第三章-冶金工业及其污染源

第三章冶金工业及其污染源3.1冶金工艺概述3.2冶金工业废气3.3冶金工业废水3.4冶金固体废物3.1冶金工艺概述3.1.1金属及其分类铁金属和非铁金属前者系指铁及其合金；后者则指除了铁及其合金以外的金属元素。黑色金属和有色金属有色金属则是指除铁、铬、锰三种金属以外的所有金属。有色金属可分为有色金属纯金属和有色金属合金。有色金属纯金属分为重金属、轻金属、贵金属、半金属和稀有金属五类；有色金属合金分为重有色金属合金、轻有色金属合金、贵金属合金、稀有金属合金等；按合金用途则可分：变形（压力加工用合金）、铸造合金、轴承合金、印刷合金、硬质合金、焊料、中间合金、金属粉末等。有色金属材按化学成分分类：铜和铜合金材、铝和铝合金材、铅和铅合金材、镍和镍合金材、钛和钛合金材、镁和镁合金材。按形状分类可分为：板、条、带、箔、管、棒、线、型等品种。(1)有色轻金属：指密度小于4.5g/cm3的有色金属，有铝、镁、钙等及其合金；(2)有色重金属：指密度大于4.5g/cm3的有色金属、有铜、镍、铅、锌、锡、锑、钴、铋、镉、汞等及其合金；(3)贵金属：指矿源少、开采和提取比较困难、价格比一般金属贵的金属，如金、银和铂族元素及其合金；(4)半金属：指物理化学性质介于金属与非金属之间的硅、硒、碲、砷、硼等，也有人将硼、碳、砹、钋划入半金属，所有半金属元素都呈现金属光泽；(5)稀有金属：指在自然界中含量很少、分布稀散或难以提取的金属，稀有金属又分为钛、铍、锂、铷、铯等稀有轻金属；钨、钼、铌、钽、锆、钒等稀有高熔点金属；镓、铟、铊、锗等稀有分散金属；钪、钇和镧系元素等稀土金属；镭、锕系元素等稀有放散性元素。3.1.2冶金及冶金方法从矿石中提取金属及金属化合物的生产过程称为提取冶金(extractivemetallurgy)，简称冶金。矿石的主要成分是金属的氧化物及硫化物（少数卤化物）。由于在冶金生产过程中，离不开化学反应，所以又称为化学冶金(chemicalmetallurgy)。按提取金属工艺过程的不同，区分为火法冶金、湿法冶金及电冶金。电冶金包括电炉冶炼、熔盐电解及水溶液电解。3.1.3火法冶金工艺火法冶金(pyrometallurgy)是在高温下从冶金原料提取或精炼金属的冶炼工艺，是物理化学原理在高温化学反应中的应用。实现火法冶金过程所需热能，通常是依靠燃料燃烧来供给，也有依靠过程中的化学反应来供给的，比如，硫化矿的氧化焙烧和熔炼就无需由燃料供热；金属热还原、氧气转炉炼钢等过程均为自热进行的过程。火法冶金一般包括三大过程：①原料准备；②熔炼、吹炼；③精炼。其中进行的化学反应则有热分解、还原、氧化、硫化、卤化、蒸馏等。过程中的产物除金属或金属化合物之外，还有炉渣、烟气和烟尘（包括荒煤气）。烟气由高温的粉尘、烟雾及气体组成，通过对烟气处理和烟尘综合利用来回收其中的热量、有价组分以及把对环境有害的气体转化为有用产品。1．原料准备原料准备一般包括采矿、选矿、原料贮存、配料、混合、干燥、制粒（造球）、制团、焙烧、煅烧、烧结（造块）、焦化等工序。有些火法工艺并不要求制粒（制团）或焙烧，精矿可以直接冶炼。焦化虽然是化工过程，但它是钢铁冶金的重要组成部分。2．熔炼熔炼是指炉料在高温熔炼炉内发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的冶金过程。熔炼可以分为还原熔炼和氧化熔炼。3．精炼精炼是粗金属去除杂质的提纯过程。对于高熔点金属，精炼还具有致密化作用。精炼分化学精炼和物理精炼两大类。3.1.4湿法冶金工艺湿法冶金(hydro-metallurgy)是利用浸出剂将矿石、精矿、焙砂及其他物料中有价金属组分溶解在溶液中或以新的固相析出，进行金属分离、富集和提取的冶金工艺，它是水溶液化学及电化学原理的应用。由于这种冶金过程大都是在水溶液中进行，故称湿法冶金。湿法冶金温度不高，一般低于100℃，现代湿法冶金中的高温高压过程，温度也不过200℃左右，极个别情况温度可达300℃。随着矿石品位的下降和对环境保护要求的日益严格，湿法冶金在有色金属生产中的作用越来越大。湿法冶金主要包括浸出、液固分离、溶液净化、溶液中金属提取及废水处理等单元操作过程。1．浸出浸出是利用溶剂（浸出剂）选择性地从矿石、精矿、焙砂等固体物料中提取某些可溶性组分的湿法冶金单元过程。根据浸出剂的不同可分为酸浸出、碱浸出和盐浸出；根据浸出化学过程分为氧化浸出和还原浸出；根据浸出方式分为堆浸、就地浸、渗滤浸、搅拌浸出、热球磨浸出、管道浸出、流态化浸出；根据浸出过程的压力可分为常压浸出和加压浸出。2．固液分离将浸出液分离成液相和固相的过程，常用的固液分离方法有沉降分离和过滤两种方法，过滤通常又有离心分离和过滤分离。3．溶液净化溶液净化是除去溶液中杂质的湿法冶金过程。工业上常用的有结晶、蒸馏、沉淀、置换、溶剂萃取、离子交换、电渗析和膜分离等净化方法。为获得纯净溶液，往往多种方法综合使用。4．从溶液中提取金属将净化后水溶液中所含的金属离子以金属或其化合物形式析出回收的过程。可分为电解法和化学法两种。电解提取可归入电冶金中进行介绍。3.1.5电冶金电冶金是利用电能提取金属的冶金工艺。根据电能作用的不同，电冶金分为电热冶金和电化冶金两类。电热冶金是利用电能转变为热能进行冶炼的方法，其物理化学变化本质与火法冶金差别不大，主要区别是冶炼时热能来源不同，故电热冶金也可列入火法冶金。按电能转变为热能的方法即加热的方法不同，分为电弧熔炼、电阻熔炼、感应熔炼、电子束熔炼和等离子熔炼等。电化冶金（电解和电积）是利用电化学反应，使金属从含金属盐类的溶液或熔体中析出。根据电解液不同，电化冶金分为水溶液电解和熔盐电解；根据阳极不同又分为不溶阳极电解和可溶阳极电解。前者又称电解提取，后者又称电解精炼。熔盐电解亦可看做是一种不溶阳极电解精炼。冶金过程虽可分为火法和湿法，但火法是主要的。因为大多数的金属主要是通过高温冶金反应取得的。即使某些采用湿法的有色金属提取中，也仍然要经过某些火法冶炼过程作为原料的初步处理，如焙烧。这是因为火法冶金生产率高，流程短，设备简单及投资省，但却不利于处理成分结构复杂的复合矿或贫矿。从矿石或精矿中提取金属的生产工艺流程，常常是既有火法过程，又有湿法、电冶金过程，即便是以火法为主的工艺流程，比如，硫化铜精矿的火法冶炼，最后还须有电解精炼过程；而在湿法炼锌中，硫化锌精矿还需要用高温氧化焙烧对原料进行炼前处理。3.1.6冶金工艺实例1．钢铁冶金工艺2．铜冶金工艺炼铜以火法熔炼为主，火法炼铜占铜生产量的90%，主要是处理硫化矿。火法炼铜出现最早，工艺成熟，应用普遍，生产规模大，可以综合回收自然资源。缺点是建设投资和生产费用大，能源消耗高，难以处理低品位氧化矿、复杂难选矿等含铜原料。3．镍冶金工艺地壳中平均含镍0.008%。镍矿床分为硫化矿和氧化矿两大类，硫化矿约占13%，氧化矿约占87%。硫化矿的火法冶炼占硫化矿提镍的86%，其处理方法是预先焙烧和熔炼制取冰镍或铜冰镍，然后吹炼，类似于火法炼铜的工艺。4．铅冶金工艺铅在地壳中的平均含量为0.0016%，主要有硫化矿和氧化矿，其中硫化矿分布最广。铅矿石一般含铅不高，必须进行选矿富集，得到适合冶炼要求的铅精矿。现代铅的生产方法多为火法，湿法用的较少。氧气底吹直接炼铅法QSL5．锌冶炼工艺自然界的主要含锌矿物是硫化矿和氧化矿，硫化矿储量远大于氧化矿，是炼锌的主要矿物原料。硫化锌矿多为共生矿，如铅锌矿、铜锌矿、铜铅锌矿。这些矿石中除含铜、铅、锌外，还含有金、银、镉、铋、砷、锑等有价金属。冶炼厂的炼锌原料主要是硫化锌矿经浮选而得的锌精矿，其次是含铅锌的混合精矿。锌提取冶金分为火法炼锌和湿法炼锌两类。火法炼锌历史较久，工艺成熟，但能耗较高，而且需要价格较贵的冶金焦；而湿法炼锌能耗相对较低，生产易于机械化和自动化，自20世纪70年代以来，湿法炼锌逐渐取代了火法炼锌，生产能力不断扩大。目前，湿法炼锌总产量已占世界锌总产量的80%。6．铝冶金工艺金属铝生产原料主要是铝土矿。金属铝生产分为两大步骤：一是以铝土矿为原料生产氧化铝，二是将氧化铝进行熔盐电解生产金属铝。国外90%以上的氧化铝生产采用能耗低、污染小的拜耳法工艺生产。因为矿石类型和品位的原因，我国普遍采用烧结法和联合法生产工艺。近几年，我国氧化铝企业经技术改造，普遍采用间接加热管道化溶出、多效降膜蒸发、流态化焙烧、赤泥干法输送及堆存等国际先进技术和设备，总体上说，我国氧化铝厂技术装备水平已经接近世界先进水平。3.2冶金工业废气3.2.1大气污染1．大气质量标准目前，我国使用的大气环境质量标准仍然是1996年制定的GB3095-1996标准。一级标准为保护自然生态和人群健康，在长期接触情况下不发生任何危害影响的空气质量要求；二级标准为保护人群健康和城市、乡村的动、植物，在长期和短期接触情况下，不发生伤害的空气质量要求；三级标准为保护人群不发生急、慢性中毒和城市一般动、植物（敏感者除外）正常生长的空气质量要求。共限定了六种污染物的浓度值：SO2、TSP、PM10、NOx、NO2、CO、O3、Pb、B[a]P、F。2．大气污染的成因大气污染是指大气中污染物（不定组分）的浓度及持续时间超过大气环境质量标准，达到了有害程度，以致破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人和动物造成危害的现象。大气污染的成因可分为两类：一类来自大自然的地壳运动，为天然污染源，在目前的科学技术条件下，还无法预测也无法防治与控制，但它相对于人类的生产活动所造成的大气污染来说程度较小，污染物的平均浓度较低，在一定时间内由于沉积，氧化，吸收而进入海洋和泥土，因而大气能自然得到净化。另一类是由于人类的生产活动和日常生活过程中人为产生的污染源，往往集中在一个比较小的地理区域内，且往往又是在人口稠密的都市，所产生的大气污染物及其对人类的危害远远超过了自然过程发生的大气污染。(1)天然污染源森林火灾：主要污染物为NOx、CO、CO2、烃类、颗粒物等。火山爆发：向大气喷洒出大量气体和颗粒物质，其数量最多的物体是SO2、HCl和HF气体。硫化物来源于熔岩中存在的硫酸盐。地热流：有的地热流释放出的气体中负有硫化物、甲烷、氨气等。油田和天然气：主要是有机硫化物、硫化氢、甲烷等各种烃类化合物。其他：各种类型的植物产生几百种烃类化合物，如陆地和海洋水体中大量生物的腐烂分解产生CO2、NH3、H2S、CH4、HCHO等。(2)人为污染源燃料燃烧：燃烧过程主要产物为烟气流，由固体、液体和气体物质组成，其主要成分为：空气中未参与燃烧反应的氧和氮，燃烧过程的最终产物CO2，H2O和SO2；不完全燃烧的产物CO，NO和残余燃料；燃烧中的灰分，残渣，燃烧后生成的烟尘；燃烧反应生成的有机碳氢化合物。工农业生产过程。工农业生产是产生工业废气的主要来源。各种生产过程都需要有能量和动力供应，而这些都来自于化学燃料的燃烧。全球范围内燃料的燃烧每年释放出的CO2量估计可高达109t，成为大气中CO2历年上升的主要原因之一。交通运输，城市垃圾焚烧等行业也是造成空气污染的主要原因之一。3．大气的污染物分类(1)气溶胶状态污染物在大气污染中，气溶胶状态污染物通常指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮物。降尘：直径大于10μm的粒子飘尘：直径小于10μm的粒子浮尘：粒径小于0.1μm。云尘：粒径在0.25～10μm。粉尘：在工业生产中由于燃料的破碎、筛分、堆放、转运或其他机械处理方面产生直径介于1～100μm之间的固体微粒称为粉尘或灰尘。煤燃烧时产生直径大于1μm的微粒称为煤尘；直径小于0.1μm的微粒称为煤烟。烟尘：由于燃烧、熔融、蒸发、升华、冷凝等过程所形成的固体或液体悬浮微粒，其粒径大于1μm，称为烟尘。烟雾：其原意是空气中的煤烟和自然界的雾相结合的产物。进而，人们把环境中类似于上述产物的现象通称为烟