝土，经振动成型，再经蒸汽养护而成的一种新型墙体材料。生产煤矸石空心砌砖是实现煤矸石资源化的一条重要途径，具有煤矸石耗量大，经济实用等特点。,11.2煤矸石制水泥,用煤矸石生产轻骨料轻骨料是为了减少混凝土的比重而选用的一类多孔骨料，轻骨料应比一般碎石的密度小得多，有些轻骨料可以浮在水面上。用于生产轻骨料的煤矸石最好是碳质页岩或洗煤厂排出的矸石，将其粉碎磨细后加水制成球，用烧结机或回转窑焙烧，使矸石球膨胀，冷却后即成轻骨料。,11
17、.2煤矸石制水泥,煤矸石经过配料、粉碎、成型、干燥和焙烧等工序可制成砖和瓦，其生产工艺与普通粘土砖瓦基本相同。煤矸石砖瓦颜色均匀、声音清脆；抗冻、耐酸耐碱等性能较好。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石半内燃砖利用煤矸石本身的发热量作为内燃料，将煤矸石均匀掺入粘土内压制成砖坯，经干燥焙烧而成。砖的抗压强度达100-150kg/cm2，吸水率15%，容重为1400-1700 kg/m3，抗折强度小于40 kg/cm2。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石微孔吸声砖微孔吸声砖具有隔热、保温、隔声、防潮、防火、防冻等性能，是良好的环保建筑材料，且质轻、性能可靠、便于运输的特点。煤矸石微孔吸声砖的生产工艺是将煤矸
18、石粉碎后与白云石、半水石膏混合，送入硫酸溶液中混拌，白云石和硫酸反应产生气泡，使混合料膨胀，然后浇注入模，之后经干燥、焙烧而成。,11.2煤矸石制水泥,煤矸石瓦煤矸石瓦的生产工艺与一般土瓦的生产工艺基本相同。利用煤矸石生产瓦，减少了粘土用量，节约了土地资源。,11.2粉煤灰在建材方面的利用,煤在炉膛燃烧时的烟气带出的粉状残留物，称为飞灰，少量的煤粉粒子在燃烧过程中由于碰撞凝结成块，沉积于炉底，由底部排出的称为底灰。底灰占1020，粉煤灰占8090。,11.2粉煤灰在建材方面的利用,粉煤灰水泥 粉煤灰混凝土 粉煤灰砖 粉煤灰其它建材利用,11.2粉煤灰在建材方面的利用,粉煤灰具有良好的物理和化学
19、性能，有巨大的综合利用价值。用粉煤灰制备建筑材料是有效利用大宗粉煤灰的主要途径之一。用粉煤灰可以生产粉煤灰水泥、粉煤灰混凝土、粉煤灰烧结砖、粉煤灰蒸养砖、粉煤灰砌块等。我国从五十年代开始研制和生产粉煤灰水泥，1979年第一次将粉煤灰水泥列为水泥五大品种之一。粉煤灰水泥也称粉煤灰硅酸盐水泥，它是由普通硅酸盐水泥熟料和一定量的粉煤灰，加入适量的石膏磨细而成的水硬胶凝材料。,11.3高炉渣在建材方面的利用,高炉渣是冶金工业中数量最多的一种渣，它来源于高炉炼铁，我国高炉渣年排放量大约为3000万吨。高炉渣的产生量与矿石品位的高低、焦碳中的灰分及石灰石、白云石等有关，也和冶炼工艺有关，通常炼1吨生铁产渣
20、300-900公斤。,11.3高炉渣在建材方面的利用 概述,高炉渣的主要化学组分Ca、Mg、Al、Si、Mn等的氧化物，约占高炉渣总重量的95%，少数渣中含有TiO2、V2O5等，其中SiO2、Al2O3和MnO主要来自矿石中的脉石，CaO和MgO主要来自助熔剂。,11.3高炉渣在建材方面的利用 概述,高炉渣的主要化学组分 碱性系数=（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3） 大于1，碱性矿渣 等于1，中性矿渣， 小于1，酸性矿渣,11.3高炉渣在建材方面的利用 概述,高炉渣的矿物组分 CaO（Mg）O）-SiO2-Al2O3固熔体。 碱性矿渣：黄长石 酸性矿渣：玻璃体,11.3高炉渣在建材
21、方面的利用 分类,高炉渣的物理化学性能根据把液态熔渣处理成固态渣的方法不同而各异。常用的熔渣处理方法有水淬法（也叫急冷法）、半急冷法和热泼法（也叫慢冷法）三种，其对应的成品渣分别为： 水淬渣 膨胀渣 重矿渣,11.3高炉渣在建材方面的利用 水淬渣,水淬渣是高炉渣在大量冷却水的作用下急冷形成的海绵状浮石类物质。在急冷过程中，熔渣的绝大部分化合物来不及形成稳定化合物，而以玻璃体状态将热能转化为化学能封存其内，从而构成了潜在的化学活性。这种潜在的化学活性在激发剂的作用下，与水化合可生成具有水硬性的胶凝材料，是生产水泥的优质原料，因而广泛地应用于生产水泥和混凝土。,11.3高炉渣在建材方面的利用 水淬
22、渣作建材,矿渣硅酸盐水泥 石膏矿渣水泥 钢渣矿渣水泥 矿渣混凝土 其它应用,11.3高炉渣在建材方面的利用 膨胀渣作轻骨料,膨胀渣也叫膨珠，它是在适量水冲击和成珠设备的配合作用下，被甩到空气中使水蒸发并在内部形成空间，再经空气冷却形成珠状矿渣。膨珠大多成球形，粒径与生产工艺和生产设备密切相关。膨珠呈现由灰白到黑的颜色，颜色越浅，玻璃体含量越高，灰白色膨珠，玻璃体含量高达95%。,11.3高炉渣在建材方面的利用 重矿渣,重矿渣是高温熔渣在空气中自然冷却或淋少量水慢速冷却而形成的致密块渣。重矿渣的矿物成分不同于水淬渣，其主要成分是黄长石，其次是假硅钙石、硅酸二钙、辉石，并含有少量玻璃体和硫化物。重
23、矿渣的物理性质与天然碎石相近，其容重大多在1900kg/m3以上，其抗压强度、稳定性、耐磨性、抗冻性、抗冲击性均符合工程要求，可以代替碎石用于各种建筑工程中。安定性好的重矿渣经破碎、分级，可以代替碎石作骨料和道渣。,11.3高炉渣在建材方面的利用 重矿渣的建材利用,作骨料配制混凝土 重矿渣作道渣,11.3高炉渣在建材方面的利用 重矿渣的建材利用,矿渣棉：以高炉渣为主要原料，加入白云石、玄武岩等成分及燃料一起加热熔化后，采用高速离心法或喷吹法制成，是一种棉丝状矿物纤维，具有质轻、保温、隔声、隔热、防振等性能，可以加工成各种板、毡、管壳等制品。,11.4钢渣在建材方面的利用,钢渣是炼钢过程中排出的
24、熔渣，钢渣在冶金工业渣中仅次于高炉渣。矿物组成：硅酸盐，二价金属氧化物，尖晶石，磷酸盐，硫化物等 碱度：钢渣中CaO与SiO2、P2O5的含量比。 低碱度渣：1.3-1.8 中碱度渣：1.8-2.5 高碱度渣：大于2.5,11.4钢渣在建材方面的利用,钢渣是炼钢过程中排出的熔渣，钢渣在冶金工业渣中仅次于高炉渣。钢渣以炼钢方式的不同分为： 转炉钢渣 平炉钢渣 电炉钢渣,11.4钢渣在建材方面的利用,转炉吹氧炼钢现代炼钢的主要方法，目前我国的转炉炼钢比例以达60%以上，转炉钢渣约占钢渣总量的70%，以目前水平，每生产1t转炉钢约产生130-240kg的钢渣。,11.4钢渣在建材方面的利用,平炉在国
25、外已基本淘汰，我国已不再建平炉，并将逐步淘汰现有平炉。平炉炼钢周期长，分氧化期、精炼期和出钢期，并且每期都出渣，目前每生产1t平炉钢约产钢渣170-210kg，其中初期渣占60%、精炼渣10%、出钢渣30%。,11.4钢渣在建材方面的利用,电炉炼钢以废钢为原料，主要生产特殊钢，电炉生产周期也较长，分氧化期和还原期分期出渣，目前每生产1t电炉钢约产150-200kg钢渣，其中氧化渣占55%左右。,11.4钢渣在建材方面的利用,钢渣矿渣水泥 无熟料钢渣水泥 少熟料钢渣水泥钢渣水泥具有水化热低、后期强度高、抗腐蚀、耐磨等特点，是理想的大坝水泥和道路水泥。,11.4钢渣在建材方面的利用,钢渣白水泥电炉还原渣除含有大量的C3S、C2S外，并具有很高的白度，与煅烧石膏和少量的外加剂混合、研磨，即可生产325号白水泥。,11.4钢渣在建材方面的利用,筑路与回填工程材料 钢渣碎石具有容重大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好、与沥青结合牢固，因而广泛用于铁路、公路和工程回填。 特别适于沼泽、海滩筑路造地、公路碎石、沥青混凝土路面、铁路道渣。,
