资源循环科学与工程概论

资源循环科学与工程概论

1、清洁生产

清洁生产是指将综合预防的环境策略持续的应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。

清洁生产是指既可满足人们的需要又可合理使用自然资源和能源并保护环境的而是用生产方法和措施。

就生产过程而言，清洁生产包括解约原材料和能源，淘汰有毒原材料并在全部排放物和废弃物离开生产过程以前减少它的数量和毒性。

对产品而言，清洁生产策略旨在减少产品在整个生产周期过程中对人类和环境的影响。

清洁生产包含的三方面内容：1.能源清洁。（a常规能源的清洁；b可再生能源的利用；c新能源的开发；d新能源的开发和各种节能技术）2.生产过程清洁。包括尽量少用或不用有毒有害原料，产出无毒无害的中间产品，减少或消除生产过程中的各种危险因素。3.产品清洁。产品在使用过程中节约原料和能源，尽量使用可再生能源或二次能源，减少昂贵和稀缺资源的使用，产品的包装、使用功能和使用寿命设计合理，产品已于回收且可再生为原料，易处理、降解且无污染。

清洁生产的理论支撑体系:1.守恒和平衡理论。生态系统中的物质要素总是保持守恒，既不能无缘无故增减，又不能无缘无故缺位，只是从一种形态转化为另一种形态。2.创新理论。就企业生产而言，把一种从来没有过的关于生产要素和生产条件的“新组合”引入生产体系。

2、堆肥

生活垃圾堆肥技术与秸秆的堆肥技术技术原理相同，都是在微生物的作用下，降解和转化有机物质的生物化学过程，在此过程中实现垃圾减量。

根据堆肥条件不同，可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。由于好氧堆肥比厌氧堆肥时间短、肥效好、异味少，一般生活垃圾堆肥均指的是好氧堆肥。

生活垃圾由于成分复杂，而堆肥过程中只有可降解有机物才能发挥作用，因此在堆肥前垃圾中的金属、塑料、碎玻璃、陶瓷等必须经过分选去除，分选后的垃圾可单独堆肥，也可和城市污水处理厂的污泥或者农业废弃物混合后堆肥。

堆肥后的成品肥料应达到如下标准：1.有机质含量大于。2.成品肥料不得对环境有害，病菌、害虫卵、杂草种子等已经杀灭。3.肥料外观呈褐色或茶褐色，无臭味，质地松散。

农业废弃物堆肥由于比较分散，通常就地处理的较多，机械化程度低，露天堆肥所占比例较大，通风采用翻堆的方法，通常不进行控温。

生活垃圾堆肥的规模更大，尽管也有露天堆肥，但更普遍的情况下是利用大体积的发酵仓进行规模化的生产，温度和通风都可以采用仪器控制。

生活垃圾好氧堆肥流程：1.预处理。主要是分选、破碎和加入调理剂，将不可堆肥物质去除后将垃圾破碎至12-60mm的粒径，之后调整含水量和C/N比，

加入结构调理剂和能源调理剂。2.主发酵。是堆肥过程的升温阶段和高温阶段，通常采用强制通风方式，持续4-12d。3.后发酵。对非过程的降温阶段和后熟保肥阶段，自然通风即可，一般持续20-30d。4.后处理。进一步分选去除预处理阶段未彻底去除的金属、塑料、碎玻璃等杂质，如有需要可进一步破碎堆肥产品。

5.脱臭。在发酵过程堆体内可能有部分时间或者部分区域发生厌氧反应，产生有臭味的气体，因此应进行除臭处理，常用的除臭装置是堆肥过滤器。

堆肥的操作方式主要有静态好氧堆肥（一次性进料，堆肥结束前不再进料）、间歇式好氧动态堆肥（间歇式进料和出料）以及连续式好氧动态堆肥（连续进料出料）。

3、堆肥焚烧

垃圾焚烧是指在氧气存在的条件下，炉温800-1000℃的焚烧炉膛内，通过焚烧，使得垃圾中有机成分被充分氧化，并释放出热量的过程。垃圾焚烧释放的热量可以经锅炉转化为蒸气，再由汽轮机、发电机转化为电能，在此过程中实现垃圾的减量化和生物质能的循环利用。

垃圾燃烧后产生的尾气中有二噁英、硫化物、氮氧化物和烟尘等多种污染物，需要净化并达到一定标准后才能排入大气中，因此烟气处理装置也是垃圾焚烧发电系统的重要组成部分。

影响生活垃圾焚烧过程的因素：生活垃圾的性质（指粒度、热值和含水率）、停留时间、湍流度、温度和空气过量系数。

焚烧炉的主要形式：炉排型焚烧炉（世界范围内应用最广，适用于大规模的垃圾集中处理）、流化床焚烧炉（中国应用范围比较广的，是垃圾燃烧更充分、对有害物质破坏更彻底的一种焚烧方式）、回转窑焚烧炉（适用于难燃烧物质，或者水分变化范围较大的垃圾，但处理量小，灰分处理较困难）。

焚烧生成的烟气的去除：1.颗粒物的去除。可以选用中立沉降室、旋风除尘器、喷淋塔、文氏洗涤器、静电除尘器及布袋除尘器等，除尘装置不仅可以去除灰分，还可以去除挥发性重金属及氯化物、硫酸盐或氧化物，以及吸附在灰分中二噁英等有机污染物。2.酸性气态污染物的去除。可以使用碱液为吸附剂进行湿式洗涤，也可以采用干式洗涤剂进行吸收，还可以使用气态污染物与碱液反应生成固态物质而被去除。3.氮氧化物的去除。可以选用非催化还原法、选择性催化还原方法、氧化吸收法或者吸收还原法等。4.二噁英的去除。可以首先用活性炭或活性焦固定床层对二噁英进行吸附浓缩，然后再将其彻底氧化为CO2、HCl、HF等物质，吸附在灰分中的二噁英可在除尘装置中去除，也可通过提高燃烧温度和使垃圾充分燃烧等手段减少二噁英的释放。

4、再制造拆解

再制造产业是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品回收再利用为目标，以绿色环保、优质节材、高效节能为准则，以先进生产技术为手段，进行废旧产品的修复、改造等一系列技术措施的总称。

再制造技术是对废旧产品的高技术修复，使零部件尺寸、形位、表面品质等性能恢复到全新零部件的品质，甚至超过全新零部件，通过装配后形成全新产品，

不仅减小了产品或设备对环境的污染，也降低了生产投入的费用。

再制造工艺流程包括：拆解、清洗、检测、加工、零件测试、装配、整机磨合试验、喷漆包装等步骤。

再制造拆装工艺是对废旧产品的拆解和再知道产品装配工艺过程中所用到的全部工艺技术与方法的统称，再制造拆装包括拆解和装配两个步骤。

再制造拆解是系统的从装配体上拆除其组成零部件，要求不对目标零部件造成损害，拆解分为破坏性拆卸和非破坏性拆卸两种。

按拆解程度可分为完全拆解、部分拆解和目标拆解。

再制造拆解工艺方法可分为：击卸法（利用锤子或其他重物在敲击或装机零件时产生的冲击能量把零件拆解分离）、拉卸法（利用专用顶拔器把零件拆解下来的一种精力拆解方法）、压卸法（利用手压机、电压机进行的一种静力拆卸方法）、温差法（利用材料热胀冷缩的性能加热包容件，实现拆解）及破坏法（在拆解焊接时，为保存核心价值件而必须破坏低价值件时，进行破坏性拆解）。

再制造装配是按再制造产品规定的技术要求和精度，将再制造拆解和加工后性能合格的零件、可直接利用的零件以及其他报废后更换的新零件安装成组件、部件或再制造产品，并达到再制造产品所规定的精度和使用性能的整个工艺过程。具体装配工艺有：互换法、选配法、修配法、调整法。

5、再制造清洗

对零部件表面清洗时再制造过程中的重要工序，不仅是检测零件表面尺寸精度、几何形状、粗糙度、表面性能、磨蚀磨损及黏着情况等的前提，而且是零件进行再制造的基础。

清洗工序的基本要求包括：1.彻底清除工件表面的油污、涂料。2.彻底清除工件内部的机油垢和水垢 3.在清洗过程中保证工件不因高温而产生变形或金相组织的改变4.保证工件不因化学物质而被腐蚀5.保证清洗工序的残渣、废液不对环境产生污染。

再制造清洗时借助于清洗设备将清洗液作用于废旧零部件表面，采用机械、物理、化学或电化学方法，去除废旧零部件表面附着的油脂、锈蚀、泥垢、水垢、积炭等污物，并使废旧件表面达到所要求的清洁度的过程。废旧产品拆解后的零件根据形状、材料、类别、损坏情况等分类后采用相应的方法进行清洗。

1.清除油污。主要用化学方法和电化学方法，有机溶剂、碱性溶剂和化学清洗剂是常用的清洗液，清洗方式有人工方式和机械方式。

2.清除水垢。一般采用化学去除法，包括磷酸盐清除法、碱溶液清除法和酸清洗法。

3.清除锈蚀。主要方法有机械法、化学酸洗法和电化学酸蚀法。

4.清除积炭。常使用机械法、化学法和电解法等。

再制造清洗技术：1.热能清洗技术。热能对各种清洗方法都有较好的促进作用。2.压力清洗技术。喷射清洗技术通过喷嘴把加压的清洗液喷射出来冲击清洗物表面的清洗方式较喷射清洗。3.摩擦与研磨清洗技术。是用气体喷砂和液体喷砂方法对零件或产品表面进行清洗的方法。4.超声波清洗技术。在超声环境下，清洗毛坯表面油脂的过程称为超声清洗。5.电解清洗技术。电解清洗是利用电解作用将金属表面污垢去除的清洗方法。6.化学清洗技术。化学清洗是采用一种或几种化学药剂清除设备内侧或外侧表面污垢的方法。

6、铅蓄电池

干电池分为一次电池和二次电池。一次电池主要有锌碳电池、碱锰电池以及氧化汞和氧化银等纽扣电池。二次电池主要包括镍镉电池、镍氢电池和锂电池。

蓄电池可通过电能转换逆反应机制实现再储能操作，从而可以重复使用，但受制于热力学第二定律，每一个冲-放电循环中俊辉使一定量的的有效组分耗散，放电特性随着循环的积累而劣化，当劣化后的放电特性不能满足使用要求时，蓄电池失去使用价值同样变为废电池。

铅蓄电池回收处理方法：铅蓄电池的体积较大，而且铅的毒性较强，所以在各类电池中，最早进行回收利用，工艺较完善。废铅蓄电池的泥渣物相主要是PbSO4、PbO2、PbO、Pb等，其中PbO2是主要成分，它在正极填料和混合填料中所占质量为41%-46%和24%-28%。因此PbO2还原效果对整个回收技术具有重要影响，其还原工艺有火法和湿法。火法是将PbO2与泥渣中的其他组分PbSO4、PbO等一同在冶金炉中还原冶炼成Pb。但由于产生SO2和高温Pb尘等二次污染物，且能耗高，利用率低，故将逐渐被淘汰。湿法是在溶液条件下加入还原剂使PbO2还原转化为低价态的铅化合物。还原剂中以硫酸溶液中加FeSO4还原PbO2法较为理想。

还原过程为：

7、锂电池

锂金属是贵重金属资源，锂电池具有较高的回收利用价值。无论是一次性锂电池还是锂离子蓄电池，由于品种、类型一直处于发展变化中，即电池化学组成及构造不断变化，造成废锂电池的回收利用比其他的已成熟、稳定的废电池更困难。锂离子蓄电池使用寿命长，投入市场时间短。

一次性锂电池实验室回收流程：将破碎后的锂电池筛分后，就得到负极锂电极。由于金属锂溶于水时，与水发生快速反应，放出大量的热，生成氢气和可溶于水的氢氧化锂。英雌不能直接在水或酸中溶解废锂电池。实验表明，采用异丁醇水溶液可以使这一反应安全进行，反应的同事，通入二氧化碳气体，生成高统一纯度的碳酸锂沉淀。将沉淀静置分离后，加入盐酸，使沉淀溶解，再通过电解可得到高纯度的金属锂。正极中的金属锰可通过酸溶解、电解得到。此方法还有待生产性实验验证。

8、粉煤灰

粉煤灰是煤燃烧排放出的一种黏土类火山灰质材料。它就是指锅炉燃烧时，烟气中带出的粉状残留物，简称灰或飞灰。它还包括锅炉底部排出的炉底渣，简称炉渣。

粉煤灰的组成：以SiO2和Al2O3的含量占大多数，其余为少量Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O及SO3等。

根据粉煤灰中CaO含量的多少，可将粉煤灰分成高钙灰和低钙灰两类。一般CaO含量在20%以上的称为高钙灰，其质量优于低钙灰。我国燃煤电厂大多

燃用烟煤，粉煤灰中CaO含量偏低，属低钙灰，但Al2O3含量一般较高，烧失量也较高。

粉煤灰的矿物组成主要包括无定形相和结晶相两大类。无定形相主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的50%-80%，大多是SiO2和Al2O3形成的固熔体，且大多数形成空心微珠。此外，未燃尽的细小炭粒也属于无定形相。粉煤灰的结晶相主要有石英砂粒、莫来石、长石、云母、磁铁矿、黄铁矿等。粉煤灰中单独存在的结晶相极为少见，往往被玻璃相包裹。

粉煤灰颗粒通常按其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。其中珠状颗粒包括漂珠、空心沉珠、密实沉珠和富铁玻璃微珠。渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和黏聚颗粒。

粉煤灰的物理性质：是灰色或灰白色的粉状物。

粉煤灰的活性包括物理活性和化学活性。物理活性是粉煤灰颗粒效应、微集料效应等的总和。化学活性指粉煤灰在和石灰、水混合后所显示出来的凝结硬化性能。粉煤灰的活性不仅决定于它的化学组成，还与它的物相组成和结构特征有着密切的关系。玻璃体中含有的活性SiO2和活性Al2O3含量愈多，活性愈高。粉煤灰的活性是潜在的，需要激发才能发挥出来。常用的激发方法有机械磨细法、水热合成法和碱性激发法。

粉煤灰中含有铁、铝、空心微珠以及未燃尽炭等有用组分，并且含有多种稀有金属元素，因此从粉煤灰中提取这些有用组分具有重要经济价值。

（1）提取铁。煤中含有黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿等矿物，当煤燃烧时，其中的氧化铁经高温焚烧后，部分被还原为Fe3O4和粒铁，因此可直接使用磁选

机分离提取这种磁性氧化铁。磁选分离分为湿式磁选和干式磁选两种工艺，目前电厂多采用湿式磁选工艺。

（2）提取Al2O3。提取Al有石灰石烧结法、热酸淋洗法、氯化法、直接熔接法等多种工艺。其中石灰石烧结法提取氧化铝的工艺流程主要包括烧结、熟

料自粉化、溶出、炭分和煅烧等5个工序。

（3）提取玻璃微珠。粉煤灰中微珠按理化特征分为漂珠、沉珠和磁珠。提取微珠的方法大致可分为干法机械分选和湿法机械分选两大类。

干式机械分选流程为：

湿式机械分选微珠国内多用浮选、磁选、重选等多种选法的组合流程。

漂珠的密度小于水，因此可利用漂珠与其他颗粒间密度的差异，以水为介

质用浮选将漂珠与其他颗粒分离。（浮选）

粉煤灰中的磁珠是锅炉高温燃烧过程中，煤中含铁矿物在碳及CO的还原

作用下，部分形成铁粒，一部分被还原成Fe3O4而产生的。因此可根据磁

珠在与其他颗粒的磁性差别进行分选。（磁选）

当粉煤灰中选出漂珠、磁珠和炭粒后，只剩下沉珠和少量单体石英等，他

们在密度、形状、粒度及表面性质上均存在较大差异，因此可采用重选、

浮选或分级法加富集分离，得到不同级别的沉珠产品。

（4）提取炭。电厂锅炉在燃用无烟煤和劣质烟煤时，由于煤粉不能完全燃烧，造成粉煤灰中含炭量增高，为了减低粉煤灰中的含碳量和充分利用煤炭资

源，常对粉煤灰进行提炭处理。提炭一般用浮选法和电选法。

浮法提炭适用于湿法排放的粉煤灰，此方法是利用粉煤灰和煤粒表面亲水