CN104003613A - 一种利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，属于城市污泥和冶炼矿渣的资源循环利用技术领域。该方法可将污泥和冶炼矿渣通过合理配比后造粒，通过高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。再经化学有机改性，提高纤维的柔软性，成为无机纤维原料。通过该发明制造的无机纤维可以作为造纸如纸板的纤维原料，新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料等。其优点在于，将城市污泥冶炼矿渣转变成具有特殊用途的无机纤维，避免了城市污泥在传统填埋和焚烧过程中造成新的能源消耗和二次污染等问题，并使冶炼矿渣得以综合利用。

Description

一种利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种城市污泥和冶炼矿渣的资源循环利用技术领域，特别是提供一种以城市污泥和冶炼矿渣无害化和高附加值处理技术，尤其涉及一种以城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，城市人口急剧增加，我国500万人口以上的城市已有10座，而人口超过1000万的城市已有上海、北京、重庆、武汉、天津4座。随着城市的扩大，使得城市用水和污水排放量也急剧增加。而城市污泥问题伴随着城市化的进程而产生，污泥排放量通常占污水总量的0.5%至1%。据2010年住房和城乡建设部的统计资料显示，我国已累计建成城镇污水处理厂2832座，污水处理能力达1.25×108m3/d，每天产生湿污泥达到17.5万吨，年产生湿污泥6387.5万吨。专家预测，2020年全国的污水排放量将达到5.36×108m3/d，污泥排放量将达24000万吨以上。通常污泥的处理与处置费用约占污水处理总费用的30%～40%，因此，如何妥善处置这些数量日益庞大、高度集中的有机固体废弃物，是污水处理厂最头痛的问题之一。

我国前些年在城市污水处理中一直存在“重水轻泥”倾向，对污泥的处理处置长期没有引起足够的重视，其投资仅占污水处理厂总投资的20%左右。绝大多数的污水处理厂没有配备污泥处理设施，污泥的规范化处置率不到20%，大部分是采用粗矿的填埋法。但因污泥含水率过高，在运输和填埋过程中容易变质发臭。广州市在2003年建起了国内第一个污泥综合处置厂，由于污泥运输、装卸、存储和处理未能完全封闭作业，导致工厂向外散发恶臭，周边居民苦不堪言，广州市人大代表曾连续四次就该厂气体污染问题提出意见和建议，要求将其关闭。甚至有一些农户将污泥直接拉到田里做有机肥，随意大量施用污泥容易导致严重的环境和卫生风险。因此对污泥的减量化和去污染化处理将是我国未来城市环保发展趋势，许多环境保护工作者对城市的污泥进行了多项综合利用的研究。

如(专利CNll09850，CNl01429006，CNl01514112)是利用城市污泥制备陶粒，专利(专利CNl413939，CNl01058501)则是利用城市污泥制砖，其制备方法一般需要添加粘土、粉煤灰等其它原料，其制备过程需经过干燥、搅拌、造粒、烘干、培烧等多种复杂工序，且大多作为建筑、土木施工中利用，附加值相对较低。

中国专利CN101321879提出一种烧结原料的造粒方法，即采用含铁粉尘、淤泥直接或将其与石灰淤泥、粉状焦炭等的混合物制备造粒粒子回用烧结工序的方法，该发明可有效的利用含铁粉尘或淤泥。但上述工序较为复杂，且仅限于冶金行业，对污泥的处理量有限。

也有报道采用石灰混合固化处理法，其具有高效、经济、运行费用低的优势，可改善储存和运输条件，避免渗滤液泄漏，降低含水率等优点。采用石灰处理后的污泥，主要固相成分为含Ca相(如CaCO3、Ca(OH)2和CaO等)、木质纤维、毛发和有机质等，其再处理方式多为填埋和焚烧处理，一方面不可避免的对环境造成二次污染，另一方面占用土地，其中含有的大量有用组成被白白浪费。

目前，我国的钢产量稳居世界第一，但由于炼铁炼钢技术尚不够先进，因而各钢铁企业每年都会产生大量的、不同种类的冶金矿渣。据统计，目前我国冶金工业固体废弃物年产生量约4.3亿吨，综合利用率仅为18.03%。其中工业尾矿产生量为2.84亿吨，利用率1.5%；高炉渣产生量7557万吨，利用率65%；钢渣产生量3819万吨，利用率10%；化铁炉渣60万吨，利用率65%；尘泥1765万吨，利用率98.5%；自备电厂粉煤灰和炉渣494万吨，利用率59%；铁合金渣90万吨，利用率90%。这些未得到利用的冶金矿渣长期堆放未及时综合利用，一方面会造成冶金矿渣逐渐失去活性难以再利用，另一方面冶金矿渣的堆放要占用大量土地，并会严重污染环境。

尾矿是金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾渣或其他工业废渣后的固体废弃物，由于所含金属较少，大部分是依山筑坝拦截谷口或围地构成尾矿坝。据统计，我国的矿山大约有8000多座，尾矿库建有1万多座，2010年底，尾矿总量已达到85亿吨。尾矿坝一旦垮塌，不仅使国家受到经济损失，更危及作业人员和下游地区居民的生命财产安全，并且尾矿库中的有害化学物质将污染周围地下水和江河流域，造成严重的环境破坏。我国尾矿库数量多、规模小，且大都采用稳定性差的上游式筑坝，库址的选取难以避开居民区，尾矿库总体技术力量薄弱，安全性得不到保障，尾矿库灾害已经对国家经济和人民的生命财产造成严重危害。如2008年9月8日，山西襄汾县塔山矿区新塔矿业公司违规运营，终酿成特别重大的溃坝事故，共造成277人遇难，4人失踪，33人受伤，直接经济损失近1亿元。

另外冶金企业在金属冶炼生产过程中产生了大量的含金属尘泥，如高炉瓦斯灰、高炉瓦斯泥、烧结除尘灰、转炉尘泥、轧钢铁鳞等。目前钢铁企业对冶金尘泥的利用方式多采用直接配入烧结混合料，其存在的缺点是：1)尘泥粒度细，在运输、混合和烧结过程中容易产生二次污染；2)在烧结过程中，较细且含水量较高的尘泥将恶化烧结层透气性，影响烧结生产技术指标，使得烧结矿质量下降，导致产量降低。由于城市污泥具有一定的黏性，与冶金尘泥进行混合后可有效提高造粒性能，且组分中含有的大量石灰可作为烧结过程中的石灰熔剂。以污泥和冶金尘泥进行混合造粒，不仅可以有效利用污泥，实现城市污泥的减量化、无害化和增值化利用，避免对环境的污染。

本发明通过对城市污泥以及冶炼矿渣的化学成分分析，认为将这两者经过适当调配和组合，就可用于生产无机纤维原料。

表1污泥样品的工业分析和元素分析

表2我国部分城市污泥的主要成分/w％

注：“-”表示文献中缺少该数值。

由上分析可看出，污泥中含大量有机物，其燃烧值在约在3000×4.18kJ/kg左右。另外还含有20%～30%的无机物，主要是硅、铁、铝、钙等，与许多工业固体废弃物的成分相近，因此可将污泥机械脱水后进行自然干燥，然后利用污泥中的有机成分作为部分热源替代煤炭作燃料使用，而硅、铁、铝、钙及其微量重金属等经高温熔炼成金属氧化物，作为无机纤维的主体。利用污泥作无机纤维材料可以将污泥中的有毒有害物质固化或分解，使“二次污染”的风险降至最小，可实现资源、能源的充分利用。对于重金属含量偏高、不宜农用的污泥是一种经济有效的资源化方法。用污泥作无机纤维材料具有广阔的发展空间。

经文献和专利检索，未发现以城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，具有如下特点：

(1)解决城市污泥的堆积占地和二次污染问题，并充分利用了污泥中的有价组分；

(2)解决冶炼矿渣等工业固体废弃物堆积造成环境污染、占用土地以及形成事故隐患的问题；

(3)将城市污泥和冶炼矿渣转变成具有特殊用途的无机纤维，做到变废为宝，综合利用。

本发明首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为19～26：15～22：8～12，混合后制成3-5cm的球粒。然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为19：20：12，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

实施例2：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为23：17：10，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

实施例3：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为26：22：8，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

实施例4：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为20：19：11，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

实施例5：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为24：15：9，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

实施例6：

首先将上述所用原料中城市废水污泥经风干后与冶炼矿渣中冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为25：21：12，混合后制成3-5cm的球粒，然后将球粒在高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维。最后在制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂，通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性，从而得到可以作为造纸纸板的纤维原料，也可作为新型保温、蓄冷、吸音、防火轻质建筑材料的无机纤维材料。

本发明利用城市污泥与冶炼矿渣等工业固体废弃物制备无机纤维的技术为城市废水污泥的资源化利用提供了新方法，实现了资源和能源的开发、固体废弃物的减量及综合利用，充分体现了“可持续发展”和“循环经济”的理念，同时可取得很好的社会效益、环保效益和经济效益。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，其特征在于：使用的原料包括：（1）城市废水污泥；（2）冶炼矿渣，包括冶金炉渣、水渣、选矿尾渣、金属尘泥等。

2.根据权利要求1所述的利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，其特征在于：首先将上述所用原料中（1）城市废水污泥经风干后与（2）中的一种或两种进行调配，使其Si:Al:Ca元素的质量含量调整为19～26：15～22：8～12，然后混合后制成3-5cm的球粒。

3.根据权利要求1所述的利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，其特征在于：将根据权利要求1制成的球粒，通过高温吹氧熔化炉熔炼转化，经喷丝雾化成纤技术制成无机纤维；再经化学有机改性，提高纤维的柔软性，成为无机纤维原料。

4.根据权利要求1所述的利用城市污泥和冶炼矿渣制备无机纤维的方法，其特征在于：在根据权利要求3制得的超细无机纤维中加入纤维质量0.8％～1.5％的软化增强改性剂通过干法或湿法对超细无机纤维进行表面改性处理。