CN108409210B - 一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法 - Google Patents

一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法。该方法包括如下步骤:(1)将飞灰、MgO、水泥和水制成的浆料进行养护,得到固化体;(2)将步骤(1)中所述固化体破碎,得到飞灰骨料;(3)将粉煤灰、NaOH、水与步骤(2)中所述飞灰骨料混合均质,得到砂浆;(4)将步骤(3)中所述砂浆进行养护、成型,得到建材砖。本发明方法配合使用了水化硅酸钙和土聚物两种不同晶体性质的凝胶制作建材,既实现了对飞灰中重金属的多级固化稳定化和对飞灰的建材利用资源化,又实现了对资源化建材机械性能的提升,工艺可靠,设备简易,原理简单,可安全、高效的利用不同地区、不同炉型的生活垃圾焚烧飞灰。

Description

一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法
技术领域
本发明涉及一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法,属于危险废物建材资源化利用技术领域。
背景技术
生活垃圾焚烧飞灰(以下简称飞灰)是指在烟气净化系统和热回收利用系统(如节热器、余热锅炉等)中收集而得的残余物。
由于焚烧过程中重金属的挥发和迁移,使飞灰中富集了大量重金属,如Hg、Pb、Cd、Cu、Cr、Zn、Ni等。在现有文献报道中,我国飞灰中,Zn最高可达17000mg/kg,Cu最高可达12000mg/kg,Pb最高可达30000mg/kg,Cd最高可达5000mg/kg,Cr最高可达3500mg/kg,Ni最高可达1500mg/kg。重金属一旦进入人体将很难排出体外,富集到一定程度,会直接伤害人体的神经系统、消化系统、生殖系统、免疫系统和骨骼,引起人体酶活性降低、语言及运动障碍、肝肾损害、骨质流失、致癌、致畸、致突变、神经衰弱、贫血、甚至死亡。飞灰早在2008年被列入《国家危险废物名录》,并仍出现在2016年版的《国家危险废物名录》,属危险工业固体废物。
近年来,我国生活垃圾焚烧发电得到快速发展。截止2015年底,全国已建成生活垃圾焚烧厂219座,年处理垃圾量8000万吨。焚烧技术发展的同时,也带来了每年近500万吨飞灰,占我国每年各类危险废物产生总量的近12%。
飞灰,这一危险工业固体废物的处理问题,是目前亟待的环境问题之一。目前,飞灰这一危险工业固体废物的主要处理方式是固化稳定化后进行填埋。虽然2016年版的《国家危险废物名录》对稳定化后的飞灰进入生活垃圾填埋场实施了豁免管理,但是在垃圾围城的现状下,填埋只是权宜之计。在我国,一般工业固体废物的主要去向是进行再利用,由于工业固废富含Si、Al、Ca等元素,所以建材生产行业是工业固废的最大消纳和利用行业。依据中国环保产业协会的统计,2013年,我国43%的尾矿、68%的煤矸石、93%的粉煤灰、绝大部分的钢铁冶炼渣都用于建材生产、筑路等方面。而飞灰这一危险工业固体废物的主要元素亦为Si、Al、Fe、Mg、Ca、K、Na和Cl,SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3、Na2O、K2O在飞灰中普遍存在,SiO2含量6.35-35.5%,A12O3含量0.92-13.7%,Fe2O3含量0.63-10.5%,CaO含量16.6-45.4%,MgO、Na2O、K2O各占1%-5%。这样的元素组成,为飞灰的建材资源化提供了必要的物质基础。飞灰通过建材利用进行资源化,是未来的主要研究和应用方向。
目前,飞灰通过建材化进行资源化利用的途径主要有生产水泥、制作混凝土、制砖、铺设路基、建设堤坝等,虽然途径较多,但利用飞灰所生产的建材,其绝大部分为硅酸盐类建材,尤其用于制砖资源化时,产品多为以硅酸钙晶体为主要组成的建材砖产品,机械性能和环境友好性不稳定,尤其是对重金属的稳定化固化效果有待提高,这就限制了飞灰资源化砖的使用范围,也限制了飞灰资源化砖的市场和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法,该方法配合使用了水化硅酸钙和土聚物两种不同晶体性质的凝胶制作建材,既实现了对飞灰中重金属的多级固化稳定化和对飞灰的建材利用资源化,又实现了对资源化建材机械性能的提升。
本发明提供的一种利用生活垃圾焚烧飞灰的制砖方法,包括如下步骤:
(1)将飞灰、MgO、水泥和水制成的浆料进行养护,得到固化体;
(2)将步骤(1)中所述固化体破碎,得到飞灰骨料;
(3)将粉煤灰、NaOH、水与步骤(2)中所述飞灰骨料混合均质,得到砂浆;
(4)将步骤(3)中所述砂浆进行养护、成型,得到建材砖。
上述的制备方法,步骤(1)中,所述MgO的质量可为所述飞灰质量的10%~15%,具体可为10%。
所述MgO可以轻烧氧化镁的形式进行添加,如85#轻烧氧化镁(氧化镁含量为85%)。
所述MgO作用有二,一是与飞灰中MgCl2生成氯氧镁胶凝,二是MgO碳化生成的棒状MgCO3·2H2O和针簇状MgCO3·3H2O会进一步增强固化体强度,同时提高对重金属的稳定化效果。
所述水泥的质量可为所述飞灰质量的2~4%,具体可为2%或4%。
所述水泥具体可为52.5#水泥。
所述水泥主要作用在于激活飞灰中的Ca(OH)2(由飞灰中的CaO反应得到)和具有火山灰性质的介稳态物质,发生水化反应得到水化硅酸钙凝胶,固化稳定化重金属,并增加固化体强度。
所述水的质量可为所述飞灰、所述MgO和所述水泥的质量之和的50%~60%,具体可为50%~55%、55%~60%、50%、60%或55%。
所述浆料通过如下步骤制备得到:
1)将飞灰、MgO和水泥进行混合均质,得到混合物料;
2)将步骤1)中所述混合物料与水混合,搅拌均匀,得到所述浆料;
步骤2)中,所述搅拌的时间可为5~10min,具体可为10min。
上述的制备方法,步骤(1)中,所述养护的条件可如下:温度为20~25℃(如25℃、22℃),通风、避雨的环境中;所述养护的时间可为2~3天,具体可为3天。
所述养护过程中,氯氧镁和水化硅酸钙凝胶的形成会完成对重金属的第一次固化稳定化。固化体发育3天后,抗压强度可以达到7~12MPa。
上述的制备方法,步骤(2)中,所述破碎为破碎至5目筛下(粒径<4mm)。
上述的制备方法,步骤(3)中,所述粉煤灰、所述飞灰骨料、所述NaOH和所述水的质量比可为(30~50):50:(3~5):50,具体可为(30~40):50:(3~5):50、(40~50):50:(3~5):50、(30~50):50:5:50、(30~40):50:5:50、(40~50):50:5:50、30:50:5:50、40:50:5:50或50:50:5:50。
所述飞灰骨料起支撑的作用,所述粉煤灰富含Si、Al元素,在NaOH激活下发生土聚反应,形成胶凝材料。
上述的制备方法,步骤(4)中,所述养护的条件可如下:温度为60~75℃(如70℃、60℃、65℃或75℃),相对湿度<50%(如20~25%、20%或25%);
所述养护可为先在所述条件下养护3天后开模,开模后再在所述条件下养护4天。
在所述养护过程中,所述粉煤灰在NaOH的激活下,发生土聚反应,即粉煤灰中的Si和Al元素在强碱性环境中溶出,并在Na离子的桥联作用下发生聚合反应,形成Si-Al-O长链的网络状聚合物。所得到土聚凝胶为非晶体凝胶,产生机械强度,并主要通过包裹作用完成对重金属的第二次固化稳定化。
所述砖块的机械强度>10MPa。
本发明进一步提供了上述的制备方法制备得到的建材砖。
本发明还提供了上述建材砖在下述1)-4)中的至少一种的应用:
1)建设市政工程;
2)铺设人行道路面;
3)铺设路肩;
4)搭建花坛或花台。
本发明所制备得到的建材砖的晶体结构为水化硅酸钙凝胶和土聚凝胶两种不同晶形性质的凝胶,与现有技术中的硅酸盐结构的建材砖相比,具有更好的抗酸性、更强的抗风化能力、更稳定的热学及力学特性;更具环境友好性,对重金属具有更优的固化稳定化效果,且直接利用生活垃圾焚烧飞灰,消纳了危险废物,实现了物料的循环利用,节能降耗。
本发明具有如下有益效果:
1、广谱性。该种生活垃圾焚烧飞灰制砖技术,可针对不同地区、不同炉型的生活垃圾焚烧飞灰进行资源化。
2、工艺简单。该种生活垃圾焚烧飞灰制砖技术,主要依靠温控、加料、搅拌、破碎等设备,其他无特殊要求,流程简便、可靠。
3、重金属固化稳定化效果好。按照本技术方法中的工艺步骤和参数设定,可以对飞灰中的重金属进行多级固化稳定化,效果良好。
4、环境效益好。按照本技术方法中的工艺步骤,安全的利用建材化手段消纳了飞灰这一危险废物,解决了环境污染问题。
5、社会经济效益好。该种生活垃圾焚烧飞灰制砖技术,既实现了对飞灰中重金属的固化稳定化和对飞灰的建材利用资源化,又提升了资源化砖体的机械性能和抗风化性能,应用于铺设人行道路面、搭建花坛和花台、铺设路肩等市政工程,将产生良好的社会及经济效益。
本发明的一种生活垃圾焚烧飞灰制砖方法,工艺可靠,设备简易,原理简单,可安全、高效的利用不同地区、不同炉型的生活垃圾焚烧飞灰,既实现了对飞灰中重金属的固化稳定化和对飞灰的建材利用资源化,又实现了对资源化建材机械性能的提升。
附图说明
图1为本发明生活垃圾焚烧飞灰制砖方法的流程图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自北京大兴区某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表1。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表1可知,Pb浸出量严重超标。
表1北京大兴某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的2%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌:
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的50%,搅拌均匀10min,得到浆料。
(3)固化体发育:
将步骤(2)中浆料置于室外25℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为10.2MPa、11.3MPa、9.9MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)中发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅱ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)中飞灰骨料混合均质,制作砂浆;其中,砂浆;粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=30:50:5:50(质量比),充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)中砂浆置于70℃、25%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到13.2MPa、14.2MPa、13.5MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表2)。用于铺设人行道路面。
表2北京大兴飞灰资源化砖产品中重金属浸出量
实施例2、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自河北邢台某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表3。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表3可知,Pb、Zn浸出量严重超标。
表3河北邢台某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的4%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌:
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的60%,搅拌均匀10min,得浆料。
(3)固化体发育:
将步骤(2)中浆料置于室外22℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为11.2MPa、11.6MPa、10.2MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)中发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅰ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)中飞灰骨料混合均质,制作砂浆;其中,粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=30:50:5:50(质量比),充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)中砂浆置于60℃、25%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到12.2MPa、11.3MPa、11.9MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表4)。用于铺设路肩。
表4河北邢台飞灰资源化砖产品中重金属浸出量
实施例3、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自山东临朐某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表5。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表5可知,Pb、Cr浸出量超标。
表5山东临朐某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的4%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌:
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的55%,搅拌均匀10min,得浆料。
(3)固化体发育:
将步骤(2)中浆料置于室外25℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为8.5MPa、8.4MPa、9.2MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)中发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅰ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)飞灰骨料混合均质,制作砂浆;其中,粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=40:50:5:50(质量比),充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)中砂浆置于65℃、20%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到11.2MPa、12.5MPa、12.6MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表6)。用于搭建花坛。
表6山东临朐飞灰资源化砖产品中重金属浸出量
实施例4、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自吉林德惠某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表7。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表7可知,Pb、Zn、Cd浸出量超标。
表7吉林德惠某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的4%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌:
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的50%,搅拌均匀10min,得浆料。
(3)固化体发育:
将步骤(2)浆料置于室外25℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为10.8MPa、11.3MPa、11.5MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)中发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅰ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)飞灰骨料混合均质,制作砂浆;粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=50:50:5:50(质量比);充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)砂浆置于75℃、20%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到16.5MPa、17.5MPa、17.1MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表8)。用于铺设路肩。
表8吉林德惠飞灰资源化砖产品中重金属浸出量
实施例5、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自重庆开县某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表9。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表9可知,Pb、Zn、Cd、Cr浸出量超标。
表9重庆开县某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的4%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌;
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的55%,搅拌均匀10min,得浆料。
(3)固化体发育:
将浆料置于室外25℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为11.1MPa、11.9MPa、11.9MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)中发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅰ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)中飞灰骨料混合均质,制作砂浆;其中,粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=40:50:5:50(质量比);充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)中砂浆置于60℃、20%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到11.4MPa、12.4MPa、13.1MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表10)。用于铺设人行道路面。
表10重庆开县飞灰资源化砖产品中重金属浸出量
实施例6、利用生活垃圾焚烧飞灰制砖
飞灰样品来自山东德州某垃圾焚烧厂,样品中重金属含量及浸出量见表11。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2010),限值标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类水体标准。由表11可知,Pb、Zn、Cd浸出量超标。
表11山东德州某垃圾焚烧厂飞灰中重金属含量及浸出量
按照图1所示流程图利用生活垃圾焚烧飞灰制砖,具体步骤如下:
(1)物料混合:
将飞灰、MgO和水泥固相混合均质,得到混合物料;其中,MgO加量是飞灰质量的10%,采用85#轻烧氧化镁;水泥加量为飞灰质量的4%,采用52.5#水泥。
(2)加水搅拌:
在步骤(1)中混合物料中加水,加水量为混合物料的60%,搅拌均匀10min,得到浆料。
(3)固化体发育:
将步骤(2)中浆料置于室外25℃、通风良好、避雨的环境中养护3天,等待固化体发育成型并产生强度,得到固化体。抗压强度为11.2MPa、11.3MPa、12.0MPa。
(4)破碎制骨料:
将步骤(3)发育好的固化体破碎至5目筛下(粒径<4mm),得到飞灰骨料。
(5)混合制砂浆:
将Ⅱ级粉煤灰、NaOH、水与步骤(4)中飞灰骨料混合均质,制作砂浆;其中,粉煤灰:飞灰骨料:NaOH:水=30:50:5:50(质量比),充分搅拌,并置于模具中。
(6)养护、成型:
将步骤(5)中砂浆置于75℃、20%RH(相对湿度)养护3天后开模,开模后砖块再在该环境中养护4天,共养护7天。
砖块成型后抗压强度达到13.5MPa、14.4MPa、14.6MPa,重金属浸出量满足Ⅲ类水体质量要求(表12)。用于铺设人行道路面。
表12山东德州飞灰资源化砖产品中重金属浸出量

Claims (8)

1.一种利用生活垃圾焚烧飞灰的制砖方法,包括如下步骤:
(1)将飞灰、MgO、水泥和水制成的浆料进行养护,得到固化体;
步骤(1)中,所述MgO的质量为所述飞灰质量的10%~15%;
所述水泥的质量为所述飞灰质量的2~4%;
所述水的质量为所述飞灰、所述MgO和所述水泥的质量之和的50%~60%;
(2)将步骤(1)中所述固化体破碎,得到飞灰骨料;
(3)将粉煤灰、NaOH、水与步骤(2)中所述飞灰骨料混合均质,得到砂浆;
步骤(3)中,所述粉煤灰、所述飞灰骨料、所述NaOH和所述水的质量比为(30~50):50:(3~5):50;
(4)将步骤(3)中所述砂浆进行养护、成型,得到建材砖。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(1)中,所述浆料通过如下步骤制备得到:
1)将飞灰、MgO和水泥进行混合均质,得到混合物料;
2)将步骤1)中所述混合物料与水混合,搅拌均匀,得到所述浆料;
步骤2)中,所述搅拌的时间为5~10min。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(1)中,所述养护的条件如下:温度为20~25℃,通风、避雨的环境中;所述养护的时间为2~3天。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(2)中,所述破碎为破碎至5目筛下。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:步骤(4)中,所述养护的条件如下:温度为60~75℃,相对湿度<50%;
所述养护为先在所述条件下养护3天后开模,开模后再在所述条件下养护4天。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述建材砖的机械强度>10MPa。
7.权利要求1-6中任一项所述的方法制备得到的建材砖。
8.权利要求7所述的建材砖在下述1)-4)中的至少一种的应用:
1)建设市政工程;
2)铺设人行道路面;
3)铺设路肩;
4)搭建花坛或花台。
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