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钢渣-粉煤灰-脱硫石膏复合胶凝体系的反应机制及应用研究

　　作为典型的的大宗工业废弃物，钢渣、粉煤灰、脱硫石膏等大量的排放和堆存对环境带来严重的危害。利用钢渣、粉煤灰、脱硫石膏制备无机胶凝材料以替代部分水泥用于工业生产，不仅可以促进工业固废的大规模处置，同时可以实现水泥减产降耗、节约成本等目的。　　粉煤灰是燃煤电厂锅炉燃烧过程中所排放的一种固体废弃物，它是由煤粉或者煤泥等在炉膛中高温燃烧后，原料中的无机矿物质经过灼烧、转化、熔融、冷却等一系列物理化学变化，从烟气管道中排出并被收捕下来的细小颗粒。粉煤灰在制备胶凝材料中的胶凝作用主要依靠其火山灰特性，即粉煤灰中的活性Al2O3和SiO2在水热条件下，与Ca(OH)2反应生成C-S-H和C-A-H凝胶的性质。煤粉炉粉煤灰中含钙较少，其自身并不具备胶凝特性。而循环流化床粉煤灰中含有一定的CaO/Ca(OH)2，其具有一定的水化自硬性。　　钢渣是炼钢厂在炼钢过程中，在1600℃以上高温下，通过氧化造渣去除掉的钢水中的碳、硅、硫、磷、锰等杂质而产生的废渣。钢渣的矿物组成与其碱度[A=mCaO/m(SiO2+P2O5)]密切相关，这主要跟钢渣的形成过程有关，由于在炼钢过程的，钢水中部分Fe、Mn、Mg等金属元素被氧化，生成FeO、MnO和MgO等，硅元素被氧化成SiO2、还有由于助熔剂分解产生的CaO，从而形成CaO-SiO2-RO（其中R为Fe2+、Mn2+、Mg2+等二价金属离子，由于他们的离子半径接近，很容易形成连续固熔体）体系。按照碱度大小对钢渣进行分类：当碱度A为0.9-1.4时，钢渣主要为钙镁橄榄石渣；当碱度A为1.4-1.6时，钢渣主要为镁蔷薇辉石渣；当碱度A为1.6-2.4时，钢渣主要硅酸二钙渣；当碱度A＞2.4时，钢渣主要为硅酸三钙渣。同时钢渣（尤其是高碱度钢渣）具有类水泥的矿物组成，比如C2S、C3S和少量C3A、C4AF等，这些矿物本身可以发生水化反应，从而使钢渣具有一定的胶凝特性。　　脱硫石膏又叫烟气脱硫石膏，是燃煤电厂中对锅炉燃烧含硫煤所产生的的烟气进行脱硫净化处理后得到的工业副产石膏。脱硫石膏的组成成分主要为CaSO4·2H2O，含量一般在92%-95%。由于脱硫石膏中含有少量的碳酸钙、白云石、白云母、粉煤灰等杂质，脱硫石膏一般呈现黄色。在复合胶凝材料中添加一定量的脱硫石膏会对胶凝材料的性能产生一些的积极作用。脱硫石膏对复合胶凝材料的作用机理主要有：　　1）脱硫石膏作为复合胶凝材料中矿物原料、掺合料的活性激发剂，脱硫石膏起到了硫酸盐激发的作用。　　2）脱硫石膏属于一种硫酸盐，能与水泥水化产生的Ca(OH)2和含铝相发生反应，生成钙矾石晶体。钙矾石晶体在胶凝材料内部通过生长，不断填充孔隙，提高了材料的密实度，改善了材料力学性能；　　3）延缓胶凝材料的凝结时间，脱硫石膏可以对一些水化较快的矿物（比如C3A）起到一定的缓凝作用，这是因为由脱硫石膏生成钙矾石晶体包裹在矿物颗粒表面，隔离了水分，降低水分的渗透速度，从而起到一定减缓矿物水化凝结的作用。　　4）析晶效应，有研究证明，脱硫石膏加入到胶凝材料中，有助于加速胶凝材料水化产物晶体析出，缩短诱导期，从而加速胶凝材料抗压强度的增长。需要注意的是，脱硫石膏在复合胶凝材料中的掺入量不能太大，一般在10%以下。这是由于，脱硫石膏过多，可能在胶凝材料硬化后期生成较多钙矾石，从而产生体积膨胀，最终可能导致胶凝材料硬化体膨胀开裂。　　本文采用超音速蒸汽粉碎机对粉煤灰和钢渣进行超微粉磨，通过理论分析与实验研究，探讨了粉煤灰、钢渣的超微粉化作用机理和其对胶凝材料的增强作用机制。同时选用所制备的钢渣超微粉、粉煤灰超微粉为主要胶凝材料，脱硫石膏微粉作为辅助胶凝材料和活性激发剂，设计一种钢渣-粉煤灰-脱硫石膏（SS-FA-DG）全固废三元胶凝体系，对此胶凝体系的水化产物、反应机理、反应过程进行了重点研究。并通过养护条件优化、强化碳化实验，进一步提升了胶凝材料的力学性能。最后，在理论研究的基础上，初步探索了SS-FA-DG全固废三元胶凝体系在高性能免烧透水砖方面的工程应用。主要工作和结论如下：　　（1）对比研究了流化床粉煤灰（CFBFA）和煤粉炉粉煤灰（PCFA）在超微粉磨前后的特性变化。结果表明，粉煤灰的超微粉化不仅使得其比表面积的增加，而且导致了粉煤灰中硅铝酸盐矿物的结晶度和阴离子聚合度的降低。对粉煤灰-水泥胶凝试块的性能研究表明，粉煤灰超微粉比粉煤灰原灰更有利于水泥胶凝试块抗压强度的提升，尤其是早期抗压强度的发展。胶凝试块的吸水率和热失重的研究表明，粉煤灰超微粉提高了胶凝试块的密实度，且提高了试块中C-S-H的含量。与PCFA相比，CFBFA中硅铝酸盐矿物的阴离子聚合度较低，CFBFA更有利于提升水泥试块的前期抗压强度，而PCFA玻璃体中的活性SiO2和Al2O3在反应过程中缓慢释放，更加有利于提升试块的后期抗压强度。　　（2）详细研究了超音速蒸汽粉碎机对钢渣的超微粉碎特性。结果表明，钢渣经过超微粉碎后，被分级收集可以获得不同粒度的钢渣超微粉，其中颗粒较小的钢渣超微粉，颗粒富集较多CaO和SiO2，且其阴离子聚合度也较低，晶体尺寸较小，活性较高，更加适合用于胶凝材料的制备。研究了钢渣超微粉对粉煤灰-水泥胶凝试块性能的影响，结果发现，利用钢渣超微粉替代部分水泥使粉煤灰-水泥二元胶凝体系转变为粉煤灰-钢渣-水泥三元胶凝体系，胶凝试块的抗压强度、抗冻性和耐磨性都得到大幅提高。　　（3）以抗压强度为主要指标，考察了钢渣，粉煤灰和脱硫石膏三种固废的协同胶凝效应，结果表明，不同胶凝体系的协同效应大小为：三元体系>二元体系II（钢渣-粉煤灰）>一元体系（钢渣）。采用钢渣超微粉：粉煤灰超微粉：脱硫石膏微粉为70:20:10的配比制备全固废胶凝试块，试块抗压强度较高（28天抗压强度为39.6MPa），耐水性较好（软化系数为1.09）。对胶凝试块的SEM、XRD和TGA分析表明，粉煤灰-钢渣-脱硫石膏复合胶凝体系的协同效应为，钢渣自身具有自胶凝特性；粉煤灰促进了钢渣的二次水化反应，生成更多的C-S-H凝胶；脱硫石膏参与体系反应，生成钙矾石晶体，针杆状的钙矾石晶体与C-S-H凝胶交错生长，形成致密网络状结构，降低试块孔隙率，优化试块整体结构，并且脱硫石膏对粉煤灰起到活性激发作用，加深了反应程度，增加了试块中C-S-H含量，同时也促进水化产物中高钙硅比（c/s）水化硅酸钙向低c/s水化硅酸钙的转化，因此提高了胶凝试块的力学性能。　　（4）研究了SS-FA-DG复合胶凝体系的反应动力学，并考察温度对其反应动力学特点的影响。结果表明，SS-FA-DG复合胶凝体系的反应可以分为五个阶段进行。第一阶段，钢渣水解，体系液相中出现OH-和Ca2+；第二阶段，粉煤灰的活性Al、Si在OH-的刺激下开始溶出，在溶液中形成H2SiO42-与H2AlO3-；第三反应阶段，液相中H2SiO42-、H2AlO3-与SO42-、Ca2+发生反应生成C-S-H和钙矾石等产物，胶凝试块开始硬化，并产生一定的抗压强度。第四阶段，C-S-H大量生成，同时大量消耗Ca(OH)2，C-S-H开始成核、结晶。第五阶段，C-S-H和钙矾石晶体在胶凝材料内部不断扩散、相互生长，形成网络状结构，使胶凝试块更加密实，抗压强度快速发展。养护温度的提升可以缩短SS-FA-DG复合胶凝体系各阶段的反应时间，加速水化反应速度。同时，温度的提升使水化产物的聚合度增加，提高水化程度，增加了C-S-H的生成量，使得胶凝试块的抗压强度更高。　　（5）对SS-FA-DG全固废三元胶凝体系的养护制度进行优化研究。实验发现，在湿热+蒸压复合养护条件下，SS-FA-DG三元胶凝试块的抗压强度在较短的养护时间（＜4天）内达到了35.8MPa，符合国标MU35的强度要求。XRD，FT-IR和TGA分析表明，湿热养护有利于胶凝试块中C-S-H的快速生成，而蒸压养护则促进了C-S-H向托勃莫来石晶体的转化。SEM分析表明C-S-H胶凝与托勃莫来石晶体互相链接，紧密结合，形成一种更加致密的微观结构，从而使得胶凝试块的抗压强度较高。对养护完成后的胶凝试块进行强化碳化实验，结果表明，胶凝试块的抗压强度进一步增长约19.6%，这主要是因为微纳米级碳酸钙填充孔隙，使凝胶块更致密。强化碳化后，胶凝试块的质量增加了1.95％，说明其自身质量的1.95％的CO2被吸收。　　（6）采用自主开发的“机械造孔-静压成型”新技术，以SS-FA-DG复合微粉为胶凝材料，以矿渣为骨料，骨胶比为6:4，水灰比为0.2，采用梯度蒸压养护制度，制备高性能免烧透水砖。结果显示，所制备透水砖各项性能均满足或超过相关国家标准要求。透水砖产品在山西太钢集团进行了中试生产，并对中试产品在山西襄垣进行实地铺设，经过一年的使用发现，本课题所研制免烧透水砖的长期稳定性良好，具有较好的市场、经济效益前景。　　来源：山西大学博士论文《钢渣-粉煤灰-脱硫石膏复合胶凝体系的反应机制及应用研究》。。仅供分享交流，图文版权归原作者。侵删。

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中国战略性矿产——铝

　　铝，作为一种银白色的轻金属，在金属元素中，铝以其独特的物理和化学性质脱颖而出。铝具有良好的延展性，这意味着它可以被轻松地拉成细丝或压成薄片，而不会轻易断裂。这种特性使得铝在制造各种形状和尺寸的金属制品时具有极高的灵活性。铝是一种优秀的导电材料，其导电性能仅次于铜。这使得铝在电气和电子设备中具有广泛的应用，如电线、电缆和变压器等。铝的导热性能也非常出色，能够快速地将热量从一个地方传递到另一个地方。因此，铝常被用于制造散热器、热交换器等需要高效散热的设备。铝的密度相对较小，但强度却很高。这使得铝在制造轻质高强度的结构材料时具有显著的优势，如航空航天领域的飞机机身和汽车零部件等。铝在空气中能够形成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜能够保护内部的铝不被进一步氧化或腐蚀。因此，铝在潮湿或腐蚀性环境中仍能保持其良好的性能。　　由于上述优异的性质，铝在航空航天、交通运输、建筑、电子等众多领域都有着广泛的应用。例如，在航空航天领域，铝被用于制造飞机机身、发动机部件和燃料箱等；在交通运输领域，铝被用于制造汽车车身、车轮和发动机部件等；在建筑领域，铝被用于制造门窗、幕墙和屋顶等；在电子领域，铝被用于制造电容器、电阻器和集成电路等。　　铝不仅是一种重要的基础原材料，更是国家工业发展、经济建设和国防安全不可或缺的战略性矿产资源。在现代工业体系中，铝的地位举足轻重，它直接关系到国家的产业竞争力和可持续发展能力。随着全球经济的不断发展和工业化进程的加速推进，铝的需求量也在持续增长。因此，确保铝资源的稳定供应和合理利用已成为各国政府和企业共同关注的焦点。通过加强铝资源的勘探、开采、加工和回收利用等环节的管理和技术创新，可以进一步提高铝的利用效率并降低其对环境的影响，从而推动铝产业的可持续发展。　　图1铝土矿　　一、资源分布　　（一）全球分布　　全球铝土矿资源丰富，但分布并不均衡。根据美国地质调查局《矿产品摘要2023》的数据，截至2022年底，全球已探明铝土矿储量约为310亿吨，预测资源量为550至750亿吨。这些资源主要分布在几内亚、澳大利亚、巴西、越南、牙买加、印度尼西亚等国家和地区。　　几内亚：几内亚是全球铝土矿储量最高的国家，其铝土矿储量占全球总储量的比例相当可观。几内亚的铝土矿不仅储量大，而且品质优良，因此该国在全球铝土矿市场中占据重要地位。　　澳大利亚：澳大利亚是全球最大的铝土矿生产国和出口国。其铝土矿产量和出口量均位居世界前列。澳大利亚的铝土矿资源不仅丰富，而且开采条件优越，使得该国在铝土矿市场中具有强大的竞争力。　　巴西：巴西也是全球重要的铝土矿生产国之一。其铝土矿储量丰富，且品质较高。巴西的铝土矿产业在近年来得到了快速发展，成为该国经济的重要支柱之一。　　图2全球铝土矿分布图　　此外，越南、牙买加、印度尼西亚等国家也拥有丰富的铝土矿资源，这些资源在全球铝土矿市场中也占据一定的份额。　　（二）中国分布　　中国铝土矿资源虽然较为丰富，但相对于全球储量来说，占比并不高，且分布相对集中。中国的铝土矿资源主要分布在山西、贵州、广西、河南等地。　　山西：山西是中国铝土矿资源储量最大的省份之一。其铝土矿储量占全国总储量的比例较高，且品质较好。山西的铝土矿资源主要集中在华北陆块山西断隆成铝区带，该区带是中国最重要的古风化壳沉积型铝土矿成矿区之一。　　贵州：贵州也是中国铝土矿资源的重要分布区之一。其铝土矿储量丰富，且开采条件相对优越。贵州的铝土矿资源主要集中在黔中古陆和渝南黔北成铝区带。　　广西：广西的铝土矿资源也较为丰富。其铝土矿主要分布在桂西南和桂中等成铝区带。广西的铝土矿开采条件较为优越，使得该地区的铝土矿产业得到了快速发展。　　河南：河南的铝土矿资源也占据一定的份额。其铝土矿主要分布在华北陆块南缘成铝区带。河南的铝土矿资源虽然相对于山西、贵州等地来说较少，但仍然是中国铝土矿资源的重要分布区之一。　　图3中国铝土矿资源分布示意图　　除了上述省份外，中国其他地区如重庆、云南等也有一定的铝土矿资源分布，但相对来说较少。　　二、矿床类型与开采　　（一）矿床类型　　铝土矿是金属铝的主要来源，按照主要组成成分可分为三水型、一水型软铝和一水型硬铝三类，而按照矿床类型通常可以分为两大类或三大类。　　两大类：全球铝土矿矿床类型通常可以分为红土型和沉积型（或称为岩溶型）。其中红土型铝土矿占比高，属于三水铝石型和一水软铝石型，为高品位矿；沉积型铝土矿是中国主要的铝土矿类型。　　三大类：铝土矿主要可分为红土型、岩溶型、季赫温型这三种类型。从形成的地质过程看，铝土矿实质上是一种在近地表强风化作用下形成的残积岩，是有利气候条件和构造环境长期耦合的产物。　　图4岩溶型铝土矿床　　沉积型铝土矿：以高铝、高硅和低铝硅比为特征。矿石中SiO2及Fe2O3含量都低的为优质矿石，Fe2O3含量＞10%的矿石为高铁矿石。这是中国铝土矿中最主要的类型，占总储量的大部分。　　图5沉积型铝土矿床　　堆积型铝土矿：伴有少量次生三水铝石矿物，矿体的形态极为复杂，铝硅比范围为2.1至2.6，且Fe2O3含量较高。这类铝土矿在部分地区也有一定的分布，具有开采容易、成本低的特点。　　图6堆积型铝土矿　　红土型铝土矿：矿石呈块砾状，结构疏松，含有少量褐铁矿、赤铁矿与钛磁铁矿等脉石矿相。这类铝土矿在全球范围内是重要的铝土矿类型，但在中国的储量相对较少。　　图7红土型铝土矿床　　中国铝土矿品位普遍偏低，高品位资源较少。铝硅比9以上的优质铝土矿仅占全国总储量的18.5%，这在一定程度上限制了铝土矿的利用效率和价值。而堆积型铝土矿床，其铝硅比也在这个范围附近。　　（二）开采现状　　技术提升：中国铝土矿的开采技术不断进步，机械化、自动化程度不断提高。这有助于提升开采效率，降低开采成本，并减少对环境的破坏。　　存在问题：尽管开采技术有所提升，但中国铝土矿开采仍面临一些问题。例如，资源浪费现象仍然存在，部分地区的铝土矿开采还存在无序竞争、非法开采等现象，这不仅浪费了宝贵的资源，还可能对环境造成严重的破坏。同时，环境污染和安全生产问题也是铝土矿开采中需要重点关注的问题。在开采过程中，可能会产生大量的粉尘、废水等污染物，对周边环境造成污染。此外，安全生产事故也时有发生，需要加强安全管理和监管力度。　　三、生产与加工　　（一）氧化铝生产　　铝土矿经过加工处理可生产氧化铝，这是铝产业链中的一个重要环节。氧化铝的生产过程主要包括矿石的破碎、磨浆、分离、洗涤、焙烧等步骤，其中涉及到的生产工艺主要有拜耳法、烧结法等。　　中国是全球最大的氧化铝生产国。在氧化铝生产过程中，需要消耗大量的能源和水资源。能源主要用于矿石的破碎、磨浆、电解等过程，而水资源则用于矿石的洗涤、冷却等环节。同时，氧化铝生产也会产生一定的污染物，如废水、废渣等，需要采取相应的环保措施进行处理。　　为降低生产成本和减少环境污染，中国氧化铝生产企业在技术创新方面不断取得进展。例如，通过改进生产工艺、提高设备效率、加强废水处理等措施，企业能够降低能耗和减少污染物排放，实现可持续发展。　　（二）电解铝生产　　氧化铝通过电解可生产电解铝，这是铝的主要生产方式。在电解铝生产过程中，需要消耗大量的电力。电力主要用于电解槽的加热和电解反应，是电解铝生产成本的主要组成部分。　　中国的电解铝产量也居世界首位。然而，随着环保要求的提高，电解铝行业面临着节能减排的巨大压力。为了应对这一挑战，电解铝企业纷纷采取了一系列措施。例如，通过改进电解槽结构、提高电流效率、加强余热回收等措施，企业能够降低能耗和减少碳排放。同时，企业还加强了对废水、废气等污染物的治理，确保生产过程中的环保达标。　　此外，中国电解铝行业还在积极推动绿色转型。通过发展循环经济、推广清洁能源等措施，企业能够实现资源的高效利用和环境的友好发展。例如，一些企业利用电解铝生产过程中产生的废热进行发电或供暖，实现了能源的循环利用；还有一些企业采用太阳能、风能等清洁能源进行生产，降低了对化石能源的依赖。　　四、应用领域　　铝作为一种轻质、耐腐蚀、易加工且可回收的金属，在多个领域有着广泛的应用。以下是铝在不同领域中的具体应用：　　（一）交通运输　　铝在交通运输领域的应用日益广泛，其轻质特性使其成为减轻交通工具重量、降低能耗和提高燃油效率的理想材料。　　汽车：铝合金在汽车车身、发动机、悬挂系统等部件中的应用，可以显著降低汽车的整体重量，从而提高燃油经济性和加速性能。此外，铝合金还具有良好的碰撞吸能性和耐腐蚀性，有助于提高汽车的安全性和使用寿命。　　飞机：铝是航空工业中不可或缺的材料。铝合金因其轻质、高强度和良好的加工性能，被广泛应用于飞机机身、机翼、发动机等关键部件。使用铝合金可以显著降低飞机的重量，提高燃油效率和飞行性能。　　火车：在铁路交通中，铝合金也被广泛用于列车车身、车厢内部装饰和动力系统等部件。这有助于减轻列车重量，提高运行速度和乘坐舒适度。　　（二）建筑领域　　铝在建筑领域的应用同样广泛，其美观、耐腐蚀和易加工的特性使其成为建筑设计和施工中的首选材料。　　门窗：铝合金门窗因其强度高、重量轻、耐腐蚀和易于清洁等优点，成为现代建筑中常见的门窗材料。　　幕墙：铝合金幕墙以其良好的装饰效果和耐久性，广泛应用于高层建筑和大型公共建筑中。　　屋顶：铝合金屋顶材料具有轻质、耐腐蚀和易于安装等特点，适用于各种建筑风格和气候条件。　　（三）电子电器　　铝在电子电器领域的应用也十分重要，其导电性和导热性使其成为电线电缆、散热器、电容器等电子电器产品的理想材料。　　电线电缆：铝合金电线电缆因其导电性好、重量轻和耐腐蚀等特点，被广泛应用于电力传输和分配系统中。　　散热器：铝合金散热器因其高热导率和轻质特性，成为计算机、通信设备和其他电子设备中常用的散热元件。　　电容器：铝电解电容器是电子电路中常用的元件之一，其具有高电容量、低损耗和长寿命等优点。　　五、供需状况　　铝作为一种重要的基础金属，在国民经济中具有广泛的应用。以下是对中国铝供需状况的分析：　　（一）需求方面　　随着中国经济的快速发展和产业升级，对铝的需求持续增长。　　传统领域：交通运输、建筑和电子等领域是拉动铝需求增长的主要动力。在交通运输领域，铝因其轻质、耐腐蚀和易加工等特性，被广泛应用于汽车、飞机、火车等交通工具的制造中。在建筑领域，铝因其美观、耐腐蚀和易回收等特点，成为门窗、幕墙和屋顶等建筑材料的首选。在电子领域，铝的导电性和导热性使其成为电线电缆、散热器和电容器等电子产品的关键材料。　　新兴领域：未来，随着新能源汽车、轨道交通、5G通信等新兴产业的发展，对铝的需求将继续保持增长态势。新能源汽车的发展将推动铝在电池壳、车身结构等方面的应用；轨道交通的快速发展将带动铝在轨道车辆制造中的需求；而5G通信的普及将促进铝在基站建设、通信设备等方面的应用。　　（二）供给方面　　中国是全球最大的铝生产国，但铝土矿资源相对不足，部分依赖进口。　　资源状况：中国的铝土矿资源虽然丰富，但品位较低，开采难度较大。同时，随着铝土矿的持续开采，高品位矿石的储量逐渐减少，开采成本不断上升。因此，中国铝土矿的供给能力受到一定限制。　　能源消耗与环境污染：铝生产过程中需要消耗大量的能源和水资源，同时也会产生一定的环境污染。随着环保要求的提高和能源价格的上涨，铝生产的成本不断增加。这在一定程度上制约了铝供给的增长。　　政策调控：为了推动铝行业的转型升级和可持续发展，中国政府加强了对铝行业的宏观调控。通过实施产能置换、淘汰落后产能、提高环保标准等措施，推动铝行业提高资源利用效率、减少环境污染和降低能耗。这些政策的实施对铝供给产生了一定影响，但总体上有助于优化铝行业的产业结构、提高市场竞争力。　　六、面临的挑战与应对策略　　（一）挑战　　1.资源短缺　　国内铝土矿资源相对不足，对外依存度较高，这直接影响了铝产业链的稳定性和可持续性。资源保障程度低，易受国际市场价格波动的影响，增加了生产成本和市场风险。　　2.技术瓶颈　　铝生产过程中的节能减排技术尚不成熟，导致生产成本较高，且对环境造成了一定的压力。技术创新不足，限制了铝产业的高效、绿色发展。　　3.国际竞争　　全球铝市场竞争激烈，中国在国际铝市场定价权方面缺乏话语权，易受国际市场价格波动的影响。国际铝产业的竞争力和技术水平不断提升，对中国铝产业构成了挑战。　　4.环境保护　　铝生产过程中会产生大量的污染物，如废气、废水和固废，对环境造成了较大的压力。随着环保法规的日益严格，铝产业面临着更大的环保压力和成本负担。　　（二）应对策略　　1.加强勘查　　加大国内铝土矿资源的勘查力度，寻找新的资源储量，提高资源保障程度。加强与国际矿产资源的合作，通过勘探、开发等方式获取更多的铝土矿资源。　　2.技术创新　　加大铝生产过程中的节能减排技术研发，提高资源利用效率，降低生产成本。引进和培育高端技术人才，提升铝产业的技术水平和创新能力。　　3.国际合作　　积极开展国际合作，通过与国外企业合作开发、投资并购等方式，保障铝资源的供应。加强与国际铝市场的联系，提升中国在国际铝市场的话语权和定价权。　　4.产业升级　　推动铝产业的升级，提高产品的附加值，增强中国铝产业的竞争力。发展高端铝材、铝合金等高端产品，满足市场对高品质铝材的需求。　　5.环境保护　　加强铝生产过程中的环境保护，推广清洁生产技术，减少污染物的排放。加大对环保设施的投资力度，提高环保设施的运行效率和处理能力。加强环保法规的宣传和执行力度，确保铝产业符合环保要求。　　七、未来发展趋势　　铝产业作为全球重要的基础原材料产业之一，其未来发展趋势将受到技术创新、应用拓展和绿色发展等多重因素的推动。　　（一）技术创新　　随着科技的不断进步，铝的提取和加工技术将不断创新，以提高生产效率和产品质量。这包括新型的氧化铝生产工艺、电解铝节能技术等，这些新技术的不断涌现将推动铝产业的技术升级和转型。　　氧化铝生产工艺：未来，氧化铝的生产工艺将更加高效、环保。通过研发新型的反应器和优化工艺参数，可以提高氧化铝的产量和质量，同时降低能耗和污染物排放。　　电解铝节能技术：电解铝是铝产业中能耗较高的环节之一。未来，通过采用先进的节能技术和设备，如高效电解槽、余热回收系统等，可以降低电解铝的能耗，提高能源利用效率。　　（二）应用拓展　　铝在新能源、电子信息等领域的应用将不断拓展，为铝产业的发展带来新的机遇。　　新能源领域：随着全球对可再生能源的重视和投入，铝在太阳能、风能等新能源领域的应用将越来越广泛。例如，太阳能电池板框架、风力发电机叶片等部件大量使用铝材，以满足轻量化、耐腐蚀等要求。　　电子信息领域：在电子信息领域，铝以其良好的导电性和延展性被广泛应用于电路板、连接线等部件中。随着电子信息技术的快速发展，铝在这些领域的应用也将不断增长。　　此外，铝在交通运输、航空航天、建筑等领域的应用也将继续拓展。例如，铝合金在汽车制造中的应用越来越广泛，以降低车身重量、提高燃油效率；在航空航天领域，铝材因其轻质高强、耐腐蚀等特点而被大量使用。　　（三）绿色发展　　在环保要求日益严格的背景下，铝产业将更加注重绿色发展，以减少对环境的影响。　　推广清洁生产技术：未来，铝产业将积极推广清洁生产技术，如采用先进的冶炼工艺、加强废气废水处理等，以降低生产过程中的污染物排放。　　加强资源回收利用：铝是一种可回收材料，其回收利用率较高。未来，铝产业将进一步加强资源回收利用工作，建立完善的废旧铝材回收体系，提高再生铝的产量和质量。　　发展绿色铝材：为了满足市场对环保材料的需求，铝产业将积极研发绿色铝材，如采用环保型添加剂、优化生产工艺等，以降低铝材在生产和使用过程中的环境影响。　　综上所述，未来铝产业的发展将受到技术创新、应用拓展和绿色发展等多重因素的推动。通过不断的技术创新和产业升级，铝产业将实现更加高效、环保和可持续的发展。　　来源：高维度地质科技

钢渣-粉煤灰-脱硫石膏复合胶凝体系的反应机制及应用研究

　　固废　　作为典型的的大宗工业废弃物，钢渣、粉煤灰、脱硫石膏等大量的排放和堆存对环境带来严重的危害。利用钢渣、粉煤灰、脱硫石膏制备无机胶凝材料以替代部分水泥用于工业生产，不仅可以促进工业固废的大规模处置，同时可以实现水泥减产降耗、节约成本等目的。　　粉煤灰是燃煤电厂锅炉燃烧过程中所排放的一种固体废弃物，它是由煤粉或者煤泥等在炉膛中高温燃烧后，原料中的无机矿物质经过灼烧、转化、熔融、冷却等一系列物理化学变化，从烟气管道中排出并被收捕下来的细小颗粒。粉煤灰在制备胶凝材料中的胶凝作用主要依靠其火山灰特性，即粉煤灰中的活性Al2O3和SiO2在水热条件下，与Ca(OH)2反应生成C-S-H和C-A-H凝胶的性质。煤粉炉粉煤灰中含钙较少，其自身并不具备胶凝特性。而循环流化床粉煤灰中含有一定的CaO/Ca(OH)2，其具有一定的水化自硬性。　　钢渣是炼钢厂在炼钢过程中，在1600℃以上高温下，通过氧化造渣去除掉的钢水中的碳、硅、硫、磷、锰等杂质而产生的废渣。钢渣的矿物组成与其碱度[A=mCaO/m(SiO2+P2O5)]密切相关，这主要跟钢渣的形成过程有关，由于在炼钢过程的，钢水中部分Fe、Mn、Mg等金属元素被氧化，生成FeO、MnO和MgO等，硅元素被氧化成SiO2、还有由于助熔剂分解产生的CaO，从而形成CaO-SiO2-RO（其中R为Fe2+、Mn2+、Mg2+等二价金属离子，由于他们的离子半径接近，很容易形成连续固熔体）体系。按照碱度大小对钢渣进行分类：当碱度A为0.9-1.4时，钢渣主要为钙镁橄榄石渣；当碱度A为1.4-1.6时，钢渣主要为镁蔷薇辉石渣；当碱度A为1.6-2.4时，钢渣主要硅酸二钙渣；当碱度A＞2.4时，钢渣主要为硅酸三钙渣。同时钢渣（尤其是高碱度钢渣）具有类水泥的矿物组成，比如C2S、C3S和少量C3A、C4AF等，这些矿物本身可以发生水化反应，从而使钢渣具有一定的胶凝特性。　　脱硫石膏又叫烟气脱硫石膏，是燃煤电厂中对锅炉燃烧含硫煤所产生的的烟气进行脱硫净化处理后得到的工业副产石膏。脱硫石膏的组成成分主要为CaSO4·2H2O，含量一般在92%-95%。由于脱硫石膏中含有少量的碳酸钙、白云石、白云母、粉煤灰等杂质，脱硫石膏一般呈现黄色。在复合胶凝材料中添加一定量的脱硫石膏会对胶凝材料的性能产生一些的积极作用。脱硫石膏对复合胶凝材料的作用机理主要有：　　1）脱硫石膏作为复合胶凝材料中矿物原料、掺合料的活性激发剂，脱硫石膏起到了硫酸盐激发的作用。　　2）脱硫石膏属于一种硫酸盐，能与水泥水化产生的Ca(OH)2和含铝相发生反应，生成钙矾石晶体。钙矾石晶体在胶凝材料内部通过生长，不断填充孔隙，提高了材料的密实度，改善了材料力学性能；　　3）延缓胶凝材料的凝结时间，脱硫石膏可以对一些水化较快的矿物（比如C3A）起到一定的缓凝作用，这是因为由脱硫石膏生成钙矾石晶体包裹在矿物颗粒表面，隔离了水分，降低水分的渗透速度，从而起到一定减缓矿物水化凝结的作用。　　4）析晶效应，有研究证明，脱硫石膏加入到胶凝材料中，有助于加速胶凝材料水化产物晶体析出，缩短诱导期，从而加速胶凝材料抗压强度的增长。需要注意的是，脱硫石膏在复合胶凝材料中的掺入量不能太大，一般在10%以下。这是由于，脱硫石膏过多，可能在胶凝材料硬化后期生成较多钙矾石，从而产生体积膨胀，最终可能导致胶凝材料硬化体膨胀开裂。　　本文采用超音速蒸汽粉碎机对粉煤灰和钢渣进行超微粉磨，通过理论分析与实验研究，探讨了粉煤灰、钢渣的超微粉化作用机理和其对胶凝材料的增强作用机制。同时选用所制备的钢渣超微粉、粉煤灰超微粉为主要胶凝材料，脱硫石膏微粉作为辅助胶凝材料和活性激发剂，设计一种钢渣-粉煤灰-脱硫石膏（SS-FA-DG）全固废三元胶凝体系，对此胶凝体系的水化产物、反应机理、反应过程进行了重点研究。并通过养护条件优化、强化碳化实验，进一步提升了胶凝材料的力学性能。最后，在理论研究的基础上，初步探索了SS-FA-DG全固废三元胶凝体系在高性能免烧透水砖方面的工程应用。主要工作和结论如下：　　（1）对比研究了流化床粉煤灰（CFBFA）和煤粉炉粉煤灰（PCFA）在超微粉磨前后的特性变化。结果表明，粉煤灰的超微粉化不仅使得其比表面积的增加，而且导致了粉煤灰中硅铝酸盐矿物的结晶度和阴离子聚合度的降低。对粉煤灰-水泥胶凝试块的性能研究表明，粉煤灰超微粉比粉煤灰原灰更有利于水泥胶凝试块抗压强度的提升，尤其是早期抗压强度的发展。胶凝试块的吸水率和热失重的研究表明，粉煤灰超微粉提高了胶凝试块的密实度，且提高了试块中C-S-H的含量。与PCFA相比，CFBFA中硅铝酸盐矿物的阴离子聚合度较低，CFBFA更有利于提升水泥试块的前期抗压强度，而PCFA玻璃体中的活性SiO2和Al2O3在反应过程中缓慢释放，更加有利于提升试块的后期抗压强度。　　（2）详细研究了超音速蒸汽粉碎机对钢渣的超微粉碎特性。结果表明，钢渣经过超微粉碎后，被分级收集可以获得不同粒度的钢渣超微粉，其中颗粒较小的钢渣超微粉，颗粒富集较多CaO和SiO2，且其阴离子聚合度也较低，晶体尺寸较小，活性较高，更加适合用于胶凝材料的制备。研究了钢渣超微粉对粉煤灰-水泥胶凝试块性能的影响，结果发现，利用钢渣超微粉替代部分水泥使粉煤灰-水泥二元胶凝体系转变为粉煤灰-钢渣-水泥三元胶凝体系，胶凝试块的抗压强度、抗冻性和耐磨性都得到大幅提高。　　（3）以抗压强度为主要指标，考察了钢渣，粉煤灰和脱硫石膏三种固废的协同胶凝效应，结果表明，不同胶凝体系的协同效应大小为：三元体系>二元体系II（钢渣-粉煤灰）>一元体系（钢渣）。采用钢渣超微粉：粉煤灰超微粉：脱硫石膏微粉为70:20:10的配比制备全固废胶凝试块，试块抗压强度较高（28天抗压强度为39.6MPa），耐水性较好（软化系数为1.09）。对胶凝试块的SEM、XRD和TGA分析表明，粉煤灰-钢渣-脱硫石膏复合胶凝体系的协同效应为，钢渣自身具有自胶凝特性；粉煤灰促进了钢渣的二次水化反应，生成更多的C-S-H凝胶；脱硫石膏参与体系反应，生成钙矾石晶体，针杆状的钙矾石晶体与C-S-H凝胶交错生长，形成致密网络状结构，降低试块孔隙率，优化试块整体结构，并且脱硫石膏对粉煤灰起到活性激发作用，加深了反应程度，增加了试块中C-S-H含量，同时也促进水化产物中高钙硅比（c/s）水化硅酸钙向低c/s水化硅酸钙的转化，因此提高了胶凝试块的力学性能。　　（4）研究了SS-FA-DG复合胶凝体系的反应动力学，并考察温度对其反应动力学特点的影响。结果表明，SS-FA-DG复合胶凝体系的反应可以分为五个阶段进行。第一阶段，钢渣水解，体系液相中出现OH-和Ca2+；第二阶段，粉煤灰的活性Al、Si在OH-的刺激下开始溶出，在溶液中形成H2SiO42-与H2AlO3-；第三反应阶段，液相中H2SiO42-、H2AlO3-与SO42-、Ca2+发生反应生成C-S-H和钙矾石等产物，胶凝试块开始硬化，并产生一定的抗压强度。第四阶段，C-S-H大量生成，同时大量消耗Ca(OH)2，C-S-H开始成核、结晶。第五阶段，C-S-H和钙矾石晶体在胶凝材料内部不断扩散、相互生长，形成网络状结构，使胶凝试块更加密实，抗压强度快速发展。养护温度的提升可以缩短SS-FA-DG复合胶凝体系各阶段的反应时间，加速水化反应速度。同时，温度的提升使水化产物的聚合度增加，提高水化程度，增加了C-S-H的生成量，使得胶凝试块的抗压强度更高。　　（5）对SS-FA-DG全固废三元胶凝体系的养护制度进行优化研究。实验发现，在湿热+蒸压复合养护条件下，SS-FA-DG三元胶凝试块的抗压强度在较短的养护时间（＜4天）内达到了35.8MPa，符合国标MU35的强度要求。XRD，FT-IR和TGA分析表明，湿热养护有利于胶凝试块中C-S-H的快速生成，而蒸压养护则促进了C-S-H向托勃莫来石晶体的转化。SEM分析表明C-S-H胶凝与托勃莫来石晶体互相链接，紧密结合，形成一种更加致密的微观结构，从而使得胶凝试块的抗压强度较高。对养护完成后的胶凝试块进行强化碳化实验，结果表明，胶凝试块的抗压强度进一步增长约19.6%，这主要是因为微纳米级碳酸钙填充孔隙，使凝胶块更致密。强化碳化后，胶凝试块的质量增加了1.95％，说明其自身质量的1.95％的CO2被吸收。　　（6）采用自主开发的“机械造孔-静压成型”新技术，以SS-FA-DG复合微粉为胶凝材料，以矿渣为骨料，骨胶比为6:4，水灰比为0.2，采用梯度蒸压养护制度，制备高性能免烧透水砖。结果显示，所制备透水砖各项性能均满足或超过相关国家标准要求。透水砖产品在山西太钢集团进行了中试生产，并对中试产品在山西襄垣进行实地铺设，经过一年的使用发现，本课题所研制免烧透水砖的长期稳定性良好，具有较好的市场、经济效益前景。　　来源：山西大学博士论文《钢渣-粉煤灰-脱硫石膏复合胶凝体系的反应机制及应用研究》

中国积极推动将钢铁、水泥、铝冶炼三个行业纳入全国碳市场

　　中国生态环境部应对气候变化司司长夏应显6日在北京举行的新闻发布会上表示，正积极推动将钢铁、水泥、铝冶炼三个行业，纳入到全国碳排放权交易市场。　　夏应显说，全国碳排放权交易市场自2021年7月启动上线交易，截至今年10月底，碳排放配额累计成交量近5亿吨，累计成交额297亿元(人民币，下同)，交易价格呈稳步上升趋势，目前在每吨100元左右的价位上下波动，市场运行总体平稳。　　据介绍，今年以来，全国碳市场建设取得进一步的进展和成效。作为中国应对气候变化领域的首部专门法规，《碳排放权交易管理暂行条例》于今年5月起施行。生态环境部还有序开展了发电行业2023年度和2024年度配额发放与清缴，组织各省市开展了2200多家发电企业的配额分配和清缴工作，确保市场平稳有序运行。　　同时，做好扩大全国碳市场行业覆盖范围的基础准备工作。为落实2024年《政府工作报告》要求，生态环境部组织编制了《全国碳排放权交易市场覆盖水泥、钢铁、电解铝行业工作方案(征求意见稿)》，同时正在推进加快编制钢铁行业碳排放的核算核查指南。　　夏应显说，下一步，将进一步落实《碳排放权交易管理暂行条例》规定，持续夯实数据质量，严厉打击数据弄虚作假等违法行为，积极推动将钢铁、水泥、铝冶炼三个行业纳入到全国碳排放权交易市场，加快建成更加有效、更有活力、更具国际影响力的碳市场。　　END　　文|摘录　　来源|中国新闻网

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