不锈钢冷轧脱水污泥用作水泥部分替代原料的开发研究

论文摘要

本文以不锈钢冷轧加工产生的脱水污泥为主要研究对象,系统研究了将该污泥作为部分替代水泥原料配制生料,烧制优质水泥熟料,并且使其中所含的F和重金属Cr、Ni等有害元素得以有效固溶,避免其可能产生的“二次污染”,从而寻求出一条该污泥资源化优化利用的新技术途径。借助于XRD、SEM、HTM、DTA和EDS等现代化测试手段,对污泥理化特性、污泥最佳配入量及其熟料率值、熟料高温反应历程及矿物结构特征、水泥的各项物理力学性能等进行了全面分析探索,并且对污泥配料引入的重金属Cr、Ni和F元素的影响机理和固化效果进行了重点探讨。主要得到以下研究成果:不锈钢冷轧脱水污泥的主要化学组成与硅酸盐水泥原料的主要成分一致,同时污泥颗粒细小均齐,具有良好的粉磨加工性和化学反应活性,其中所含的F元素和重金属元素均具有矿化作用,适量时对熟料煅烧有明显促进作用;但污泥掺量过高,煅烧时体系高温液相量大幅增加,粘度降低,使A矿的成核与晶体生长平衡破坏,烧成温度范围明显变窄,易发生液相过量结块烧流的现象。同时过量的F存在还会导致熟料矿物在冷却时转化为胶凝性低的氟硅酸盐矿物3C3S·CaF2,降低熟料质量。实验室研究和工业试验研究均表明生料中污泥的适宜掺量为5%±0.5%;相应熟料三率值宜控制为KH:0.91～0.93,SM:1.9～2.1,IM:1.7～1.9;烧成温度可降至1400℃。将污泥配入量为5%和10%的熟料试样按相应国家标准分别进行重金属毒性浸出检验,其Cr、Ni溶出值均远低于相应国家标准的限量值,表明水泥熟料对重金属元素的固化效果良好。污泥作为部分替代原料配料,既可有效节省石灰石、铁粉等主要水泥原料,又可发挥F、Cr、Ni等微量元素的矿化效果,降低熟料烧成温度,节省燃料,减少废气排放。根据工业试生产效果估算,当生料中污泥配比为5%±0.5%时,年产30万吨熟料的水泥厂,正常可消耗约2.5万吨/年污泥,按现行价格每年节省原料和燃料的总费用超过50万元。以上研究成果表明,通过适当的配方优化和工艺控制参数的调整,可在现有水泥工艺技术条件下成功实现不锈钢冷轧脱水污泥危险废弃物的优化利用,不仅增加水泥产量,有效降低成本,而且还能彻底消除污泥可能导致的“二次污染”,变废为宝,为危险废弃物的资源化利用探明了一条切实可行的技术途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外污泥处置的现状及发展趋势
• 1.3 水泥生产过程对各类废弃物处置的技术优势
• 1.4 主要研究内容及其技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 课题研究的技术路线
• 1.4.3 拟解决的关键问题
• 1.4.4 测试仪器与实验方法
• 第2章 不锈钢冷轧脱水污泥的理化特性研究
• 2.1 不锈钢冷轧脱水污泥的产生及来源
• 2.2 不锈钢冷轧脱水污泥的化学组成特点
• 2.3 不锈钢冷轧脱水污泥的矿物组成及结构特点
• 2.3.1 污泥的矿物组成
• 2.3.2 污泥的物像形貌特征
• 2.4 不锈钢冷轧脱水污泥的细度及颗粒分布特点
• 2.5 本章小结
• 第3章 污泥配料烧制熟料的实验室研究
• 3.1 主要试验原、燃料及评价
• 3.2 生料试配及相关研究
• 3.2.1 试配方案的初步探索
• 3.2.2 试配试样的易烧性研究
• 3.2.3 试烧熟料矿物特性研究
• 3.2.4 生料试配研究小结
• 3.2.5 优选配料方案的确定
• 3.3 优选配料方案的熟料性能研究
• 3.3.1 污泥配入量对熟料率值的影响
• 3.3.2 污泥掺入对试样热分解特性的影响
• 3.3.3 污泥对熟料矿物组成与结构特性的影响
• 3.3.4 污泥对熟料物理力学性能的影响
• 3.3.5 污泥适宜配入量的探讨
• 3.4 污泥中重金属和F元素对熟料形成的影响
• 3.4.1 微量元素对熟料锻烧的促进作用
• 3.4.2 铬、镍重金属在熟料中的行为探讨
• 3.4.3 F含量变化对熟料矿物形成和性能的影响
• 3.5 铬、镍重金属元素危害与控制研究
• 3.5.1 铬、镍元素的环境危害途径
• 3.5.2 水泥熟料对重金属元素的稳定机理
• 3.5.3 优选配料熟料试样的重金属浸出研究及讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 污泥配料烧制熟料的工业试验研究
• 4.1 工业试验研究的基础条件
• 4.1.1 水泥生产线的工艺配置情况
• 4.1.2 工业试验的原、燃材料及配料
• 4.2 工业试验的实施与调整
• 4.2.1 生料制备工艺的调整与控制
• 4.2.2 熟料锻烧制度的探讨
• 4.3 工业试验熟料及水泥试样性能研究
• 4.3.1 工业试验熟料试样矿物组成及形貌分析
• 4.3.2 工业试验熟料及水泥的物理性能
• 4.3.3 工业试验熟料及水泥试样重金属浸出试验
• 4.3.4 重金属及F元素分布研究
• 4.4 项目的社会效益和经济效益的分析
• 4.4.1 社会效益分析
• 4.4.2 经济效益分析
• 第5章 主要研究结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间公开发表文章及专利
• 附录B 符号说明