CN108439877B - 一种用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法 - Google Patents

一种用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：骨料15.5～18.5％，粉煤灰4.7～6.5％，高炉渣4.7～6.5％，水泥12.4～16.0％，碱激发剂12.4～16.0％，湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥40.0～50.0％，湿法炼锌铁矾渣与湿法炼锌污水处理污泥的质量配比为：4:1～5:1。本发明“以废治废”，整体、大宗量处理和利用湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥，可实现湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥零排放，同时达到湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥减量化、无害化、资源化的目的。

Description

一种用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法
技术领域
本发明涉及一种利用工业固体废弃物制备建筑材料的方法，具体涉及一种利用湿法炼锌所产生的危险废物——铁矾渣及污水处理污泥制备实心砖的方法，属于环境工程的固体废弃物无害化处理、处置及资源化利用领域。
背景技术
锌冶炼工艺可分为火法和湿法两大类，其中湿法炼锌产量占我国锌产量85％以上。湿法炼锌主要生产工艺为“硫化锌精矿沸腾炉焙烧-焙砂浸出-浸出液净化-静液电积-电锌铸锭”，浸出工序有常规法和热酸浸出法之分，采用“热酸浸出-铁矾除铁”工艺的锌产量约占湿法炼锌产量的50％。近年来，我国年产精炼锌500万吨以上，按生产每吨锌产0.3～0.5吨铁矾渣计算，则每年我国新增铁矾渣150万吨以上。据统计，目前铁矾渣累计堆存量已超过3000万吨。此外，湿法炼锌系统的污酸污水处理过程中会产生大量污泥，其产量约为铁矾渣产量的1/4～1/5。
湿法炼锌铁矾渣及污水处理污泥含有重金属，如Zn、Cu、Cd、Pb、As等，且稳定性差，堆存性不好，若处理不当则会污染土壤和地下水，并可能通过食物链对人体健康产生严重危害。因此，《国家危险废物名录(2016)》明确列出“铅锌冶炼过程中锌焙烧矿热酸浸出黄钾铁矾法产生的铁矾渣(危险废物代码：321-005-48)”、“铅锌冶炼过程中产生的废水处理污泥(危险废物代码：321-022-48)”为危险废物。
目前，湿法炼锌铁矾渣的处理、处置及资源化利用方向包括两大方面：一是回收铁矾渣中的有价金属，主要是In、Zn、Ag、Cu等，因铁矾渣成分不同，而选择不同的处理工艺。二是铁矾渣固化稳定化处理后运往处置场堆存或进行填埋。
铁矾渣回收有价金属的工艺随主要回收的目标金属而变化，根据矾渣成分选择不同的处理工艺。现有铁矾渣回收有价金属技术存在以下问题：①火法需要在高温下进行，如热分解法温度达到700℃，碱焙烧法温度达到1000℃，还原挥发法温度达到1150℃，漩涡炉熔炼挥发法温度达到1400℃，可见火法能耗高，生产运营费用高，会产生重金属烟尘和有毒有害废气等二次污染问题；②湿法工艺繁杂，流程长，投资大，会产生大量废水；③往往只注重回收In、Zn、Ag、Cu等价格较高的金属，而忽视了铁矾渣中其他资源的回收利用，造成资源浪费，铁矾渣回收In、Zn、Ag、Cu等有价金属后，其余部分仍以废渣形式堆放或外排，造成环境污染，铁矾渣处置、利用不彻底，无法做到铁矾渣的大宗量、整体消纳利用，无法实现铁矾渣零排放。
多年来，国内外致力于铁矾渣的资源化利用，但限于经济效益问题把研究的重点转移到铁矾渣固化稳定化技术开发方面。铁矾渣固化稳定化处理的方法很多，原理无外乎加入水泥、石灰等胶凝剂将铁矾渣中的重金属固定在固化体的晶格中，使其达到稳定化，减少对环境的危害，最后再将养护固化后达到处置技术要求的固化体送往处置场进行处置。然而，湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥中含硫量高，一般重金属固化稳定化技术的固化体难以同时达到产品质量性能指标及环境安全性指标要求，其固化体唯一出路就是进行填埋。随着城市化的加剧、耕地保护红线的划定和建设用地日趋紧张，固废处置场用地越难以获批，这使得现有湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥固化稳定化处理技术局限性凸显。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的铁矾渣及污水处理污泥资源化利用率低、环境污染严重，以及湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥处理及处置的技术、资金、场地等一系列问题，而提供一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，可实现湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥零排放，同时达到湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥减量化、无害化、资源化的目的。
为实现本发明的上述目的，本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法采用以下技术方案：
采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：
骨料：采用粒度1～20mm的粗砂/碎石，15.5～18.5％；
粉煤灰：4.7～6.5％；
高炉渣：4.7～6.5％；
水泥：12.4～16.0％；
碱激发剂：12.4～16.0％；
湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥：40.0～50.0％；
所述的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥是经过压滤处理后的物料，含水率20％～30％，湿法炼锌铁矾渣与湿法炼锌污水处理污泥的质量配比为：4:1～5:1。
所述的碱激发剂为水玻璃或水玻璃与NaOH的混合物，模数M为1.8～2.5。水玻璃采用工业级，用NaOH将模数调为1.8～2.5。
所述骨料的颗粒级配应粗细搭配，有利于提高免烧砖强度；所述的粉煤灰的粒度为-200目(－0.076mm)，且越细越好，有利于释放其胶凝活性；所述高炉渣的粒度小于2mm，且越细越好，有利于释放其胶凝活性；所述的水泥一般采用复合硅酸盐水泥，强度等级32.5R；所述的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥的粒度为-200目(－0.076mm)，对大块的铁矾渣需要进行碎磨处理。
采用的原料组分及各组分的质量百分含量优选为：
骨料：采用粒度1～20mm的粗砂/碎石，16.5～17.6％；
粉煤灰：5.0～6.0％；
高炉渣：5.0～6.0％；
水泥：13.5～14.6％；
碱激发剂：13.5～14.6％；
湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥：42.5～46.0％。
采用的原料组分及各组分的质量百分含量进一步优选为：
骨料：采用粒度1～20mm的粗砂/碎石，16.8～17.4％；
粉煤灰：5.2～5.7％；
高炉渣：5.2～5.7％；
水泥：13.8～14.3％；
碱激发剂：13.8～14.3％；
湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥：43.0～45.0％。
所述的粉煤灰与高炉渣的质量比以1：1为佳，所述的水泥和碱激发剂的质量比也以1：1为佳。
本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，采用以下工艺：
(1)将经过压滤处理后含水率20％～30％的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥，与粉煤灰、高炉渣、水泥、粗砂/碎石按比例精确称量后放入轮碾机中充分混合均匀。
(2)将水玻璃、水、NaOH按比例进行混合，配成模数M为1.8～2.5的碱激发剂备用；水量占原料组分总质量的百分比为10～15％。
(3)将步骤(2)配好的混合物投入轮碾机中继续轮碾机混合、搅拌均匀。
(4)将步骤(3)中搅拌均匀后给入压砖机压制成型。
(5)将步骤(4)中压制成型的砖坯脱模后，放入养护室中进行蒸汽养护，蒸汽温度45～60℃，蒸汽养护时间18～30h，然后继续在室温情况下继续养护，直至达到《混凝土实心砖》(GB/T 21144-2007)的MU15强度等级要求。
对步骤(5)获得的实心砖产品抽检后进行浸出毒性检验，其浸出毒性低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)限值后出厂销售。
本发明采用以上工艺方案后，具有以下优点：
(1)本发明在湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥中加入粉煤灰、高炉矿渣等具有胶凝活性的固体废弃物，以固化和稳定铁矾渣和污水处理污泥中的重金属离子，使其重金属浸出浓度符合国家标准，实现湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥无害化。
(2)通过调整配方和压砖机振动、压实、养护等技术手段，使固化体的抗压强度、抗冻融性、耐久性等性能指标达到免烧砖产品的相关国家标准，实现湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥资源化。
(3)本发明方法制备的混凝土实心砖，得到平均抗压强度为16.6MPa的免烧砖产品，其性能指标达到《混凝土实心砖》(GB/T21144-2007)的MU15强度等级要求，且其浸出毒性低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)限值。
(4)本发明“以废治废”，整体、大宗量处理和利用湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥，可实现湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥零排放，同时达到湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥减量化、无害化、资源化的目的，妥善化解湿法炼锌铁矾渣和污水处理污泥处理及处置的技术、资金、场地等一系列问题，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法采用的技术路线和工艺流程图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例，对本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法做详细说明。
项目原料主要来自某有色金属集团湿法炼锌厂系统浸出工序产出的铁矾渣，年渣量为40000t。铁矾渣主要成分如表1所示：
表1铁矾渣主要成分一览表/％
名称 SO<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SiO<sub>2</sub> ZnO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO Na<sub>2</sub>O CuO CaO
铁矾渣 38.9 31.2 13.1 10.4 2.51 1.09 0.83 0.44 0.33 0.33
名称 MnO TiO<sub>2</sub> PbO P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> SrO Cl Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O
铁矾渣 0.29 0.10 0.087 0.072 0.07 0.049 0.046 0.028 0.025 0.019
名称 GeO<sub>2</sub>
铁矾渣 0.012
该冶炼厂锌系统污酸污水处理过程中平均每天产生污泥28吨，年产生污水处理污泥约9240吨。根据取样分析其主要成分分析如表2所示：
表2污泥渣主要成分一览表/％
名称 CaO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SiO<sub>2</sub> MgO MnO P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> SO<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O
污泥渣 20.6 3.4 2.3 0.97 0.19 0.01 1.39 0.06 34.20 0.02
名称 SrO Cl CuO ZnO Na<sub>2</sub>O PbO NiO As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 烧失量
污泥渣 0.02 0.13 0.014 2.90 19.2 0.0042 0.0010 0.093 15
该湿法炼锌厂铁矾渣和污水处理污泥堆存在厂区内，占用厂区资源和消耗运营成本，而且危险废物堆场空间有限，一旦堆场堆满，则需要委托有资质的危险废物处理公司进行处理，按每吨4000元的处理费用计算，九华冶炼厂每年铁矾渣及污水处理污泥处理费需要高达1.6亿，这将成为企业沉重的负担。
本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法实施例中采用的原料为：
①湿法炼锌铁矾渣：干基含SO3约39％，Fe2O3约31％，SiO2约13％，ZnO约10％，Al2O3约3％，As2O3约1％，MgO约1％，其它元素含量＜0.5％(合计约2％)；含水率20％～30％，无需烘干；浸出毒性高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)限值，属于危险废物；粒度-200目。
②湿法炼锌污水处理污泥：干基含SO3约34％，CaO约21％，Na2O约19％，烧失量约15％，ZnO约3％，Fe2O3约3％，Al2O3约1％，MgO约1％，其它元素含量＜0.2％(合计约3％)；含水率20％～30％，无需烘干；浸出毒性高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)限值，属于危险废物；粒度-200目。
③高炉渣：干基含CaO约43％，Fe2O3约22％，SiO2约16％，MgO约5％，MnO约4％，P2O5约3％，Al2O3约3％，TiO2约1％，SO3约1％，V2O5约1％，其它元素含量＜0.5％(合计约1％)；粒度小于2mm，且越细越好，有利于释放其胶凝活性。
④粉煤灰：干基含CaO约7％，Fe2O3约4％，SiO2约41％，Al2O3约37％，烧失量约5％，TiO2约2％，SO3约2％，K2O约1％，其它元素含量＜0.5％(合计约1％)；粒度-200目，且越细越好，有利于释放其胶凝活性。
⑤水玻璃：工业级，用NaOH将模数调为1.8～2.5。
⑥粗砂砂/瓜子片(即碎石)：粒度1～20mm，作为骨料，颗粒级配应粗细搭配，有利于提高免烧砖强度。
⑦水泥：复合硅酸盐水泥，强度等级32.5R。
本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：
骨料：采用粒度1～20mm的粗砂/碎石，15.5～18.5％；
粉煤灰：4.7～6.5％；
高炉渣：4.7～6.5％；
水泥：12.4～16.0％；
碱激发剂：12.4～16.0％；
湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥：40.0～50.0％；
所述的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥是经过压滤处理后的物料，含水率20％～30％，湿法炼锌铁矾渣与湿法炼锌污水处理污泥的质量配比为：4:1～5:1。所述的碱激发剂为水玻璃和NaOH按比例进行混合，配成模数M为1.8～2.5的混合物。
通过大量试验研究，采用的原料组分及各组分的质量百分含量最优为：
骨料：17.12％；
粉煤灰：5.44％；
高炉渣：5.44％；
水泥：14.0％；
碱激发剂：14.0％；
湿法炼锌铁矾渣+湿法炼锌污水处理污泥：44.0％；
由图1所示的本发明一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法采用的技术路线和工艺流程图看出，本发明采用“原料选择-破碎-称量-轮碾混合-振动、压制成型-养护箱养护-脱模-室温养护-成品检测-成品”的技术路线及工艺流程以下工艺：
(1)将经过压滤处理后含水率20％～30％的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥不必烘干，而是直接对大块的铁矾渣进行破碎，再与粉煤灰、高炉渣、水泥、粗砂/碎石按比例精确称量后放入轮碾机中充分混合均匀，混合时间5～10min；
(2)将水玻璃、水、NaOH按比例进行混合，配成模数M为1.8～2.5的碱激发剂备用；
(3)将步骤(2)配好的混合物投入轮碾机中继续轮碾机混合、搅拌均匀，混合时间5～10min；
(4)将步骤(3)中搅拌均匀后给入压砖机压制成型，选择具有振动、压制、成型功能的压砖机；
(5)将步骤(4)中压制成型的砖坯脱模后，放入养护室中进行蒸汽养护，蒸汽温度45～60℃，蒸汽养护时间24h，然后继续在室温情况下继续养护7d、14d、28d，直至达到《混凝土实心砖》(GB/T21144-2007)的MU15强度等级要求。
对步骤(5)获得的实心砖产品抽检后进行浸出毒性检验，判定其会否为合格产品，其浸出毒性低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)限值后出厂销售。

Claims (5)

1.一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，其特征在于采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：
骨料：采用粒度1~20mm的粗砂/碎石，15.5~18.5％；
粉煤灰：4.7~6.5％；
高炉渣：4.7~6.5％；
水泥：12.4~16.0％；
碱激发剂：12.4~16.0％；
湿法炼锌铁矾渣＋湿法炼锌污水处理污泥：40.0~50.0％；
所述的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥是经过压滤处理后的物料，含水率20%~30%，湿法炼锌铁矾渣与湿法炼锌污水处理污泥的质量配比为：4:1~5:1；
所述的碱激发剂为水玻璃或水玻璃与NaOH的混合物，模数M为1.8~2.5；
所述的粉煤灰的粒度为－0.076mm，所述高炉渣的粒度小于2mm，所述的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥的粒度为－0.076mm，对大块的铁矾渣需要进行碎磨处理；
采用以下工艺制备而成：
（1）将经过压滤处理后含水率20%~30%的湿法炼锌铁矾渣、湿法炼锌污水处理污泥，与粉煤灰、高炉渣、水泥、粗砂/碎石按比例精确称量后放入轮碾机中充分混合均匀；
（2）将水玻璃、水、NaOH按比例进行混合，配成模数M为1.8~2.5的碱激发剂备用；
（3）将步骤（2）配好的混合物投入轮碾机中继续轮碾机混合、搅拌均匀；
（4）将步骤（3）中搅拌均匀后给入压砖机压制成型；
（5）将步骤（4）中压制成型的砖坯脱模后，放入养护室中进行蒸汽养护，蒸汽温度45~60℃，蒸汽养护时间18~30h，然后继续在室温情况下继续养护，直至达到《混凝土实心砖》GB/T21144-2007的MU15强度等级要求；
对步骤（5）获得的实心砖产品抽检后进行浸出毒性检验，其浸出毒性低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》GB 5085.3-2007限值后出厂销售。
2.如权利要求1所述的一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，其特征在于：采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：
骨料：采用粒度1~20mm的粗砂/碎石，16.5~17.6％；
粉煤灰：5.0~6.0％；
高炉渣：5.0~6.0％；
水泥：13.5~14.6％；
碱激发剂：13.5~14.6％；
湿法炼锌铁矾渣＋湿法炼锌污水处理污泥：42.5~46.0％。
3.如权利要求2所述的一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，其特征在于：采用的原料组分及各组分的质量百分含量为：
骨料：采用粒度1~20mm的粗砂/碎石，16.8~17.4％；
粉煤灰：5.2~5.7％；
高炉渣：5.2~5.7％；
水泥：13.8~14.3％；
碱激发剂：13.8~14.3％；
湿法炼锌铁矾渣＋湿法炼锌污水处理污泥：43.0~45.0％。
4.如权利要求3所述的一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，其特征在于：所述的粉煤灰与高炉渣的质量比为1：1，所述的水泥和碱激发剂的质量比也为1：1。
5.如权利要求4所述的一种利用湿法炼锌产生的固体废物制备实心砖的方法，其特征在于：步骤（2）中的加水量占原料组分总质量的百分比为10～15%。
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