CN108017302A - 一种煤气化粗渣免烧材料及其制备方法 - Google Patents

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张凯
刘舒豪
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Abstract

本发明提供了一种免烧材料，包括：煤气化粗渣63～75重量份；水泥15～25重量份；石英砂10～12重量份；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。与现有技术相比，本发明通过将特定比例的煤气化粗渣、水泥与石英砂混合，利用石英砂补充煤气化粗渣中玻璃体含量，利用水泥提高煤气化粗渣的活性，加快免烧材料的硬化速度，增加免烧材料的强度。

Description

一种煤气化粗渣免烧材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种免烧材料及其制备方法。
背景技术
煤气化粗渣产量庞大、热值低、粒度大，国内外现有的的处置利用方法效果都不甚明显，一般采用填埋或露天堆放的方式处置，但这些处理方式不仅侵占宝贵的土壤资源，更因为含有铬(Cr)、砷(As)等重金属元素，且各多环芳烃组分含量远远超过国际公共健康与环境组织规定的最高含量标准，对环境介质和人体健康形成了很大的风险威胁，也会因为灰尘逸散带来大气污染。因此，研究煤气化粗渣的综合处置途径显得尤为重要。
近年来，随着清洁产业煤气化技术的发展，国内外对其大量残渣越发重视，处理技术研究逐步深入。I.Kourti等人以煤气化渣和废弃玻璃为原料(原料中玻璃含量40％)，在旋转式立窑中1120℃下成功烧制了陶粒材料，其平均密度为1.38g/cm3，吸水率为16％，抗压强度为 7.3MPa。此外，K.Rama murthy等人研究了以水泥、石灰和斑脱石三种原料为粘结剂情况下其添加量对煤气化渣陶粒性能的影响。
但目前陶粒生产工艺还是主要是高温烧结法，鉴于现阶段原材料、能源等成本不断提高，并且大部分生产单位存在着能耗高、效率低、原料利用率低等问题，这样在很大程度上增加了陶粒生产企业发展的难度和产品的市场竞争力的提高，且在已有研究的基础上对还没有有效解决的原料成分配比问题及养护工艺条件问题进行研究。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种以煤气化粗渣为原料的免烧材料及其制备方法。
本发明提供了一种免烧材料，包括：
煤气化粗渣 63～75重量份；
水泥 15～25重量份；
石英砂 10～12重量份；
所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
优选的，所述煤气化粗渣与水泥的质量比为(4.8～5)：1或(2～2.52)：1。
优选的，包括：
煤气化粗渣 75重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 10重量份。
优选的，包括：
煤气化粗渣 73重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 12重量份。
优选的，包括：
煤气化粗渣 63重量份；
水泥 25重量份；
石英砂 12重量份。
本发明还提供了一种免烧材料的制备方法，包括：
S)将63～75重量份的煤气化粗渣、15～25重量份的水泥及10～12重量份的石英砂与水混合，成型后养护，得到免烧材料；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
优选的，所述水的质量为煤气化粗渣与水泥总质量的25％～35％。
优选的，所述步骤S)具体为：
S1)将煤气化粗渣与碱液混合搅拌后过滤，滤渣干燥后，得到预处理的煤气化粗渣；
S2)将63～75重量份的预处理的煤气化粗渣、15～25重量份的水泥、10～12重量份的石英砂与水混合，成型后养护，得到免烧材料。
优选的，所述成型具体按照以下步骤进行：
将混合好的原料利用圆盘造球机造粒成球；所述圆盘造球机成球盘的角度为50°～60°；所述造粒成球的过程为先在转速为30～35r/min条件下，转动20～40s后，将转速调为70～80 r/min，运转20～40s。
优选的，所述养护具体为：在室温下湿法养护20～30h，然后再进行蒸汽养护。
本发明提供了一种免烧材料，包括：煤气化粗渣63～75重量份；水泥15～25重量份；石英砂10～12重量份；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。与现有技术相比，本发明通过将特定比例的煤气化粗渣、水泥与石英砂混合，利用石英砂补充煤气化粗渣中玻璃体含量，利用水泥提高煤气化粗渣的活性，加快免烧材料的硬化速度，增加免烧材料的强度。
附图说明
图1为本发明提供的免烧材料的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1～7及比较例1～2中得到的免烧陶粒的抗压强度及其性能优异度评分结果图；
图3为本发明实施例1～7及比较例1～2中得到的免烧陶粒的吸水率及其性能优异度评分结果图；
图4为本发明实施例1～2及实施例7中得到的免烧陶粒的浸出毒性测试结果图；
图5为本发明实施例1～2及实施例7中得到的免烧陶粒的浸出毒性测试结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种免烧材料，包括：
煤气化粗渣 63～75重量份；
水泥 15～25重量份；
石英砂 10～12重量份；
所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
所述煤气化粗渣为本领域技术人员熟知的煤气化粗渣即可，并无特殊的限制，在本发明提供的一些实施例中，所述煤气化粗渣的含量优选为63重量份；在本发明提供的一些实施例中，所述煤气化粗渣的含量优选为73重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述煤气化粗渣的含量优选为75重量份。
由于煤气化粗渣中二氧化硅含量较低，需要加入石英砂补充玻璃体含量；在本发明提供的一些实施例中，所述石英砂的含量优选为10重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述石英砂的含量优选为12重量份。
单纯的煤气化粗渣免烧材料在自然养护状态下强度很低且不容易成球吸水率也很大，添加水泥可在一定程度上加快免烧材料的硬化速度，增加免烧材料的强度，这是由于水泥为粉状水硬性无机胶凝材料，具有高碱性可提供一个良好的碱性环境，腐蚀煤气化粗渣的玻璃体，使其表面粗糙有利于活性物质溶入，提高煤气化粗渣的活性。在本发明提供的一些实施例中，所述水泥的含量优选为15重量份；在本发明提供的另一些实施例中，所述水泥的含量优选为 25重量份。
在免烧材料中，煤气化粗渣、水泥与石英砂三者原料的配比会相互制约，在本发明提供的免烧材料中，所述煤气化粗渣与水泥的质量比优选为(4.8～5)：1或(2～2.52)：1，更优选为(4.8～5)：1或2.52：1。
按照本发明，更优选地，所述免烧材料包括：
煤气化粗渣 75重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 10重量份。
或包括：
煤气化粗渣 73重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 12重量份。
或包括：
煤气化粗渣 63重量份；
水泥 25重量份；
石英砂 12重量份。
本发明提供了一种免烧材料，包括：煤气化粗渣63～75重量份；水泥15～25重量份；石英砂10～12重量份；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。与现有技术相比，本发明通过将特定比例的煤气化粗渣、水泥与石英砂混合，利用石英砂补充煤气化粗渣中玻璃体含量，利用水泥提高煤气化粗渣的活性，加快免烧材料的硬化速度，增加免烧材料的强度。
本发明还提供了一种上述免烧材料的制备方法，包括：S)将63～75重量份的煤气化粗渣、 15～25重量份的水泥及10～12重量份的石英砂与水混合，成型后养护，得到免烧材料；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
其中，所述煤气化粗渣、水泥与石英砂均同上所述，在此不再赘述。
按照本发明，所述煤气化粗渣的粒度优选为60目及以下；所述煤气化粗渣原料优选先烘干、粉粹后过筛，得到煤气化粗渣；所述烘干的温度优选为100℃～120℃，更优选为100℃～110℃，再优选为105℃；所述烘干的时间优选为1～3h，更优选为2～3h，再优选为2h，使其完全干燥；所述粉粹的时间优选为2～5min，更优选为2～3min，再优选为2min。
所述煤气化粗渣优选用碱液进行预处理，具体为：将煤气化粗渣与碱液混合搅拌后过滤，滤渣干燥后，得到预处理的煤气化粗渣；所述碱液为本领域技术人员熟知的碱液即可，并无特殊的限制，本发明中优选为氢氧化钠水溶液和/或氢氧化钾水溶液；所述碱液中碱的浓度优选为2～10wt％，更优选为2～8wt％，再优选为4～6wt％，最优选为5wt％；所述碱液的质量优选为煤气化粗渣质量的30％～50％，更优选为30％～40％，再优选为30％～35％，最优选为32％；所述混合搅拌的时间优选为2～8min，更优选为3～6min，再优选为5min。将煤气化粗渣用碱液进行预处理，利用碱假发煤气化粗渣生成水化硅(铝)酸钠等凝胶结构增加免烧材料的强度。
将63～75重量份的预处理的煤气化粗渣、15～25重量份的水泥、10～12重量份的石英砂与水混合；所述石英砂的粒径优选为60目及以下；所述水的质量优选为预处理的煤气化粗渣与水泥总质量的25％～35％，更优选为28％～33％，再优选为30％。
将混合后的原料成型；所述成型的方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制，本发明中优选具体按照以下步骤进行：将混合好的原料利用圆盘造球机造粒成球；所述圆盘造球机成球盘的角度优选为50°～60°，更优选为55°～60°，再优选为60°；所述造粒成球的过程优选为先在转速为30～35r/min条件下，转动20～40s后，将转速调为70～80r/min，运转20～40s；更优选为先在转速为30～35r/min条件下，转动25～35s后，将转速调为70～80 r/min，运转25～35s；再优选为先在转速为30～35r/min条件下，转动30s后，将转速调为70～80 r/min，运转30s。
成型后进行养护；养护通常有自然养护法、蒸汽养护法和蒸压养护法。但是自然养护法前20d内初养免烧材料强度不高，蒸汽养护法可以加快免烧材料强度的增加速率。因此本发明优选采用以下方法进行养护：在室温下湿法养护20～30h，然后再进行蒸汽养护。
在蒸养之前要对免烧材料进行湿法养护原因是直接升温可能会导致免烧材料表面出现裂纹。所述湿法养护为本领域技术人员熟知的湿法养护即可，并无特殊的限制，本发明中优选为湿席养护。湿席养护是在室温条件下用湿润的草席包覆住免烧材料作用是使陶粒生料内部产生更多的水化胶凝产物，便于提高陶粒材料的初期强度。由于试验条件限制选用湿润的纱布代替湿润草席进行养护。
蒸养法可加快免烧强度的增长速度，在0℃～40℃范围内温度升高可显著降低免烧的破碎率，因此本发明中所述蒸汽养护的温度优选为30℃～40℃，更优选为35℃～40℃，再优选为 40℃；由于蒸汽养护时间越高成本也越大，因此选择蒸汽养护时间为10～12h，更优选为12h。在本发明中，所述养护更优选为先在室温下湿席养护24h然后再40℃蒸汽养护12h。
养护后优选进行干燥，得到免烧材料。
本发明提供的免烧材料的制备流程示意图如图1所示。
本发明利用煤气化粗渣为原料且其含量达到70％以上，实现利用处理无害化、减量化、资源化的目的，并且不添加传统的粘土，减少了对更低的破坏，并采用特殊的免烧氧化工艺，在保证免烧材料强度的基础上，免去了焙烧过程中能量的消耗和污染物排放，更具经济效益且节约能源；免烧材料强度可控，可通过改变原料的成分配比和养护条件，控制免烧材料的抗压强度值，达到特定应用领域的要求。
本发明提供的免烧材料可制备免烧陶粒及预拌垫层粉料等类似轻集料，制备得到的免烧陶粒还可加入普通砂、水泥与水制备轻集料混凝土。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种免烧材料及其制备方法进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售；实施例中所用的主要实验药剂见表1，主要实验仪器设备见表2。
表1 主要实验药剂
表2 主要实验仪器设备
实施例1～7及比较例1～2
原料预处理：将煤气化粗渣置于烘箱中105℃烘干2h使其完全干燥；然后用粉碎机将干燥的粗渣原料粉碎2min把粗渣磨细；之后用60目的筛子筛分，取筛下的干燥磨细的煤渣作为试验原料，然后将煤气化粗渣原料溶于32％(相对于干物料)的5％NaOH溶液中，搅拌5 min后过滤，取滤纸上的滤渣烘干后作为试验原料；
水泥可以不用经过处理而直接应用于试验；
石英砂烘干后粉碎，然后将粉碎后的石英砂用60目的筛子筛分，取干燥细的石英砂粉末作为试验辅料。
原料混合：将预处理完成的原料，按照表3中的配比(实验组1为比较例1，实验组5为比较例2，实验组2～4为实施例1～3，实验组6～9为实施例4～7)混合，搅拌均匀。
表3 原料配比表
造粒成球：把混合好的原料加水搅拌均匀后使用圆盘造球机将原料造粒成球，圆盘造球机成球盘的角度调整为60°；转速先控制在30～35r/min经过大概30s待成球盘中形成大量粒核后，调大转速至70～80r/min继续运转30s，待形成互不粘连的圆球状陶粒生料后取出。
湿席护理、蒸汽护理：制得坯体球后，先在室温条件下用湿润的草席包覆住陶粒材料24h，然后再在40℃的标准恒温恒湿养护箱中蒸汽养护12h。
烘干得成品陶粒：养护结束后筛分出粒径为5～8mm的陶粒样品，在电热鼓风干燥箱中于105℃条件下烘干30min，最终得到免烧陶粒产品。
依据轻集料及其试验方法国家标准抗压强度以5MPa为合格标准R0，依据下面公式算法抗压强度R值越大算出的性能优异度X得分越高；R＜5Mpa时不得分。
式中：X-性能优异度；i-抗压强度；R0-标准值
分别对实验组1～9号得到的免烧陶粒进行试验，各试验组制得免烧陶粒的抗压强度及其性能优异度评分结果见图2。
吸水率以22％为合格标准R0，依据下面公式算法吸水率R’值越小算出的性能优异度X 得分越高；R’＞22％时不得分。
式中：X-性能优异度；j-吸水率；R0-标准值
各试验组制得免烧陶粒的吸水率及其性能优异度评分结果见图3。
根据免烧工艺各试验组基础性能指标测试结果，第2，3，9试验组制备的陶粒样品为抗压强度和吸水率指标均达到国家标准的合格产品，因此选择第2，3，9试验组为进入下一阶段浸出毒性测试的样品组。
对免烧养护工艺制备筛选出来的3组基础性能达标的陶粒样品进行统一的浸出毒性测试。每组样品进行三次平行测试取算术平均值作为最终测试结果(如图4与图5所示)。
测试结果与国家地表水标准GB 3838-2002中Ⅳ类标准对比以确定不同工艺条件下免烧陶粒材料的环境安全性(见表4)。
表4 各基础性能达标实验组环境安全性评价结果
由表4可知，浸出毒性测试结果中Cr，As，Be，Cd等有害物浓度明显低于市面上的陶粒，免烧工艺对重金属的固定化能力高，属于环境友好型。

Claims (10)

1.一种免烧材料，其特征在于，包括：
煤气化粗渣 63～75重量份；
水泥 15～25重量份；
石英砂 10～12重量份；
所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
2.根据权利要求1所述的免烧材料，其特征在于，所述煤气化粗渣与水泥的质量比为(4.8～5)：1或(2～2.52)：1。
3.根据权利要求1所述的免烧材料，其特征在于，包括：
煤气化粗渣 75重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 10重量份。
4.根据权利要求1所述的免烧材料，其特征在于，包括：
煤气化粗渣 73重量份；
水泥 15重量份；
石英砂 12重量份。
5.根据权利要求1所述的免烧材料，其特征在于，包括：
煤气化粗渣 63重量份；
水泥 25重量份；
石英砂 12重量份。
6.一种免烧材料的制备方法，其特征在于，包括：
S)将63～75重量份的煤气化粗渣、15～25重量份的水泥及10～12重量份的石英砂与水混合，成型后养护，得到免烧材料；所述煤气化粗渣与水泥的质量比(4～5)：1或(2～2.52)：1。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水的质量为煤气化粗渣与水泥总质量的25％～35％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S)具体为：
S1)将煤气化粗渣与碱液混合搅拌后过滤，滤渣干燥后，得到预处理的煤气化粗渣；
S2)将63～75重量份的预处理的煤气化粗渣、15～25重量份的水泥、10～12重量份的石英砂与水混合，成型后养护，得到免烧材料。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述成型具体按照以下步骤进行：
将混合好的原料利用圆盘造球机造粒成球；所述圆盘造球机成球盘的角度为50°～60°；所
述造粒成球的过程为先在转速为30～35r/min条件下，转动20～40s后，将转速调为70～80r/min，运转20～40s。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述养护具体为：在室温下湿法养护20～30h，然后再进行蒸汽养护。
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