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金属镁冶炼还原渣脱硫性能研究:机理、影响因素与应用路径
一、研究背景与核心价值
(一)镁产业发展与还原渣处置困境
中国在全球金属镁生产领域占据着举足轻重的地位,堪称全球最大的金属镁生产基地。其中,陕西府谷县尤为典型,其金属镁产量占全球总产量的45%以上,是全球镁产业的核心区域。当前,中国金属镁的生产主要采用硅热法中的皮江法。在这一冶炼过程中,每生产一吨金属镁,就会产生4.8-5.5吨的还原渣。以中国每年金属镁产量100万吨来估算,还原渣的年排放量高达480-550万吨。
目前,这些镁渣的处理方式主要是填埋。然而,这种处理方式带来了诸多严重问题。镁渣中含有的β-2CaO?SiO?在冷却过程中,当温度降至798K以下时,会转变为γ-2CaO?SiO?,这一转变会导致体积膨胀12%,使得镁渣极易粉化。据统计,渣中粒径小于147μm的细粉比例高达60%以上,这些细粉一旦扩散到空气中,就会形成粉尘污染,对大气环境造成破坏,还可能引发人类呼吸道疾病,危害人体健康。同时,镁渣具有高碱性,在冷却时容易吸收空气中的水分而潮解,这不仅会改变土壤的酸碱度,破坏土壤结构,影响土壤的肥力和农作物的生长,还会造成土地资源的浪费。此外,镁渣中还含有Ca、Mg、Si等多种活性成分,直接填埋导致这些宝贵的资源无法得到有效利用,造成了极大的浪费。
在传统应用方面,镁渣在水泥掺合料中的掺入比例仅为3-8%。这是因为镁渣中的MgO在水泥硬化过程中会发生水化反应,生成氢氧化镁,导致体积膨胀,从而影响水泥的强度和稳定性,限制了镁渣在水泥中的大量使用。在建筑材料领域,同样由于MgO的膨胀性问题,使得镁渣在建筑材料中的应用受到很大限制,无法大规模使用。因此,寻求新的高附加值利用途径,实现镁渣的资源化利用,已成为镁产业可持续发展面临的紧迫任务。
(二)脱硫技术需求与镁渣资源化潜力
在工业生产中,大量的烟气排放含有二氧化硫(SO?)等污染物,对环境造成了严重的危害。为了减少SO?的排放,工业烟气脱硫技术显得尤为重要,而脱硫技术的关键在于脱硫剂的选择。目前,工业上对碱性脱硫剂的需求十分迫切,传统的石灰石脱硫剂虽然应用广泛,但存在着一些局限性。
镁渣作为一种工业废渣,却蕴含着巨大的资源化潜力。在镁渣的成分中,CaO、MgO的总含量超过60%,这两种成分都具有与SO?发生化学反应的天然活性。从理论上讲,镁渣完全可以作为一种潜在的脱硫剂应用于工业烟气脱硫。与传统的石灰石脱硫剂相比,镁渣具有独特的优势。首先,利用镁渣进行脱硫可以实现固废的减量,减少对环境的压力,同时降低了脱硫剂的采购成本,为企业节省了开支。然而,镁渣在实际应用中也面临着一些问题。例如,其脱硫反应的温度窗口相对较窄,这就要求在实际应用中对反应温度进行精确控制,增加了操作的难度。此外,镁渣中活性成分的利用率较低,钙转化率仅为30%-40%,这意味着大量的活性成分被浪费,脱硫效率难以提高。
因此,深入研究镁渣的脱硫性能,探索提高其脱硫效率和活性成分利用率的方法,对于破解镁产业当前面临的“产渣-弃渣”循环瓶颈具有关键意义。通过对镁渣脱硫性能的研究,可以为镁渣的资源化利用开辟新的途径,实现镁产业的绿色发展,推动绿色冶金的进程,具有重要的经济、环境和社会价值。
二、金属镁冶炼还原渣特性分析
(一)化学成分与矿物相组成
金属镁冶炼还原渣的化学成分和矿物相组成较为复杂,这与其冶炼工艺和原料密切相关。通过X射线荧光光谱(XRF)分析和X射线衍射(XRD)分析等先进检测技术发现,还原渣中主要成分包括β-2CaO?SiO?、MgO、Al?O?等。其中,β-2CaO?SiO?的含量在40%-50%之间,它是一种重要的矿物相,在水泥等建筑材料中具有潜在的应用价值。然而,β-2CaO?SiO?在低温环境下存在不稳定性。当温度降至一定程度,尤其是低于798K时,它会发生晶型转变,从β型转变为γ型。这种转变会带来显著的体积变化,体积膨胀可达12%。这一特性使得还原渣在冷却过程中极易发生粉化现象,渣中粒径小于147μm的细粉比例可高达60%以上。这些细粉如果扩散到空气中,不仅会对环境造成污染,还可能对人体健康产生危害,如引发呼吸道疾病等。
MgO在还原渣中的含量为15%-25%,主要以游离态的形式存在。MgO的活性对还原渣的脱硫性能有着关键影响,其活性大小与煅烧温度紧密相关。一般来说,煅烧温度越高,MgO的活性越低。在脱硫反应中,MgO作为核心碱性组分参与反应,其活性的高低直接决定了脱硫反应的效率和效果。当MgO活性较高时,能够更迅速地与SO?发生反应,从而提高脱硫效率;反之,若MgO活性较低,脱硫反应的速率和程度
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