CN108117375A - 一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞灰‑黄河泥砂建筑陶粒及其制备方法，该陶粒包括飞灰和黄河泥砂；其中，以质量百分比计，飞灰55％‑75％，泥砂25‑45％％。本发明的陶粒的主要原料为飞灰，辅料为泥砂，首先在水的作用下飞灰以及泥砂粘结成球型，再经过高温烧结程序将飞灰和泥进行发泡并形成多孔和硬壳结构，得到的陶粒表面光滑，韧性强，抗压能力强，不添加任何化学试剂，安全环保。与传统烧结法相比，泥砂替代了黏土，有利于对农业耕地和粘土资源的保护以及农业的可持续发展。

Description

一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒及其制备方法，属于化学与环境技术领域。
背景技术：
随着社会经济发展，城市化过程加快，生活垃圾数量以每年8％～10％的速度持续增长，我国很多大中城市遭遇“垃圾围城”的困境。焚烧作为生活垃圾的处理方式之一，可使垃圾高温灭菌达到无害化、减容化和减量化的目的；同时垃圾焚烧余热还可供热、发电，达到资源化的目的。因此，焚烧处理模式将成为我国垃圾处理的主流趋势之一。但是，垃圾焚烧过程中会产生大量飞灰。据统计，飞灰产量约为焚烧垃圾量的3％～5％。如果按此比例计算，每年我国垃圾焚烧所产生的飞灰量将是一个天文数字。垃圾焚烧飞灰中除含有一定量的未燃尽可燃物外，还富集了大量的有高毒性的重金属和二噁英类污染物质，被《国家危险废物名录》列为危险废物。因此，如何妥善处置垃圾焚烧飞灰受到国家环保部门的关注，成为环保领域的热点和难题。
目前，国内的飞灰主要采取水泥固化和螯合剂稳定后再填埋的方式处理，该类方法不仅占用填埋场地，使填埋场存在有害物质溶出的隐患，而且土地及固化材料的投入等处理费用较高。也有学者研究将飞灰无害化处理后进行资源化利用，目前飞灰资源化方面的研究主要集中在建材(水泥、轻骨料、陶瓷、烧结砖)和吸附剂、沸石、土壤改良剂等。但是，在飞灰资源化的过程中会出现二次污染的风险，其次飞灰粒径较小，利用过程容易散逸，这些均会对人类健康和环境的安全性存在威胁。有氧烧结技术由于投资少，成本低且可以利用高温熔融技术对飞灰中的重金属类物质进行充分固定而成为飞灰资源化的一种重要方式。
陶粒属于多孔材料，根据其应用可以划分为水处理填料陶粒和建筑骨料陶粒等。作为一种轻集料，陶粒可以取代普通砂石配制轻集料混凝土，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，在建筑、环保、冶金、化工、石油、农业等部门有着广泛用途，因此近年来得到了迅速发展。陶粒的化学成分主要由含Si、Al、Ca、Fe、Na、K、Mg等元素的矿物成分组成，目前一般采用粘土作为烧制陶粒的原料，但粘土为不可再生的资源，采用固体废物代替天然资源生产陶粒的技术研发是目前的研究热点。
目前有以黏土等为主要原料，飞灰为添加剂来制备填料的文献公开，飞灰仅作为少量的添加剂使用，飞灰利用率不高，并且大量黏土的使用不利于农业的可持续发展，如，中国专利文献200610013366.7公布的一种垃圾焚烧飞灰与黏土结合烧制陶粒的方法，该方法得到的填料黏土占比为60％-40％且制备温度高达1400℃，制备成本较高，且在我国已经明确保护农业资源的情况下，黏土的使用将受到很大的限制；或者是飞灰作为了主要原料，但辅料复杂且制备条件苛刻，造成成本提高不适宜工业化应用，又如中国专利文献20071005851.4公布的一种免烧结性垃圾焚烧飞灰陶粒的制备技术，其制备原料包括飞灰，粉煤灰，硅酸盐水泥，重金属稳定剂五种物质，制备过程要先制备内核，然后制备外壳，虽然不需要烧结但其制备工艺复杂，原料繁多且不易控制。另外由于一开始设计时对于飞灰陶粒用途没有一个明确地规划，只是着重于对飞灰中有害金属的固定，也没有正确考虑工业化应用，导致烧结条件等并不符合实际应用的价值等。
另一方面，近年来黄河泥砂含量虽有减少，但仍有泥砂淤积问题出现，而对黄河泥砂的资源化处置成为解决黄河泥砂问题的一种新途径。黄河泥砂性质与黏土相似，不仅含有大量的无机物如SiO2、Al2O3等，还含有大量的有机质。
虽然黄河泥砂在建筑材料(制备空心砖)方面已经得到广泛应用，但与垃圾焚烧飞灰结合来制备陶粒还未见任何文献报道。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒，包括飞灰和黄河泥砂；其中，以质量百分比计，飞灰55％-75％，泥砂25-45％％。
根据本发明优选的，一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒，以质量百分比计，飞灰65％-75％，泥砂25-35％。
根据本发明优选的，所述的飞灰为垃圾焚烧飞灰，飞灰中SiO2质量含量为12-18％，Al2O3质量含量为6-12％，CaO质量含量为33-38％，Fe2O3质量含量为5-8％。垃圾焚烧飞灰来源于垃圾焚烧厂，取自烟道飞灰。
根据本发明优选的，所述的泥砂为黄河泥砂，泥砂中SiO2质量含量为35-55％，Al2O3质量含量为10-20％，CaO质量含量为3-10％，Fe2O3质量含量为5-10％，黄河泥砂取自黄河济南段某泥砂堆放处。
根据本发明优选的，上述飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，包括：
飞灰、泥砂干燥粉碎步骤；
飞灰与黄河泥砂混合制生料球步骤；
生料球烧结步骤；
烧结后的生料球冷却得陶粒步骤。
根据本发明优选的，所述的飞灰、黄河泥砂干燥粉碎步骤是：将飞灰、黄河泥砂分别在温度100-110℃下，干燥3-5h，然后将其粉碎，并过80-100目筛。
根据本发明优选的，所述的飞灰、泥砂干燥粉碎步骤中，干燥后飞灰、黄河泥砂的烧失量均小于等于5-8wt％。
根据本发明优选的，所述的飞灰、黄河泥砂干燥粉碎步骤中，干燥后飞灰的含水率小于1wt％，烧失量为2-4％，堆密度为900-1100kg/m3。
根据本发明优选的，所述的飞灰、泥砂干燥粉碎步骤中，干燥后泥砂含水率小于2wt％，烧失量为3.5-5.5％，堆密度为800-900kg/m3。
根据本发明优选的，所述的飞灰与泥砂混合制生料球步骤为：按配比取飞灰、黄河泥砂置于成球机中，混合约12-16h，然后加入水造粒制成直径为6-10mm生料球。
根据本发明优选的，水的加入量占飞灰和泥砂总量的3-10wt％。
根据本发明优选的，得到的生料球于常温下干燥20-26h。
根据本发明优选的，所述的生料球烧结步骤是：先将生料球进行预烧结5-20min，然后在高温下烧结5-15min。
进一步优选的，预烧结温度为300-800℃，高温烧结温度为1050-1190℃，烧制过程中为自然通风状态。
根据本发明优选的，所述的烧结后的生料球冷却得陶粒步骤是：生料球烧制完成后取出，在自然通风环境的条件下，冷却至室温，然后保存。
本发明的飞灰-泥砂陶粒的性质特征主要有颗粒密度1000-1350Kg/m3，堆积密度为550-850Kg/m3、吸水率为2.5-4.5％，抗压强度为8-13MPa。观察显示陶粒内部发泡明显，其发泡直径范围为0.5-3.5mm左右。
本发明的陶粒原料组成以及组成比例是经过发明人经过大量实验得到的，主要原料为飞灰，辅料为泥砂和水，在水的作用下，飞灰以及泥砂中的部分黏性矿物将两者粘结成球型，再经过高温烧结程序将飞灰和泥砂进行发泡并形成多孔和硬壳结构，得到的陶粒表面光滑，韧性强，抗压能力强，并且不添加任何化学试剂，安全环保。飞灰与泥砂陶粒的多孔结构充分容纳空气，保证陶粒的保温能力；陶粒表面的硬壳结构不容易断裂，保证了陶粒的强度。
本发明的有益效果：
1、本发明的陶粒制备工艺简单易行。使用原料仅为飞灰和泥砂，制备过程中添加水造粒，制备工艺简单。陶粒预处理和烧结温度范围广且易控，烧结工艺易行。
2、本发明的陶粒制造和处理成本低。相较于传统处理方法中的多种原料，飞灰和泥砂廉价易得且飞灰不投加螯合剂等稳定化药剂。陶粒制备过程简单，只需滚动造粒机和烧结炉等设备投资，投资成本低。与传统焙烧熔融法相比，此种方法烧结时间短，在实际连续烧制过程中可以省去预热步骤，随着转炉窑温度逐渐上升完成预热和烧结，从而进一步节省烧结时间，节约成本。
3、本发明的陶粒的主要原料为飞灰，辅料为泥砂，首先在水的作用下飞灰以及泥砂粘结成球型，在经过高温烧结程序将飞灰和泥砂进行发泡并形成多孔和硬壳结构，得到的陶粒表面光滑，韧性强，抗压能力强，不添加任何化学试剂，安全环保。与传统烧结法相比，泥砂替代了黏土，有利于对农业耕地和粘土资源的保护以及农业的可持续发展。
附图说明：
图1是实施例1制得的飞灰-泥砂陶粒的断面结构图，
图2是实施例1制得的飞灰-泥砂陶粒的表面壳状结构图，
图3是实施例1制得的飞灰-泥砂陶粒的全貌结构图。
具体实施方式：
为使本发明的制备工艺及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本技术方案进行更加深入的说明，但是此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例中的垃圾焚烧飞灰来源于济南市光大垃圾焚烧厂，垃圾为城市生活垃圾，泥砂来自山东省济南市，飞灰中主要含SiO2为15.21％，Al2O3为8.83％，CaO为36.84％，Fe2O3为5.65％等成分；泥砂中SiO2为48.59％，Al2O3为16.55％，CaO为0.5％，K2O为8.07％等。实施例中添加水辅助造粒。
实施例1：
一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒的制备方法，具体步骤如下：
先将垃圾焚烧飞灰和泥砂进行烘干，磨碎，过100目筛等步骤，然后按照质量分数飞灰75％，泥砂25％的比例放入放在搅拌机中以一定的转速相混合约12h左右，以使两种材料能够充分混匀。将混合均匀的的原料放入盘式成球机中进行滚动造粒，在滚制的过程中均匀喷洒水来辅助造粒，通过控制盘式成球机的转速，倾斜角以及水量等控制生料球的直径；使用用合适的筛子筛选直径为6-10mm的生料球，置于通风橱内，25℃下干燥24h。将干燥后的生料球放在管式炉中，先在600℃的条件下预热7min，然后将管式炉温度调至1175℃，在此温度下烧结10min，取出陶粒在自然通风状态下冷却至室温。此种条件下所制备的的陶粒在烧结过程中颗粒与炉底或炉壁以及陶粒颗粒之间无粘结情况发生，
得到的陶粒颗粒直径为10-13mm左右，颗粒密度1270kg/m3，堆积密度为721kg/m3、吸水率为3.92％，抗压强度为9.28MPa，得到的陶粒断面结构、表面壳状结构以及形貌示意图如图1，2，3所示；从图中可以看出，其表面形成了壳状结构，内部发泡明显。
有毒物质及重金属元素浸出测试：
将实施例1的陶粒进行有毒物质及重金属元素测试，测试结果见下表1：
表1飞灰陶粒有毒物质及重金属元素浸出浓度表
从上表1可以看出，与原飞灰相比，烧制后的陶粒的稳定性变强，其浸出液中重金属的浓度完全符合国家相关标准，达到了应用的要求。
实施例2
一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒的制备方法同实施例1，不同之处在于：
按照质量分数飞灰55％，泥砂45％的比例相混合，使两种材料能够充分混匀。将混合均匀的的原料放入盘式成球机中进行滚动造粒，使用合适的筛子筛选直径为6-10mm的生料球，置于通风橱内，25℃下干燥24h。将干燥后的生料球放在管式炉中，先在600℃的条件下预热7min，然后将管式炉温度调至1185℃，在此温度下烧结10min，取出陶粒在自然通风状态下冷却至室温。此种条件下所制备的的陶粒在烧结过程中颗粒与炉底或炉壁之间无粘结，但陶粒颗粒之间稍有粘结情况发生，其颗粒密度1326kg/m3，堆积密度为751kg/m3、吸水率为3.08％，抗压强度为11.34MPa，其表面具有壳状结构，内部发泡。
实施例3
一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒的制备方法同实施例1，不同之处在于：
按照质量分数飞灰65％，泥砂35％的比例充分混匀。将混合均匀的的原料放入盘式成球机中进行滚动造粒，使用合适的筛子筛选直径为6-10mm的生料球，置于通风橱内，25℃下干燥24h。将干燥后的生料球放在管式炉中，先在600℃的条件下预热7min，然后将管式炉温度调至1175℃，在此温度下烧结7min，取出陶粒在自然通风状态下冷却至室温。此种条件下所制备的的陶粒在烧结过程中颗粒与炉底或炉壁以及陶粒颗粒之间稍无粘结情况发生，其颗粒密度1041kg/m3，堆积密度为600kg/m3、吸水率为3.80％，抗压强度为12.19MPa，其表面形成了壳状结构，内部发泡明显。

Claims (10)

1.一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒，包括飞灰和黄河泥砂；其中，以质量百分比计，飞灰55％-75％，黄河泥砂25-45％％。
2.根据权利要求1所述的飞灰-黄河泥砂建筑陶粒，其特征在于，以质量百分比计，飞灰65％-75％，泥砂25-35％％。
3.根据权利要求1所述的飞灰-黄河泥砂建筑陶粒，其特征在于，所述的飞灰为垃圾焚烧飞灰，飞灰中SiO2质量含量为12-18％，Al2O3质量含量为6-12％，CaO质量含量为33-38％，Fe2O3质量含量为5-8％；所述的泥砂为黄河泥砂，泥砂中SiO2质量含量为35-55％，Al2O3质量含量为10-20％，CaO质量含量为3-10％，Fe2O3质量含量为5-10％。黄河泥砂来自黄河济南段。
4.一种飞灰-黄河泥砂建筑陶粒的制备方法，包括：
飞灰、泥砂干燥粉碎步骤；
飞灰与泥砂混合制生料球步骤；
生料球烧结步骤；
烧结后的生料球冷却得陶粒步骤。
5.根据权利要求4所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，所述的飞灰、泥砂干燥粉碎步骤是：将飞灰、泥砂分别在温度100-110℃下，干燥3-5h，然后将其粉碎，并过80-100目筛；所述的飞灰、泥砂干燥粉碎步骤中，干燥后飞灰、泥砂的烧失量均小于等于5-8wt％。
6.根据权利要求5所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，所述的飞灰、泥砂干燥粉碎步骤中，干燥后飞灰的含水率小于1wt％，烧失量为2-4％，堆密度为900-1100kg/m3；干燥后泥砂含水率小于2wt％，烧失量为3.5-5.5％，堆密度为800-900kg/m3。
7.根据权利要求4所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，所述的飞灰与泥砂混合制生料球步骤为：按配比取飞灰、黄河泥砂置于成球机中，混合约12-16h，然后加入水造粒制成直径为6-10mm生料球；水的加入量占飞灰和泥砂总量的3-10wt％；得到的生料球于常温下干燥20-26h。
8.根据权利要求4所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，所述的生料球烧结步骤是：先将生料球进行预烧结5-20min，然后在高温下烧结5-15min。
9.根据权利要求8所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，预烧结温度为300-800℃，高温烧结温度为1050-1190℃，烧制过程中为自然通风状态。
10.根据权利要求4所述的飞灰-泥砂建筑陶粒的制备方法，其特征在于，所述的烧结后的生料球冷却得陶粒步骤是：生料球烧制完成后取出，在自然通风环境的条件下，冷却至室温，然后保存。
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