CN104892019B

CN104892019B - 一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒

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Publication number: CN104892019B
Application number: CN201510279164.7A
Authority: CN
Inventors: 罗书亮; 那琼; 潘旭方; 孙磊; 陈宏贵; 郭庆; 王帆; 朱桐; 徐庆荣
Original assignee: Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co Ltd; Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co Ltd
Current assignee: Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co Ltd; Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN104892019A

Abstract

本发明公开了一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，采用的原料组分及总份数按100份计的各组分质量分数、含水率、粒度要求为：粘土性含铁尾矿40~45份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%；煤矸石42~49份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%；城镇污水处理厂脱水污泥10~13份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%。其制备过程中，预热温度500~600℃、焙烧温度1250~1350℃、升温速率10~15℃/min，制备出的超轻陶粒堆积密度为390kg/m³、筒压强度为1.2MPa、吸水率为3.8%，达到GB/T 17431.1‑2010要求，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的大宗利用开辟一条新的途径，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。

Description

一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料，具体涉及一种轻质陶粒产品，可在保温隔热混凝土及其制品、园艺、食品饮料、化工、石油等领域广泛应用。

背景技术

陶粒是以黏土、亚黏土等为主要原料，经加工制粒、烧胀而成的，其粒径在5mm 以上的轻粗骨料，适用于保温、也可用于结构用轻骨料混凝土。陶粒行业中将密度300~500kg/m³的陶粒称为超轻陶粒，而密度＞500kg/m³的陶粒为一般密度陶粒。超轻陶粒对原料配方要求很苛刻，故一般只是用固体废弃物部分代替粘土或页岩，或者固体废弃物加入煤炭、水玻璃等非固废原料来制备超轻陶粒。

传统的陶粒原料主要是粘土和页岩等天然矿产资源，但是，大量利用它们来生产陶粒会破坏耕地和生态环境。随着对环保重视程度的不断提高，近年来国家开始逐步禁止生产和使用纯天然粘土类制品，鼓励利用固体废弃物来部分或全部代替粘土和页岩等天然矿产资源。目前，对于陶粒的研制，国内外大都集中在如何利用各种固体废弃物，其中对于煤矸石生产陶粒方面的研究比较多，也有利用尾矿来制备陶粒的研究的报导，而且往往需要加入其它矿物原料，如中文核心期刊《新型建筑材料》2012年10月发表的“高岭土尾矿-煤矸石烧制轻质高强陶粒的研究”一文中介绍，以煤矸石、高岭土尾矿为主要原料，添加氢氧化钾为助熔剂，在烧成温度为1150 ℃，氢氧化钾掺量为3%，保温11min 的条件下，可以烧制出800 级的轻质高强陶粒，其各项性能指标符合GB/T 17431.1—2010 中规定的人造高强轻粗集料的指标要求，实现了废弃物的综合利用。但该方法仍然需要添加氢氧化钾作助溶剂，而氢氧化钾为强碱性化合物，容易造成对环境的污染和对人体的伤害，而且也增加了生产成本。中国专利申请201210314981.8公布了一种利用低硅铁尾矿制备多孔陶粒及其制备方法，所述陶粒的制备原料按重量配比包括75~90份低硅铁尾矿粉或与其份量相当低硅铁尾矿浆、5~20份造孔剂和1~8份粘土，所述低硅铁尾矿粉或低硅铁尾矿浆中SiO₂重量含量低于40%。该方法称取铁尾矿、造孔剂和粘土粉混合后，造粒成生球；生球干燥后，在1100~1180℃条件下焙烧40~60min，得到烧成铁尾矿陶粒。本发明可分别制备出符合建筑应用和水处理应用的多孔陶粒，但制备出的陶粒密度仍比较大，达不到超轻陶粒的密度要求，而且该专利仍然需要粘土性物料，生产成本高。到目前为止，全部以固体废物为原料制备超轻陶粒还未见报道。

尾矿是我国最大的工业固体废物，目前我国每年尾矿产生量16亿吨以上，其中铁矿尾矿产生量就高达9亿余吨，尾矿总堆存量120余亿吨；煤矸石是我国第二大工业固体废物，目前我国堆放的煤矸石总量达50多亿吨,占地20万亩以上,并且煤矸石年产生量达到5.6亿t。此外，为了控制水污染和实现污水资源化，我国对城市污水处理率提出了明确的要求，所有设市的城市，污水处理率不低于60％。随着污水处理设施的普及、处理率的提高和处理程度的深化，污水厂的污泥产生量将有较大的增长，由此引起的二次污染问题已不容忽视。因此如何合理地处理、处置污泥，已成为城市污水厂和相关部门必需引起重视的问题。尾矿、煤矸石、城镇污水处理厂脱水污泥的大量堆存会带来经济、环境和安全等诸多方面的问题，例如占用大面积土地、污染环境、造成潜在的安全隐患等。如何大宗利用尾矿、煤矸石、脱水污泥等固体废弃物，达到减量化、无害化和资源化的目的，成为国内外研究热点和难点。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述问题，而提供一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，该超轻陶粒的原料全部为固体废物、生产成本低、原料来源广，产品的密度符合超轻陶粒要求，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的综合利用提供了新的途径。

为实现本发明的上述目的，本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒采用以下技术方案：

本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，采用的原料组分及总份数按100份计的各组分质量分数、含水率、粒度要求为：

（1）粘土性含铁尾矿 40~45份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%；

（2）煤矸石42~49份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%；

（3）城镇污水处理厂脱水污泥 10~13份，含水率<5%，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5%；

所述的粘土性含铁尾矿中：SiO₂含量25.0~40.0%，Al₂O₃含量4.0~9.0%，Fe₂O₃含量10.0~28.0%，（CaO + MgO）含量14.0~17.0%，（K₂O + Na₂O）含量0.8~3.0%，烧损14.0~18.0%；

所述的煤矸石中：SiO₂含量40.0~46.0%，Al₂O₃含量35.0~45.0%，烧损11.0~17.0%；

所述的城镇污水处理厂脱水污泥中，（SiO₂+ Al₂O₃）含量32.0~40.0%，（CaO + MgO）含量2.0~5.0%，烧损42.0~50.0%。

本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，较优的技术方案为：

所述的粘土性含铁尾矿中：SiO₂含量28.0~32.0%，Al₂O₃含量5.0~8.0%，Fe₂O₃含量20.0~27.0%，（CaO + MgO）含量14.0~17.0%，（K₂O + Na₂O）含量0.8~2.0%，烧损15.0~17.5%；

所述的煤矸石中：SiO₂含量43.0~45.0%，Al₂O₃含量38.0~41.0%，（K₂O + Na₂O）含量≤0.5%，烧损12.0~15.0%；

所述的城镇污水处理厂脱水污泥中，（SiO₂+ Al₂O₃）含量32.0~40.0%，（CaO + MgO）含量2.0~3.5%，（K₂O + Na₂O）含量≤2.0%，烧损46.0~50.0%。

所述的煤矸石中（CaO + MgO）含量＜0.4%、（K₂O + Na₂O）含量＜0.4%为佳。

本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，是由以下工艺制备而成：

（1）原料选择：按照各组分化学成分要求选择尾矿、煤矸石系高岭土和脱水污泥为原料；

（2）原料预处理：测定各原料的含水率和粒度，必要时进行晾晒、破碎、磨细等预处理，使原料含水率小于5%，粒度达到0.08mm方孔筛筛余小于5%；

（3）配料及混料：按照各组分份数配比进行配料，先用搅拌机搅拌，再加水搅拌，使配料中的总含水率以重量计保持在16~19%范围；

（4）造球：将搅拌均匀的原料加入造球机进行造球，造球机出料粒度应控制在15~20mm范围；

（5）干燥：首先在55~75℃干燥1.5~2.5 h，然后在100~120℃干燥约1.5~2.5h；

（6）预热：预热温度为500~600℃，预热时间15~30min；

（7）焙烧：焙烧温度为1250~1350℃，预热升温速率10~15℃/min；

（8）冷却：①将高温炉门打开，自然冷却至650~750℃，②关闭炉门程序控制炉温以8~12℃/min速度下降至380~420℃，③再打开炉门自然冷却至室温。

陶粒检测。依据GB/T 17431.2-2010中的相关测试方法，检测陶粒制品的堆积密度、吸水率和筒压强度等性能指标，并将所测得的各项性能指标值与GB/T 17431.1-2010中对应的标准值进行对比，看是否达到要求；由于本发明所用原料均为固体废弃物，因此依据GB 5085.3-2007对陶粒制品的浸出毒性进行检测，看是否达到要求。

本发明采用以上工艺方案后，具有以下优点：

（1）全部以固体废物为原料制备超轻陶粒，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的大宗利用开辟一条新的途径，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益；

（2）制备出的超轻陶粒产品性能优异，各项性能指标值达到了GB/T 17431.1-2010的要求；

（3）生产工艺简单，生产成本低，产品的性价比高、市场竞争力强。

附图说明

图1为本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒采用的技术路线图；

图2为一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒预热至冷却阶段温度变化示意图。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例，对本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒做详细说明。

表1为本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒采用的原料化学成分表。

表1 采用的原料化学成分表（%）

由图1所示的本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒采用的技术路线图看出，本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒采用的工艺及参数为：

（1）原料选择

烧制超轻陶粒时，原料的化学成分范围一般为：SiO₂48~65%，Al₂O₃14~20%，Fe₂O₃2~9%，CaO+MgO3~8%，Na₂O+K₂O1~5%，烧失量4~13%；原料的矿物组成应以伊利石、水云母、蒙脱石、绿泥石、沸石等粘土矿物为主，总含量大于40％；粒度一般为0.08mm方孔筛筛余小于5%。

由表1可知，该尾矿SiO₂和Al₂O₃偏低，会影响陶粒的强度，Fe₂O₃和CaO偏高，会缩小陶粒的软化温度范围，不利于陶粒烧胀。而煤矸石的的化学成分和超轻陶粒原料的理论值很接近，故加入后改善原料的化学成分，有利于充分烧胀，而且其中的C在高温燃烧后可形成封闭孔，具有造孔剂作用，另外C在高温下还可以还原Fe₂O₃产生CO，起到发气作用。脱水污泥中的有机质含量非常高（近50%），加入少量，就可以很明显地提高陶粒原料的烧失量，如果同时在高温下能够产生适宜粘度的液相，就可以烧制出超轻陶粒。综上所述，选用尾矿、煤矸石、脱水污泥为原料来制备全固废超轻陶粒。

（2）原料预处理。测定各原料的含水率和粒度，必要时进行晾晒、破碎、磨细等预处理，使原料含水率小于5%，粒度达到0.08mm方孔筛筛余小于5%。

（3）配料及混料。利用均匀设计法进行配方试验，得到最佳配方为尾矿：煤矸石：脱水污泥=8:8:1，即尾矿掺量44.4份，煤矸石掺量44.4份，脱水污泥掺量11.1份。按比例准确称量各原料，用搅拌机搅拌5min；加水（16~19%为宜）后再搅拌5min。

（4）造球。将搅拌均匀的原料加入造球机进行造球。陶粒的粒度一般在20~25mm，考虑到料球在高温条件下的膨胀性，造球机出料粒度应控制在15~20mm为宜。

（5）干燥。为确保料球在后续的预热和焙烧阶段不开裂，必须将造球时加入的水分充分蒸发掉，干燥后料球应保持表面无明显裂纹。由于料球含水率较高，如果直接在110℃干燥，料球内部水分剧烈蒸发，大量的水蒸气会导致料球开裂。因此，料球应首先在60℃干燥约2h，然后在110℃干燥约2h。

（6）预热。预热阶段中，温度急剧变化会引起料球炸裂，而导致最终烧制的陶粒各项性能下降；其次是控制料球在焙烧阶段产生的气体量，因为在预热生料阶段，料球中的有机质和碳酸盐就已开始分解挥发产生气体，那么经过预热后，料球在焙烧阶段产生的气体量就会减少；再次就是为生料表层的软化做准备。经试验确定，本发明预热温度为550℃，预热时间20min。

（7）焙烧。焙烧阶段是整个陶粒焙烧过程中最关键的一步，它将直接影响到陶粒制品的各项性能，如果控制不当，会造成气体压力太大而溢出料球外壳形成开口气孔，导致所烧制的陶粒强度低、吸水率高等缺点，如果焙烧温度未达到最佳焙烧温度，陶粒制品的膨胀倍数就会下降，表现密度变大。经试验确定，本发明焙烧温度为1300℃，预热时间10min，升温速率12℃/min。

（8）冷却。待陶粒完成膨胀后将高温炉门打开(不加热)，使其自然冷却至700℃；从700℃到400℃时，关闭炉门程序控制炉温以10℃/min速度下降，因为迅速降温，使陶粒内部和表面产生强大的温度收缩应力，导致其表面出现网状的微细裂缝，使陶粒的颗粒强度降低；400℃至室温自然冷却。

（9）陶粒性能检测。依据GB/T 17431.2-2010中的相关测试方法，检测陶粒制品的堆积密度、吸水率和筒压强度等性能指标，并将所测得的各项性能指标值与GB/T 17431.1-2010中对应的标准值进行对比，看是否达到要求；由于本发明所用原料均为固体废弃物，因此依据GB 5085.3-2007对陶粒制品的浸出毒性进行检测，看是否达到要求。

由图2所示的本发明一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒预热至冷却阶段温度变化示意图看出，本发明预热温度为550℃，预热时间20min；本发明焙烧温度为1300℃，预热时间10min，升温速率12℃/min；本发明的冷却分为3个阶段进行：先打开炉门自然冷却至700℃，然后关闭炉门程序控制炉温以10℃/min速度下降至400℃，最后再打开炉门自然冷却至室温。

综上所述，利用尾矿、煤矸石、脱水污泥可以烧制出超轻陶粒。烧制超轻陶粒的最佳配方为：粘土性含铁尾矿掺量44.4%，煤矸石系高岭土掺量44.4%，脱水污泥掺量11.1%；最佳工艺条件为：预热温度550℃，焙烧温度1300℃，升温速率12℃/min。在以上最佳配方和工艺条件下，利用尾矿、煤矸石和脱水污泥可以烧制出堆积密度为390kg/m³、筒压强度为1.2MPa、吸水率为3.8%的全固废超轻陶粒，达到GB/T 17431.1-2010要求；浸出毒性检测表明，陶粒制品Zn、Cu、Pb浸出浓度分别为0.1575mg/L、0.0058mg/L、0.07316mg/L，而Ni、Cd、Cr、Hg、As未检出，符合GB 5085.3-2007要求。

Claims

1.一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，其特征在于采用的原料组分及总份数按100份计的各组分质量分数、含水率、粒度要求为：

(1)粘土性含铁尾矿40～45份，含水率<5％，粒度为0.08mm方孔筛筛余量＜5％；

(2)煤矸石42～49份，含水率<5％，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5％；

(3)城镇污水处理厂脱水污泥10～13份，含水率<5％，粒度为0.08mm方孔筛筛余量≤5％；

所述的粘土性含铁尾矿中：SiO₂含量25.0～40.0％，Al₂O₃含量4.0～9.0％，Fe₂O₃含量10.0～28.0％，(CaO+MgO)含量14.0～17.0％，(K₂O+Na₂O)含量0.8～3.0％，烧损14.0～18.0％；

所述的煤矸石中：SiO₂含量40.0～46.0％，Al₂O₃含量35.0～45.0％，烧损11.0～17.0％；

所述的城镇污水处理厂脱水污泥中，(SiO₂+Al₂O₃)含量32.0～40.0％，(CaO+MgO)含量2.0～5.0％，烧损42.0～50.0％；

所采用的制备工艺为：

(1)原料选择：按照各组分化学成分要求选择粘土性含铁尾矿、煤矸石和城镇污水处理厂脱水污泥为原料；

(2)原料预处理：测定各原料的含水率和粒度，必要时进行晾晒、破碎、磨细预处理，使原料含水率小于5％，粒度达到0.08mm方孔筛筛余小于5％；

(3)配料及混料：按照粘土性含铁尾矿、煤矸石和城镇污水处理厂脱水污泥的各组分份数配比进行配料，先用搅拌机搅拌，再加水搅拌，使配料中的总含水率以重量计保持在16～19％范围；

(4)造球：将搅拌均匀的原料加入造球机进行造球，造球机出料粒度应控制在15～20mm范围；

(5)干燥：首先在55～75℃干燥1.5～2.5h，然后在100～120℃干燥1.5～2.5h；

(6)预热：预热温度为500～600℃，预热时间15～30min；

(7)焙烧：焙烧温度为1300～1350℃，预热升温速率10～15℃/min；

(8)冷却：①将高温炉门打开，自然冷却至650～750℃，②关闭炉门程序控制炉温以8～12℃/min速度下降至380～420℃，③再打开炉门自然冷却至室温。

2.如权利要求1所述的一种全部以固体废物为原料制备的超轻陶粒，其特征在于：

所述的粘土性含铁尾矿中：SiO₂含量28.0～32.0％，Al₂O₃含量5.0～8.0％，Fe₂O₃含量20.0～27.0％，(CaO+MgO)含量14.0～17.0％，(K₂O+Na₂O)含量0.8～2.0％，烧损15.0～17.5％；

所述的煤矸石中：SiO₂含量43.0～45.0％，Al₂O₃含量38.0～41.0％，(CaO+MgO)含量＜0.4％，(K₂O+Na₂O)含量＜0.4％；

所述的城镇污水处理厂脱水污泥中，(SiO₂+Al₂O₃)含量32.0～40.0％，(CaO+MgO)含量2.0～3.5％，(K₂O+Na₂O)含量≤2.0％，烧损46.0～50.0％。