CN108275974A - 透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法 - Google Patents

透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法。该方法包括以下步骤：将飞灰与助熔剂高温熔融，然后急冷水淬得到水淬渣；将水淬渣高温烧结制备得到透水砖。应用本发明的技术方案，首先通过高温熔融工艺脱除飞灰中高含量的碱金属氯化物，然后急冷水淬处理得到“优质”的水淬渣，去除大量对烧结不利影响的化学成分，使烧结产品的化学和机械特性有非常显著的改善，将该水淬渣制备成高附加的透水砖，从而避免了简单的填埋处理，实现了飞灰的减量化和资源化。

Description

透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法
技术领域
本发明涉及飞灰的无害化与资源化处置技术领域，具体而言，涉及一种透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法。
背景技术
垃圾焚烧、医疗废物焚烧以及工业生产中均会产生焚烧飞灰，飞灰中含有大量重金属和二噁英等有害物质，属于危险废物，必须无害化处理处置。
现有的技术集中在用单一水泥、磷酸盐鳌合处理飞灰，2008年国家环保部对生活垃圾填埋场的污染控制标准进行了更新，即GB 16889-2008，其中对进入生活垃圾填埋场的飞灰浸出液中污染物浓度作出了更为严格的规定，飞灰只有达到该标准才可以进入填埋场。
目前的单一处理技术很难满足这一新的标准，如何稳定化处理焚烧飞灰中的重金属，减少其对环境的危害，是一项重要的研究课题。为了改进现有技术状况，有必要研发新的飞灰处理技术。
发明内容
本发明旨在提供一种透水砖及利用飞灰制备透水砖的方法，以提供一种经济效益较高的飞灰处理技术。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种利用飞灰制备透水砖的方法。该方法包括以下步骤：将飞灰与助熔剂高温熔融，然后急冷水淬得到水淬渣；将水淬渣高温烧结制备得到透水砖。
进一步地，飞灰为生活垃圾焚烧飞灰、医疗垃圾焚烧飞灰及工业危废焚烧飞灰中的一种或多种。
进一步地，飞灰的主要化学成分质量百分比如下：10～70％CaO，0.1～10％SiO2，0.1～10％Al2O3，0.1～10％MgO，0.1～30％Cl，0.1～20％SO3，0.1～10％K2O，0.1～10％Na2O，0.1～10％Fe2O3，0.1～10％TiO2以及0.1～10％P2O5。
进一步地，飞灰的重金属化学成分质量百分如下：0～1％ZnO，0～1％PbO，0～1％SrO，0～1％BaO，0～1％Cr2O3，0～1％Sb2O3，0～1％As2O3，0～1％CuO，0～1％MnO，0～1％NiO以及0～1％Hg。
进一步地，助熔剂为富硅物质，选自石英砂、底渣、冶金渣以及尾矿中的一种或多种；优选的，飞灰中的CaO与助熔剂中的SiO2质量比为0.8～1.2:1。
进一步地，飞灰与助熔剂高温熔融获得熔渣，熔渣的熔化温度为1100～1500℃，熔渣的粘度为0.1～10Pa·s。
进一步地，水淬渣的粒径为1～20mm。
进一步地，水淬渣高温烧结的烧结时间为0.5～10h，烧结温度为800～1200℃，保温时间为5～48h。
进一步地，水淬渣在高温烧结之前还包括放入模具中成型的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了一种透水砖。该透水砖采用上述任一种方法制备得到。
应用本发明的技术方案，首先通过高温熔融工艺脱除飞灰中高含量的碱金属氯化物，然后急冷水淬处理得到“优质”的水淬渣，去除大量对烧结不利影响的化学成分，使烧结产品的化学和机械特性有非常显著的改善，将该水淬渣制备成高附加的透水砖，从而避免了简单的填埋处理，实现了飞灰的减量化和资源化。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
为了改进现有技术中的飞灰处理手段，本发明提出了如下的技术方案。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种利用飞灰制备透水砖的方法。该方法包括以下步骤：将飞灰与助熔剂高温熔融，然后急冷水淬得到水淬渣；将水淬渣高温烧结制备得到透水砖。
高温熔融处置技术是比较先进的垃圾焚烧飞灰处置技术，相对于水泥固化和螯合剂固化而言，熔融固化的无害化程度彻底、产品稳定性高、运行费用适中、减容效果显著，同时可以实现飞灰资源化利用。高温熔渣经过急冷水淬处理得到的水淬渣，去除大量对烧结不利影响的化学成分，例如氯化物、硫酸盐和碱性物质，相较于原料飞灰更加“干净”。水淬渣为主要含硅、钙的玻璃渣，经过烧结处理，玻璃渣转变成晶体，更有利于固结重金属，且烧结产品的化学和机械特性有非常显著的改善，可以作为高级建筑材料使用。
应用本发明的技术方案，首先通过高温熔融工艺脱除飞灰中高含量的碱金属氯化物，然后急冷水淬处理得到“优质”的水淬渣，去除大量对烧结不利影响的化学成分，使烧结产品的化学和机械特性有非常显著的改善，将该水淬渣制备成高附加的透水砖，从而避免了简单的填埋处理，实现了飞灰的减量化和资源化。
根据本发明一种典型的实施方式，应用于本发明的飞灰可以为生活垃圾焚烧飞灰、医疗垃圾焚烧飞灰及工业危废焚烧飞灰中的一种或多种。
根据本发明一种典型的实施方式，飞灰的主要化学成分质量百分比如下：10～70％CaO，0.1～10％SiO2，0.1～10％Al2O3，0.1～10％MgO，0.1～30％Cl，0.1～20％SO3，0.1～10％K2O，0.1～10％Na2O，0.1～10％Fe2O3，0.1～10％TiO2以及0.1～10％P2O5。此种比例的飞灰比较常见，本发明的的技术方案可以广泛应用于飞灰的资源化处理。
根据本发明一种典型的实施方式，飞灰的重金属化学成分质量百分如下：0～1％ZnO，0～1％PbO，0～1％SrO，0～1％BaO，0～1％Cr2O3，0～1％Sb2O3，0～1％As2O3，0～1％CuO，0～1％MnO，0～1％NiO以及0～1％Hg。含有上述重金属的飞灰需要无害化处理，从用本发明的技术方案便可以完成，而且经济附加值高。
优选的，助熔剂为富硅物质，选自石英砂、底渣、冶金渣以及尾矿中的一种或多种，此类助溶剂的加入，有助于提高后续烧结透水砖性能的提高。更了进一步改善烧结得到的透水砖的性能，优选的，飞灰与助熔剂高温熔融获得熔渣，熔渣的熔化温度为1100～1500℃，熔渣的粘度为0.1～10Pa·s；更优选的，水淬渣的粒径为1～20mm，水淬渣的粒径在此范围内，制备的透水砖力学性能较好。优选的，飞灰中的CaO与助熔剂中的SiO2质量比为0.8～1.2:1。
优选的，水淬渣高温烧结的烧结时间为0.5～10h，烧结温度为800～1200℃，保温时间为5～48h。在此条件下烧结得到的透水砖，不仅具有良好的力学性能，透水性能也能够满足国家标准。
根据本发明一种典型的实施方式，水淬渣在高温烧结之前还包括放入模具中成型的步骤，如此形成的透水砖外观较好。
根据本发明一种典型的实施方式，该方法包括如下步骤：(1)将飞灰与助熔剂经过高温熔融，急冷水淬得到水淬渣；所述的助熔剂为二氧化硅分析纯、石英砂(粉)或者其它富硅的固体废弃物；(2)飞灰与助熔剂高温熔融获得熔渣，熔渣的熔化温度为1100～1500℃，熔渣的粘度为0.1～10Pa·s，在飞灰熔融过程中，通过物理搅拌充分脱除碱金属的氯化物，使熔渣充分澄清、均化成熔融体。(3)将熔渣由排渣口排出并急冷水淬处理，得到水淬渣，水淬渣粒径为1～20mm；利用捞渣机将水淬渣捞出后干燥处理，倒入模具内推进隧道窑或者其它的高温装置进行烧结处理，烧结时间为0.5～10h，烧结温度为800～1200℃，保温时间为5～48h，最终得到符合性能指标的透水砖产品。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种透水砖。该透水砖采用上述任一种的方法制备得到。
下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
1.将垃圾焚烧飞灰与石英砂混合，垃圾焚烧飞灰的化学成分如表1所示(需说明的是，飞灰中还包括微量杂质，故成分含量之和可能小于100％；以下实施例同)，石英砂化学成分如表2所示。
表1垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
57.98 15.87 6.60 5.86 1.37 1.21 2.08 4.34 2.90 0.01
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.52 0.38 0.35 0.16 0.05 0.007 0.03 0.01 0.01 0.07
表2石英砂的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O+K2O 其它
96 0.5 0.6 0.4 0.2 1.3 1
2.垃圾焚烧飞灰与石英砂的混合物置于矿热电炉中，熔化温度1300℃，熔化时间2h，待熔渣均化且无气泡，粘度为0.9Pa·s；
3.熔渣由矿热电炉放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-10mm，同时将水淬渣干燥处理；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为1050℃，烧结温度为2h，烧结结束后再保温24h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表3和表4所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表3烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表4透水砖的力学性能指标
实施例2
1.将医疗垃圾焚烧飞灰与垃圾焚烧底渣混合，飞灰的化学成分如表5所示，底渣化学成分如表6所示。
表5医疗垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
45.2 28.0 3.1 3.5 2.3 1.9 3.4 4.0 5.6 0.001
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.33 0.98 1.02 0.51 0.032 0.003 0.02 0.01 0.042 0.01
表6底渣的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO P2O5 SO3 TiO2 K2O Na2O 烧失量
32.75 8.57 10.02 1.75 29.06 4.77 3.01 1.57 1.24 2.87 4.39
2.垃圾焚烧飞灰与底渣的混合物置于等离子体炉中，熔化温度1250℃，熔化时间1.5h，待熔渣均化且无气泡，粘度为0.75Pa·s；
3.高温熔渣由放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-6mm，同时将水淬渣干燥处理；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为820℃，烧结温度为2h，烧结结束后再保温48h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表7和表8所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表7烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表8透水砖的力学性能指标
实施例3
1.将生活垃圾焚烧飞灰与尾矿混合，飞灰的化学成分如表9所示，高炉矿渣化学成分如表10所示。
表9生活垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
57.98 15.87 6.60 5.86 1.37 1.21 2.08 4.34 2.90 0.01
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.52 0.38 0.35 0.16 0.05 0.007 0.03 0.01 0.01 0.07
表10尾矿的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO P2O5 FeO SO2 K2O Na2O 烧失量
51.27 7.99 8.94 5.75 5.06 4.77 10.65 1.26 0.43 0.98 2.90
2.垃圾焚烧飞灰与铁尾矿的混合物置于等离子体炉中，熔化温度1350℃，熔化时间1h，待熔渣均化且无气泡，粘度为0.6Pa·s；
3.高温熔渣由放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-5mm，同时将水淬渣干燥处理；；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为1150℃，烧结温度为2h，烧结结束后再保温48h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表11和表12所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表11烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表12透水砖的力学性能指标
指标 单位 数值
明显空隙率 ％ 9.5
吸水率 ％ 4.1
比重 —— 2.55
抗压强度 kg/cm2 1162
弯曲强度 kg/cm2 109
实施例4
1.将生活垃圾焚烧飞灰与赤泥混合，飞灰的化学成分如表13所示，赤泥化学成分如表14所示。
表13生活垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
57.98 16.12 6.60 5.86 1.37 1.21 2.08 4.34 2.90 0.01
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.52 0.38 0.35 0.16 0.05 0.007 0.03 0.01 0.01 0.07
表14赤泥的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO TiO2 K2O Na2O 烧失量
27.91 27.67 26.06 0.18 2.28 1.98 0.44 12.51 0.97
2.垃圾焚烧飞灰与赤泥的混合物置于侧吹炉中，熔化温度1350℃，熔化时间2.5h，待熔渣均化且无气泡，粘度为0.75Pa·s；
3.高温熔渣由放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-1mm，同时将水淬渣干燥处理；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为1200℃，烧结温度为2h，烧结结束后再保温5h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表15和表16所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表15烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表16透水砖的力学性能指标
指标 单位 数值
明显空隙率 ％ 9.6
吸水率 ％ 4.3
比重 —— 2.5
抗压强度 kg/cm2 1095
弯曲强度 kg/cm2 101
实施例5
1.将医疗垃圾焚烧飞灰与底渣混合，飞灰的化学成分如表17所示，底渣化学成分如表18所示。
表17医疗垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
45.2 28.0 3.1 3.5 2.3 1.9 3.4 4.0 5.6 0.001
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.33 0.98 1.02 0.51 0.032 0.003 0.02 0.01 0.042 0.01
表18底渣的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO P2O5 SO3 TiO2 K2O Na2O 烧失量
32.75 8.57 10.02 1.75 29.06 4.77 3.01 1.57 1.24 2.87 4.39
2.垃圾焚烧飞灰与底渣的混合物置于等离子体炉中，熔化温度1100℃，熔化时间6h，待熔渣均化且无气泡，粘度为10Pa·s；
3.高温熔渣由放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-10mm，同时将水淬渣干燥处理；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为800℃，烧结温度为2.5h，烧结结束后再保温24h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表19和表20所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表19烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表20透水砖的力学性能指标
指标 单位 数值
明显空隙率 ％ 9.9
吸水率 ％ 4.5
比重 —— 2.48
抗压强度 kg/cm2 1135
弯曲强度 kg/cm2 105
实施例6
1.将生活垃圾焚烧飞灰与赤泥混合，飞灰的化学成分如表21所示，赤泥化学成分如表22所示。
表21生活垃圾焚烧飞灰的化学成分(wt％)
CaO Cl SiO2 SO3 MgO Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O Hg
57.98 16.03 6.60 5.86 1.37 1.21 2.08 4.34 2.90 0.01
ZnO TiO2 P2O5 PbO CuO NiO Cr2O3 CdO Sb2O3 MnO
0.52 0.38 0.35 0.16 0.05 0.007 0.03 0.01 0.01 0.07
表22赤泥的化学成分(wt％)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO TiO2 K2O Na2O 烧失量
27.91 27.67 26.06 0.18 2.28 1.98 0.44 12.51 0.97
2.垃圾焚烧飞灰与赤泥的混合物置于侧吹炉中，熔化温度1500℃，熔化时间0.5h，待熔渣均化且无气泡，粘度为0.1Pa·s；
3.高温熔渣由放渣口排出，急冷水淬处理得到水淬渣，水淬渣粒径为-1mm，同时将水淬渣干燥处理；
4.将满足粒度要求的水淬渣置于一定形状的模具中，放到隧道窑进行烧结处理，烧结温度为1200℃，烧结温度为2h，烧结结束后再保温5h，再由隧道窑中取出透水砖；
5.该透水砖满足毒性浸出标准和力学性能要求如表23和表24所示，其中毒性浸出标准采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)进行浸出试验分析：
表23烧结透水砖重金属含量分析(mg/L)
元素 Pb Zn Cu Ni Cd Cr As Hg
透水砖浸出浓度值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.004 ＜0.01 ＜0.001 ＜0.001
危害成分浓度限制值 5 100 100 5 1 5 5 0.1
表24透水砖的力学性能指标
指标 单位 数值
明显空隙率 ％ 10
吸水率 ％ 4.3
比重 —— 2.75
抗压强度 kg/cm2 1298
弯曲强度 kg/cm2 123
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：应用本发明的技术方案，首先通过高温熔融工艺脱除飞灰中高含量的碱金属氯化物，然后急冷水淬处理得到“优质”的水淬渣，去除大量对烧结不利影响的化学成分，使烧结产品的化学和机械特性有非常显著的改善，将该水淬渣制备成高附加的透水砖，从而避免了简单的填埋处理，实现了飞灰的减量化和资源化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用飞灰制备透水砖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将飞灰与助熔剂高温熔融，然后急冷水淬得到水淬渣；
将所述水淬渣高温烧结制备得到所述透水砖。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞灰为生活垃圾焚烧飞灰、医疗垃圾焚烧飞灰及工业危废焚烧飞灰中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞灰的主要化学成分质量百分比如下：10～70％CaO，0.1～10％SiO2，0.1～10％Al2O3，0.1～10％MgO，0.1～30％Cl，0.1～20％SO3，0.1～10％K2O，0.1～10％Na2O，0.1～10％Fe2O3，0.1～10％TiO2以及0.1～10％P2O5。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞灰的重金属化学成分质量百分如下：0～1％ZnO，0～1％PbO，0～1％SrO，0～1％BaO，0～1％Cr2O3，0～1％Sb2O3，0～1％As2O3，0～1％CuO，0～1％MnO，0～1％NiO以及0～1％Hg。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助熔剂为富硅物质，选自石英砂、底渣、冶金渣以及尾矿中的一种或多种；优选的，所述飞灰中的CaO与所述助熔剂中的SiO2质量比为0.8～1.2:1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞灰与所述助熔剂高温熔融获得熔渣，所述熔渣的熔化温度为1100～1500℃，熔渣的粘度为0.1～10Pa·s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水淬渣的粒径为1～20mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水淬渣高温烧结的烧结时间为0.5～10h，烧结温度为800～1200℃，保温时间为5～48h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水淬渣在高温烧结之前还包括放入模具中成型的步骤。
10.一种透水砖，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的方法制备得到。
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