CN108620409A - 一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，包括：将高温液态炉渣与含砷废物混合反应，冷却得到炉渣固砷体。本发明充分利用了高温液态炉渣的热量和有效组分，对含砷废物进行高效固定，得到的炉渣固砷体具有较高的化学稳定性，可以长期堆存或者按照一般废物进行填埋，实现了含砷废物的无害化处置，以绿色可持续发展的方式解决了砷污染问题，同时拓宽了高温液态炉渣的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，更具体地，涉及一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法。
背景技术
在钢铁冶炼、有色金属冶炼等高温冶炼过程中产生大量的高温液态炉渣，它们通过排渣口脱离熔炼炉。据报道，2010年我国冶炼渣产生量约为3.15亿吨，其中大部分冶炼渣都产自于高温冶炼过程中。目前，对于钢铁冶炼和有色金属冶炼产生的高温液态炉渣一般采取水冷或者自然冷却的方式进行冷却，然后采取填埋或堆置的方式处置，资源化利用程度不高，也使得高温液态炉渣的热量白白损失，没有得到有效利用。
钢铁冶炼、有色金属冶炼等过程中产生的高温液态炉渣以硅钙渣或者铁硅渣为主。这些高温液态炉渣在冷却的过程中容易形成玻璃体，因而对含砷废物具有一定的包裹能力。目前关于含砷废物的固化/稳定化技术中采用高温固化的较少。CN107311455A公开了一种利用含砷废渣制备含砷固化玻璃的方法，其中需要对固化物料进行高温热处理。CN103265171A公开了一种固化含砷废料的方法及生成的固砷类水晶产品和应用，其中需要在高压下进行固化。上述技术都存在能耗高且对固化设备要求严苛的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，既实现了含砷废物的稳定固化，又充分利用了高温液态炉渣的热量和有效组分，具有重要的环保意义。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，包括：将高温液态炉渣与含砷废物混合反应，冷却得到炉渣固砷体。
上述技术方案中，高温液态炉渣以硅钙渣或者铁硅渣为主，在冷却的过程中容易形成玻璃体，因而对含砷废物具有一定的包裹能力，将高温液态炉渣与含砷废物混合最终形成炉渣固砷体，实现了含砷废物的固化。
上述技术方案中，优选地，所述高温液态炉渣的出炉温度高于1000℃。温度越高，传热越快，越有利于含砷废物熔融，促使高温液态炉渣基本结构单元和含砷废物的结合，从而使砷以更加稳定的形态被固定在高温液态炉渣结构中。
上述技术方案中，还包括在将所述高温液态炉渣与所述含砷废物混合后进行保温，所述保温的温度为高于1000℃，保温时间为1-6h。
上述技术方案中，所述含砷废物为砷酸盐，先将所述砷酸盐与助熔剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。砷酸盐的形式比较稳定，因此只需要加入助熔剂，降低含砷废物的熔化温度，使含砷废物较快呈液态，有利于与高温液态炉渣的结合。
上述技术方案中，所述助熔剂为SiO2、Na2CO3、H3BO3、玻璃中的一种或多种，所述砷酸盐与所述助熔剂的质量比为(10-30):(70-90)。
上述技术方案中，所述含砷废物为含砷污泥，先将所述含砷污泥与砷物相调控剂和助熔剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。含砷污泥中砷主要以砷钙化合物的形式存在，加入砷物相调控剂能使其转变为砷酸盐。因为砷酸盐高温下更稳定，所以反应过程中能降低砷的挥发。所述砷物相调控剂为H2O2和/或MnO2。所述助熔剂为SiO2、Na2CO3、H3BO3、玻璃中的一种或多种。
上述技术方案中，优选地，所述砷物相调控剂为H2O2，所述助熔剂为玻璃。所述H2O2、所述玻璃与所述含砷污泥的质量比为(5-10):(15-30):(60-80)。其中，砷物相调控剂H2O2可以将含砷污泥中的三价砷氧化成高温状态下稳定的五价砷，避免含砷污泥与高温液态炉渣反应过程中砷的挥发；助熔剂玻璃可以降低高温固化反应所需要的温度，进而促使砷与炉渣的熔融固化反应更加充分。
上述技术方案中，所述含砷废物为含砷烟灰，先将所述含砷烟灰与高温稳砷剂和砷物相调控剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。含砷烟灰中砷主要以硫化物或氧化物的形式存在，且部分砷为三价砷。加入砷物相调控剂是将三价砷转变为五价砷，五价砷在高温下更稳定，加入高温稳砷剂是将氧化或者硫化物的砷转变为更稳定的砷酸盐，减少反应中的砷挥发。所述高温稳砷剂为CaO、Ca(OH)2、NaOH中的一种或多种。所述砷物相调控剂为H2O2和/或MnO2。
上述技术方案中，优选地，所述高温稳砷剂为CaO，所述砷物相调控剂为H2O2，所述H2O2、所述CaO与所述含砷烟灰的质量比为(5-20):(5-10):(70-90)。含砷烟灰中砷主要为As2O3，通过加入砷物相调控剂H2O2，可以将As2O3氧化成As2O5；再添加高温稳砷剂CaO，促使As2O5转变成Ca3(AsO4)2，使砷能在高温下稳定、不发生热分解。
上述技术方案中，所述高温液态炉渣占总反应物的质量分数为55％-95％，优选为60％-75％。高温液态炉渣的用量要大于含砷物料的用量，才能达到高温液态炉渣包裹含砷物料的效果，而且高温液态炉渣中不是所有组分都能包裹含砷物料，即高温液态炉渣不全是有效组分，最终发现高温液态炉渣占总反应物的质量分数为60％-75％，结合包裹效果较好。
上述技术方案中，所述高温液态炉渣与所述含砷废物混合的方式包括边搅拌边向所述高温液态炉渣中加入所述含砷废物，或者将所述高温液态炉渣分步倾注入所述含砷废物中。采取将所述高温液态炉渣分步倾注入所述含砷废物中这种混合方式，操作简便，无需额外装置，节约成本。
上述技术方案中，所述保温的方法包括采用电热前床加热，或者补充高温液态炉渣。
上述技术方案中，所述冷却方式为自然冷却、鼓风冷却、水冷中的一种或多种。
本发明相对于现有技术具有的有益效果：
本发明充分利用了高温液态炉渣的热量和有效组分，对含砷废物进行高效固定，得到的炉渣固砷体具有较高的化学稳定性，可以长期堆存或者按照一般废物进行填埋，实现了含砷废物的无害化处置，以绿色可持续发展的方式解决了砷污染问题，同时拓宽了高温液态炉渣的资源化利用。
附图说明
图1为实施例1中利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法的工艺流程图；
图2为实施例1中高温液态炉渣的XRD图；
图3为实施例1中炉渣固砷体的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，并不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，工艺流程图如图1所示，其中所述高温液态炉渣为炼铜产生的高温液态炉渣，其XRD图如图2所示，所述含砷废物为以砷酸钠为主的含砷废物(砷含量为32％)，具体步骤如下：
向含砷废物中添加助熔剂H3BO3，其中H3BO3与含砷废物的质量比为20:80，进行混合并球磨至0.05-0.2mm，其中球料比为10:1，然后将混合好的含砷物料置于渣包底部，按照含砷物料与高温液态炉渣质量比为30:70，分两次将1150℃的高温液态炉渣倾倒至渣包中，并通过电热前床维持渣包温度高于1000℃，保持时间为1h，最后通过水冷方式冷却至常温，得到炉渣固砷体，其XRD图如图3所示。
由图2和图3可以看出，反应前高温液态炉渣中的主要物相为Fe2.95Si0.05O4和Fe2(SiO4)2，反应后炉渣固砷体中没有检测到任何晶体物相的存在，表明形成了玻璃态固砷体。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对含砷废物和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表1。
表1含砷废物固化前后砷浸出毒性浓度
实施例2
本实施例提供了一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其中所述高温液态炉渣为炼铜产生的高温液态炉渣，所述含砷废物为以砷酸钠为主的含砷废物(砷含量为32％)，具体步骤如下：
向含砷废物中添加助熔剂碎玻璃，其中碎玻璃与含砷废物的质量比为30:80，进行混合并球磨至0.05-0.2mm，其中球料比为10:1，然后将混合好的含砷物料置于渣包底部，按照含砷物料与高温液态炉渣质量比为30:70，分两次将1150℃的高温液态炉渣倾倒至渣包中，并通过电热前床维持渣包温度高于1000℃，保持时间为1h，最后通过水冷方式冷却至常温，得到炉渣固砷体。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对含砷废物和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表2。
表2含砷废物固化前后砷浸出毒性浓度
实施例3
本实施例提供了一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其中所述高温液态炉渣为铅冶炼过程中产生的高温液态炉渣，所述含砷废物为含砷污泥(砷含量为21％)，具体步骤如下：
向含砷污泥中添加砷物相调控剂H2O2和助熔剂碎玻璃，其中H2O2、碎玻璃与含砷污泥的质量比为10:30:60，进行混合并球磨至0.05-0.1mm，其中球料比为10:1，然后将混合好的含砷物料置于渣包底部，按照含砷物料与高温液态炉渣质量比为40:60，分两次将1100℃的高温液态炉渣倾倒至渣包中，并通过电热前床维持渣包温度高于1000℃，保持时间为1h，最后通过水冷方式冷却至常温，得到炉渣固砷体。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对含砷污泥和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表3。
表3含砷污泥固化前后砷浸出毒性浓度
实施例4
本实施例提供了一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其中所述高温液态炉渣为炼铜产生的高温液态炉渣，所述含砷废物为铜熔炼产生的高砷烟灰(砷含量为13.21％)，具体步骤如下：
向高砷烟灰中添加高温稳砷剂CaO和砷物相调控剂H2O2，其中CaO、H2O2与高砷烟灰的质量比为10:20:70，进行混合并球磨至0.05-0.1mm，其中球料比为10:1，然后将混合好的含砷物料置于渣包底部，按照含砷物料与高温液态炉渣质量比为25:75，分两次将1150℃的高温液态炉渣倾倒至渣包中，并通过电热前床维持渣包温度高于1000℃，保持时间为1h，最后通过自然冷却方式冷却至常温，得到炉渣固砷体。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对高砷烟灰和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表4。
表4高砷烟灰固化前后砷浸出毒性浓度
实施例5
其余与实施例4相同，不同的是没有加入砷物相调控剂H2O2。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对高砷烟灰和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表5。
表5高砷烟灰固化前后砷浸出毒性浓度
实施例6
其余与实施例4相同，不同的是没有加入高温稳砷剂CaO。
对所得炉渣固砷体进行破碎，采用TCLP法对高砷烟灰和炉渣固砷体进行浸出毒性测试，数据见表6。
表6高砷烟灰固化前后砷浸出毒性浓度
最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)
1.一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，包括：将高温液态炉渣与含砷废物混合反应，冷却得到炉渣固砷体。
2.根据权利要求1所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述高温液态炉渣的出炉温度高于1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，还包括在将所述高温液态炉渣与所述含砷废物混合后进行保温，所述保温的温度为高于1000℃，保温时间为1-6h。
4.根据权利要求1所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述含砷废物为砷酸盐，先将所述砷酸盐与助熔剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。
5.根据权利要求4所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述助熔剂为SiO2、Na2CO3、H3BO3、玻璃中的一种或多种，所述砷酸盐与所述助熔剂的质量比为(10-30):(70-90)。
6.根据权利要求1所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述含砷废物为含砷污泥，先将所述含砷污泥与砷物相调控剂和助熔剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。
7.根据权利要求6所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述砷物相调控剂为H2O2，所述助熔剂为玻璃，所述H2O2、所述玻璃与所述含砷污泥的质量比为(5-10):(15-30):(60-80)。
8.根据权利要求1所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述含砷废物为含砷烟灰，先将所述含砷烟灰与高温稳砷剂和砷物相调控剂混合后，再与所述高温液态炉渣混合反应。
9.根据权利要求8所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述砷物相调控剂为H2O2，所述高温稳砷剂为CaO，所述H2O2、所述CaO与所述含砷烟灰的质量比为(5-20):(5-10):(70-90)。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种利用高温液态炉渣固定含砷废物的方法，其特征在于，所述高温液态炉渣占总反应物的质量分数为55％-95％，优选为60％-75％。
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