CN105016710B

CN105016710B - 利用污泥低温烧结制备陶粒的方法

Info

Publication number: CN105016710B
Application number: CN201510407477.6A
Authority: CN
Inventors: 蹇守卫; 何桂海; 孙孟琪; 马保国; 郅真真; 张吕东
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN105016710A

Abstract

本发明属于建筑材料类，提供一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法。包括有以下步骤：1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：干化污泥40％‑45％，高碱钙质页岩40％‑45％，钡渣12％‑18％，磷酸二氢铝0.5％‑0.8％，硼砂0.5％‑1％；2)将各组分混合均匀后采用静压力成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa‑12Mpa，成型后在80±20℃环境中烘干，经预热，升温，烧结后缓慢降温即可。本发明的优点：具有较好的固废利用效果；具有很好的节能效果；具有较高的减排效果。综上所述从而实现了良好的经济效果。

Description

利用污泥低温烧结制备陶粒的方法

技术领域

本发明属于建筑材料类，提供一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济建设和社会的大力发展，带动了我国建筑行业的大力发展，但在这急速发展的过程中，逐渐暴露了较多问题：如我国建筑行业资源消耗量大，资源循环利用率低，建筑能耗在全社会总能耗中所占的比例逐渐升高，并且预计到2020年将达到全社会总能耗的三分之一以上。面对这一系列越来越严峻的问题，如何降低建筑能耗，实现建筑行业向绿色、节能方向发展，成为未来建筑行业所必须选择要走的路。

作为建筑材料中重要的一种类型，轻骨料混凝土因其轻质、高强和保温性能良好在近几年得到了极大的关注，并且也得到了前所未有的发展机遇。在轻骨料原料体系当中，陶粒作为轻骨料的主要原料种类，能否大面积的开发生产应用就成为了轻骨料混凝土能否大面积推广应用的关键。

另一方面，随着我国这些年大面积的城镇化建设，城市污水处理厂的数量也越来越多，并且随着人民生活水平的提高和大众对环境保护的意识加强，我国城镇污水处理量逐年增加，但伴随而来的问题就是污水处理所带来的残留物污泥也会越来越多。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量(干重)大约为3000多万吨，预测到2020年我国污泥排放量将突破6000万吨。如何妥善处理处置如此大量的污泥、化害为利、变废为宝、保护环境、实现污泥的资源化利用，已成为我们当前急需解决的问题。

如何合理有效的利用污泥已成为十分严峻的问题。在已有的文献中，对利用污泥制备建筑材料已经有了一定的研究报道，其中有一定量的关于污泥制备烧结陶粒，分析这些文献，主要包括以下内容：

1.关于陶粒烧胀的实现途径。在现有的研究当中，常用途径是通过提高烧结温度和烧结保温时间，或在一定的条件下掺入一定量的烧胀剂来实现。但随着烧结温度和烧结保温时间的延长，会破坏原有陶粒内部良好的微孔，烧结温度越高，陶粒越致密，吸水率越低，密度越大，从而影响到陶粒混凝土的轻质、保温性能。且随着烧结温度和烧结时间的增长，其所消耗的能源也越多，不符合现阶段国家节能减排的总体要求。

2.关于污泥制备陶粒的环境评估：在现有的关于污泥资源化利用的研究报道中，利用污泥制备建筑材料的研究方向主要集中在原材料的配比优化、烧结温度制度的选择和烧结试样的性能探讨这几个方面。而随着国家和社会对环境保护的重视，利用污泥烧结陶粒对环境的影响却还未被得到足够的重视，而这却已成为污泥利用的关键技术瓶颈，而大大限制了污泥制备陶粒等技术的应用，如污泥陶粒烧制过程中产生的二噁英、硫氧化物等污染气体的控制，理应对其进行更加深入的探究并严格控制。

发明内容

本发明的目的在于实现一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，解决了如何大掺量利用污泥，能在低温条件下烧结且环境污染小的陶粒制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，包括有以下步骤：

1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：干化污泥40％-45％，高碱钙质页岩40％-45％，钡渣12％-18％，磷酸二氢铝0.5％-0.8％，硼砂0.5％-1％；

2)将各组分混合均匀后采用静压力成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在80±20℃环境中烘干，经预热，升温，烧结后缓慢降温即可。

按上述方案，所述的干化污泥为由水厂污泥经脱水、烘干获得的含水率不高于10％，经球磨至粒径为0.015-0.03mm的污泥；所述的高碱钙质页岩的粒度要求为≤0.05mm；所述的钡渣为粉磨处理至粒度≤0.05mm；所述的磷酸二氢铝的纯度为≥33％；所述的硼砂为市售五水硼砂，纯度为＞80％。

按上述方案，预热是以2-3℃/min的速度升温至预热温度200℃±20℃，在该温度范围内恒温15min-20min后，升温是再以3-5℃/min的速度升温至500℃-550℃，在该温度范围内恒温保持15min-20min，烧结是以4-8℃/min的温度升温至1000℃-1050℃，在该温度范围内烧结30-40min。

采用上述原材料和方法制备性能良好的陶粒的技术原理主要如下：

1.关于陶粒的原料要求：首先，陶粒的生料球对陶粒的烧成质量有较大的影响，要求其具有一定的强度和不变形的能力，这就要求原料有一定的塑性要求，原料的塑性取决于原料当中粘土矿物的含量，但污泥本身具有较多的有机质杂质，经干化粉磨过后，有机质杂质作为瘠性料存在且破坏粘土类原料-水之间的相互作用，造成原料塑性急剧降低，因而在原料当中加入页岩即是为提供粘土类矿物，有利于胚料早期成型和烧结所需塑性需求，在这过程中需严格控制好俩者的掺入比例。其次污泥由于其成分比较不稳定，且里面有机杂质含量较多。不能稳定提供烧结陶粒所需一定量的化学成分SiO₂和Al₂O₃，而SiO₂和Al₂O₃可在950℃-1050℃可形成熔融矿物，这是陶粒形成强度和结构的主要物质基础，这两种化学成分的缺失会造成烧结出的陶粒达不到标准要求。因而在本发明中，引入了比例较高的高碱钙质页岩，其中含有较高的SiO₂、Al₂O₃和钙氧化物含量。经研究表明，增加SiO₂的含量会让陶粒表面形成具有瓷釉光泽的玻璃质，且不易发生过火现象，还能避免陶粒烧制中出现团结，增加适量的Al₂O₃还能提高陶粒强度。钙氧化物主要是指碳酸钙和氧化钙的含量，碳酸钙在高温下可以分解产生气体起到烧胀作用，氧化钙作为碱土金属氧化物可以作为助熔剂，起到降低烧结温度的效果。但碱性物质的引入也会有一定的负面效果，烧结后试样较易出现泛碱和石灰爆裂现象。因而本发明中通过降低原料粒度的方法来调控石灰爆裂的可能性，且通过增加一定量的助熔剂来实现较多液相的生成，从而可以一定程度上抑制泛碱的发生。再次，本发明原料体系中引入了一定掺量的钡渣，由于污泥烧结陶粒会生成一定量的二噁英和硫氧化物气体，钡渣的加入一方面是作为固化剂起到固化硫氧化物气体的作用，另一方面还能实现钡渣固体废弃物的无害化处理。除此之外，在本发明的原料体系中，加入一定量的磷酸二氢铝主要是作为高温粘结剂，在原料胚料加工成型过程中，主要是靠粘土类矿物-水相互作用提供粘结性，但随着温度的升高，原料体系中的自由水随之蒸发，从而造成成型后的原料粘结性能降低，磷酸二氢铝其在200℃-600℃温度范围内会内部发生缩水聚合反应，生成大分子聚合物，从而提高了烧结过程中的物料粘结性能，并且还能在一定程度上能够保存住胚料内部产生的水蒸气和其他气体，为后期陶粒烧胀提供结构基础，同时防止原料胚料开裂而造成陶粒质量的损伤。最后，原料当中还加入了一定量的硼砂，硼砂作为助熔剂加入可以扩大陶粒的烧结温度范围，同时增加烧结产生的液相量，在一定程度上起到降低烧结温度和防止泛霜的作用。

2.关于二噁英等污染气体的排放，是利用污泥制备陶粒的关键技术瓶颈。本发明中给出以下措施对其进行处理：二噁英作为污泥处理主要研究的污染气体，其主要来源为污泥中的含氯物质在烧结温度低于800℃的情况下不完全燃烧生成，因而在原料体系引入的页岩种类为高碱钙质页岩，其引入的碱性物质能够减少Cl^-的溢出，从而消除了二噁英的生成的一部分物质来源；其次是本发明中烧结方式虽为低温烧结，但烧结温度仍达到1000℃-1050℃，远高于二噁英生成的温度条件；除此之外所选用的干化污泥和高碱钙质页岩经粉磨后细度较低，从而比表面积越大，越容易使内部物料烧结充分，降低了不完全烧结情况的产生；最后污泥经过干化处理且其中烧失量较高，可以被认定是内燃料加入到烧结陶粒中，而坯体物料在一定温度下能够生成一定量的液相对生成气体进行包裹，从而减少了一定量的污染气体排放量。

3.关于陶粒烧胀要求：陶粒烧胀主要具有两点要求，其一是原料加热到高温后必须生成一定黏性的玻璃相，能够将内部气体密封，其二是高温下物料体系当中必须有气体生成，坯体内部原料发生反应生成气体产生压力，而生料球表面生成黏性液相包裹住内部气体，两者共同作用从而生成烧胀陶粒。在本发明的原料体系当中，黏性玻璃相主要取决于SiO₂和Al₂O₃，而引入的高碱钙质页岩其主要成分则是Al₂O₃和SiO₂，能够满足玻璃液相所需的SiO₂和Al₂O₃要求，另外还含有较高量的碳酸钙和氧化钙和一些碱性物质，其中的碱性氧化物还能起到助熔的作用。其次在本发明中，加入了一定硼砂，硼砂的作用在于可以在一定程度上扩大烧结范围而降低熔点，由于陶粒烧结要求表面有一层一定厚度的黏性玻璃相，但温度越高，熔融液相的黏度越低，因而，降低了熔点后即可在较低的烧结温度下，形成黏度更高的熔融液相。在此之外，陶粒要求配料内部产生气体形成气压，内部气体形成来源于三个方面：其一为水分的蒸发；其二为原料中碳粒的燃烧；其三为原料体系中盐类的分解；为满足该条件，原料体系中引入的干化污泥中含有大量的有机杂质，会在500℃左右会受热分解产生CO_2；并且各种原料都会引入了一定量的碳，在温度400℃-800℃范围内，根据反应条件也会生成一定量的CO或CO₂气体；在850℃-900℃，原料体系中由干化污泥或者高碱钙质页岩引入的碳酸钙盐会发生分解反应生成CO₂气体；除此之外，干化污泥中都含有较多的Fe₂O₃，其在1000℃-1300℃温度范围内会发生分解与还原反应从而生成CO或CO₂气体；因而，从原理上分析，只要在1100℃左右，配料表面能够形成黏度合适的一定厚度的玻璃相，坯体内部就能生出足够的气体使其陶粒烧胀。

4.关于烧结制度的要求：本发明要求，以2-3℃/min的速度升温至预热温度200℃±20℃，在该温度范围内恒温15min-20min，这是由于原料体系中还含有一定量的结合水，在该温度内保温是防止温度升温太快，结合水蒸发太快影响早期胚料粘结性，而在胚料上造成裂缝。再以3-5℃/min的速度升温至500℃-550℃，在该温度范围内恒温保持15min-20min，是由于本发明原理中含有大量的干化污泥，而干化污泥中又有超过40％的物质为有机物杂质，其在这一温度范围内会大量分解产生气体，升温速度太快会造成内部气压瞬间压力过大溢出产生裂缝，影响陶粒质量。最后以4-8℃/min的温度升温至1000-1050℃，在该温度范围内烧结30-40min后缓慢降温即可，这是由于该原料体系的熔融温度约在1100℃左右，其中加入了一定的硼砂扩宽了烧结温度，若在较高温度下，内部气体气压较大而玻璃液相黏度较低从而阻力较低，容易造成内部膨胀气体溢出；若烧结时间过长，则内部微孔将破坏形成宏孔，再考虑到烧结能源的消耗，因而确定了这烧结温度制度。

采用上述原材料和方法制备的陶粒，具有良好的技术经济效果：首先，其固体废弃物的利用率较高，在原料体系中固废的占比达到了52％-65％，具有较好的固废利用效果；其次干化污泥由于其烧失量较高，可以作为内燃料加入到烧结试样中，而根据烧结方面的经验，1kg的内燃料可以等同于3kg外燃料的使用效果，节省了一定量烧结所需的燃料，且本次烧结采用低温烧结方式，因而在烧结过程中具有很好的节能效果；再次，烧结过程中采取了一系列措施降低了烧结过程中污染气体的排放量，具有较高的减排效果。综上所述从而实现了良好的经济效果。

附图说明

图1为本发明实施例1所得产物微观扫描图；

图2为本发明实施例2所得产物微观扫描图；

图3为本发明实施例3所得产物微观扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本申请之发明，但实施例不应视作对本发明权利的限定。

本发明所述的干化污泥为由水厂污泥经脱水、烘干获得的含水率不高于10％，经球磨至粒径为0.015-0.03mm的污泥；所述的高碱钙质页岩的粒度要求为≤0.05mm；所述的钡渣为粉磨处理至粒度≤0.05mm；所述的磷酸二氢铝的纯度为≥33％；所述的硼砂为市售五水硼砂，纯度为＞80％。

实施例1：

一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，所采用的原材料为：干化污泥、高碱钙质页岩、钡渣、磷酸二氢铝、硼砂，各原材料的配比为：干化污泥40％，高碱钙质页岩41％，钡渣18％，磷酸二氢铝0.5％、硼砂0.5％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压力成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为10Mpa，成型后在100℃环境中烘干，以2℃/min的速度升温至预热温度200℃，在该温度范围内恒温15min后，再以3℃/min的速度升温至500℃，在该温度范围内恒温保持20min，后以4℃/min的温度升温至1000℃，在该温度范围内烧结30min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为708.5kg/m³，体积密度为1417.08kg/m³，吸水率为2.21％，筒压强度为3.2Mpa。微观扫描如下图1所示。

实施例2：

一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，所采用的原材料为：干化污泥、高碱钙质页岩、钡渣、磷酸二氢铝、硼砂，各原材料的配比为：干化污泥42％，高碱钙质页岩40％，钡渣16.7％，磷酸二氢铝0.8％、硼砂1％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压力成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为12Mpa，成型后在80℃环境中烘干，以3℃/min的速度升温至预热温度200℃，在该温度范围内恒温20min后，再以5℃/min的速度升温至550℃，在该温度范围内恒温保持15min，后以6℃/min的温度升温至1030℃，在该温度范围内烧结30min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为571.3kg/m³，体积密度为1073.03kg/m³，吸水率为3.98％，筒压强度为2.6Mpa。微观扫描如下图2所示。

实施例3：

一种利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，所采用的原材料为：干化污泥、高碱钙质页岩、钡渣、磷酸二氢铝、硼砂，各原材料的配比为：干化污泥40％，高碱钙质页岩45％，钡渣13.2％，磷酸二氢铝0.8％、硼砂1％。制备过程为：将各种原材料按照要求预处理后分别计量，按照比例混合均匀后采用压力成型法在相应的成球模具中压制成型，成型压力为12Mpa，成型后在90℃环境中烘干，以3℃/min的速度升温至预热温度200℃，在该温度范围内恒温15min后，再以5℃/min的速度升温至550℃，在该温度范围内恒温保持15min，后以6℃/min的温度升温至1050℃，在该温度范围内烧结40min后缓慢降温即可。所得到的陶粒堆积密度为504.87kg/m³，体积密度为1065.83kg/m³，吸水率为4.25％，筒压强度为2.3Mpa。微观扫描如下图3所示。

Claims

1.利用污泥低温烧结制备陶粒的方法，包括有以下步骤：

1)按照以下组分及含量取料，重量百分比计：干化污泥40％-45％，高碱钙质页岩40％-45％，钡渣12％-18％，磷酸二氢铝0.5％-0.8％，硼砂0.5％-1％；所述的干化污泥为由水厂污泥经脱水、烘干获得的含水率不高于10％，经球磨至粒径为0.015-0.03mm的污泥；所述的高碱钙质页岩的粒度要求为≤0.05mm；所述的钡渣为粉磨处理至粒度≤0.05mm；所述的磷酸二氢铝的纯度为≥33％；所述的硼砂为市售五水硼砂，纯度为＞80％；

2)将各组分混合均匀后采用静压力成型法在成球模具中压制成型，成型压力为8Mpa-12Mpa，成型后在80±20℃环境中烘干，经预热，升温，烧结后缓慢降温即可，所述的预热是以2-3℃/min的速度升温至预热温度200℃±20℃，在该温度范围内恒温15min-20min后，升温是再以3-5℃/min的速度升温至500℃-550℃，在该温度范围内恒温保持15min-20min，烧结是以4-8℃/min的温度升温至1000℃-1050℃，在该温度范围内烧结30-40min。