CN109081618A - 一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，公开了一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法。该方法包括以下步骤：制备水泥生料，然后向水泥生料中加入含硫化合物，混合均匀后压片并煅烧即得到水泥熟料。本发明利用工业生产的副产品CaSO4·2H2O和CaS等含硫化合物，能够在不影响水泥熟料烧成的质量的前提下，有效降低水泥熟料烧成中Pb的挥发率。该方法实施过程中所使用的原材料成本低廉，不改变现有水泥生产环境，易于大规模推广和生产应用。

Description

一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法。
背景技术
我国的水泥产量已连续26年位居世界第一，水泥的生产消耗了大量的煤、石灰石等自然资源，这对于我国的可持续发展是十分不利的。与此同时，随着我国城市与工业的发展，大量的城市与工业固体废弃物随之产生。据统计，2016年，我国排放了超过3亿吨的城市固体废弃物以及33亿吨的工业固体废弃物。这些固体废弃物给我们的环境造成极大负面影响的同时，也含有大量的可利用资源。将固体废弃物作为替代原料与燃料用于水泥窑的生产中，一方面能够减少废弃物对环境的污染，另一方面降低了水泥生产过程中煤、石灰石等自然资源的消耗。
然而，固体废弃物中普遍含有毒性大、易挥发的重金属铅，在水泥窑的高温环境下，重金属铅会随着烟气排放出水泥窑，给周围环境带来极大的威胁。因此，亟需开发一种可以在水泥窑协同处置固体废弃物过程中提高水泥熟料对重金属铅的固化能力、降低铅挥发率的方法，为水泥窑协同处置固体废弃物的有效实施及推广奠定技术支撑。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，以实现水泥窑协同处置固体废弃物过程中降低重金属铅挥发的目的。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，包括以下步骤：制备水泥生料，然后向水泥生料中加入含硫化合物，混合均匀后压片并煅烧即得到水泥熟料，煅烧过程中可降低重金属铅的挥发。
所述的制备水泥生料是指选用石灰石、粘土、铁矿石(作为校正原料)、固体废弃物作为水泥生料的原料，按照石灰饱和系数KH＝0.85-0.95、硅率SM＝1.7-2.7、铝率IM＝0.8-1.7配制水泥生料，优选按照石灰饱和系数KH＝0.9、硅率SM＝2.5、铝率IM＝1.6配制水泥生料。
优选的，所述的固体废弃物为高温煅烧后的固体废弃物，其中的高温煅烧是指在600-800℃煅烧0.5-1h。
更优选的，所述的原料在使用之前均经过粉碎、干燥并过筛的步骤，其中的干燥指在80-120℃烘箱中干燥6-10h，过筛是指过180目筛，筛余量﹤2.5％。
水泥原料选用石灰石、粘土、铁矿石和固体废弃物，其中石灰石的主要成分为CaCO3，粘土的主要成分为SiO2及Al2O3，铁矿石的主要成分为Fe2O3，固体废弃物加入到水泥生料之前需经过高温煅烧，煅烧后的固体废物的主要成分为SiO2,Al2O3及Fe2O3等，与水泥生料的成分基本一致。控制率值石灰饱和系数、硅率和铝率，根据鲍格公式计算石灰石、粘土、铁矿石以及固体废弃物的配比。
所述的含硫化合物为CaSO4·2H2O和CaS中的至少一种；
所述的含硫化合物的用量满足每100重量份的水泥生料对应加入0-2份的含硫化合物，其中含硫化合物的用量不为0；
优选的，所述的含硫化合物的用量满足每100重量份的水泥生料对应加入0.5-2份的含硫化合物。
所述的压片是指向混合均匀后的混合物中加入混合物质量的10％的无水乙醇，然后置于不锈钢模具中压片。因为水泥熟料烧成过程中会有少量的液相生成，所以要压片使烧结后的水泥容易取出。
所述的煅烧之前还包括一个干燥的操作，具体包括：将压片后的混合物置于60-120℃烘箱中干燥0.5-3h；
所述的煅烧是指以10℃/min的升温速率从室温升至1450℃然后保温45min后。
所述的煅烧之后还可包括一个急冷并过180目筛的步骤。
本发明中所述的室温是指25℃。
本发明的机理为：
含硫化合物CaS和CaSO4的加入可以降低水泥熟料烧成过程中液相产生的温度、增加液相量、降低液相粘度，进而促进固相反应过程中的离子交换，使得Pb更容易进入熟料的晶格中，提高了熟料对Pb的固化能力，从而降低了Pb的挥发率。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明提出的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，利用工业生产的副产品CaSO4·2H2O和CaS等含硫化合物，能够在不影响水泥熟料烧成的质量的前提下，有效降低水泥熟料烧成中Pb的挥发率。该方法实施过程中所使用的原材料成本低廉，不改变现有水泥生产环境，易于大规模推广和生产应用。
附图说明
图1为实施例1所得的水泥熟料以及典型熟料矿物(C3S、C2S、C3A、C4AF)的XRD图；
图2为实施例1中不同CaSO4·2H2O掺量下各个熟料中f-CaO的含量图；
图3为实施例1中不同CaSO4·2H2O掺量下重金属Pb的挥发率图；
图4为实施例2所得的水泥熟料以及典型熟料矿物(C3S、C2S、C3A、C4AF)的XRD图；
图5为实施例2中不同CaS掺量下各个熟料中f-CaO的含量图；
图6为实施例2中不同CaS掺量下重金属Pb的挥发率图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例中所述的固体废弃物为广东越堡水泥厂的垃圾焚烧灰，其由垃圾经过800℃煅烧得到的，Pb含量为385mg/kg。
实施例中所用原料石灰石、粘土、铁矿石和固体废弃物的化学成分如下表1所示：
表1实施例中所用原料石灰石、粘土、铁矿石和固体废弃物的化学成分
原料名称 烧矢量 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO 其它 总计
石灰石 39.69 4.36 0 1.64 53.07 0.47 0.77 100.00
粘土 4.18 65.32 17.34 4.71 1.21 0.48 6.76 100.00
铁矿石 2.56 34.45 4.29 30.87 26.87 0.25 0.71 100.00
固体废弃物 35.04 27.0 9.77 7.85 15.33 0.96 4.05 100.00
实施例中水泥生料的烧失量LOI值的测定方法为：用已灼烧至恒重m1的瓷坩埚放在天平上，称取生料5±0.5g放入坩埚中，然后将其移入烘箱内105℃烘干至恒重m2，最后将烘干的样品放入马弗炉中，在1050℃煅烧2h，关掉电源待炉内温度降至200℃左右时取出，放入干燥器，冷却后称重为m3。水泥生料的烧失量LOI值按下式计算：LOI＝(m2-m3)/(m2-m1)×100％。
实施例水泥熟料中f-CaO的含量采用GBT 176-2008标准要求测定。
实施例中水泥熟料中铅的含量的测定方法如下：称取0.5±0.01g水泥熟料，然后放入特氟龙试管中，首先向试管中加入10mL的H2O2，将试管放入石墨微波消解炉中，在180℃下加热30min，然后冷却至室温；接着加入10mL王水(HCl:HNO3＝3:1)，在180℃加热1h直到试管内没有沉积物；冷却至室温后，加入5mLHF在180℃加热1h；冷却后加入5mL HClO4加热直到试管内液体近干且残渣态呈白色透明状。待残渣冷却至室温后，将其倒入200mL容量瓶中，用蒸馏水洗涤特氟龙管三次，洗涤液倒入容量瓶，最后加入5％的HNO3定容至200mL。用原子吸收光谱仪测定容量瓶中Pb的浓度，从而得到水泥熟料中铅的含量。
实施例中Pb的挥发率计算方法如下：将测定好的水泥生料烧失量LOI值，水泥熟料中铅的含量的测定值带入公式R＝K/[S/(1-LOI)]进行计算，其中R为熟料烧成过程中Pb的挥发率(％)；S和K分别为水泥生料及熟料中铅的含量(mg/Kg)；LOI为水泥生料的烧失量。
实施例1
(1)水泥生料的制备：控制率值石灰饱和系数KH＝0.9、硅率SM＝2.5和铝率IM＝1.6，根据鲍格公式计算石灰石、粘土、铁矿石和固体废弃物的配比，即石灰石70.4重量份，粘土14.3重量份、铁矿石0.3重量份、固体废弃物15质量份。将水泥生料原料经大颗粒经颚式破碎机破碎后，均在105℃下烘干24小时后用球磨机粉磨至过180目筛，筛余量﹤2.5％。然后将过筛后的水泥生料的原料放入密闭式三维混料机中进行混合4h，使之充分混合。
(2)含硫化合物的加入：将含硫化合物以CaSO4·2H2O的形式加入水泥生料，加入前先在玛瑙研钵中研磨至过180目筛，然后分别以水泥生料质量的0％(作为参比)、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％进行加入，再在三维混料机上充分混合4h，使原料充分混合。
(3)水泥熟料的制备：称取步骤(2)中充分混合的混合物40±0.1g，加入混合物质量的10％的无水乙醇，用研钵混匀；然后用液压制样机在40MPa的压力下保压20s制成的小试饼圆片；将圆片平铺放在托盘中，在电热干燥箱中恒温105℃干燥0.5h，然后将圆片直立于氧化铝坩埚内，放入额定温度为1600℃的硅钼棒电热炉中，以10℃/min的升温速率从室温升至1450℃，保温45min后取出并风扇急冷至室温。将急冷的水泥熟料破碎，粒径小于5mm，用振动磨磨碎过180目筛并放入密封袋。
将所得的水泥熟料进行XRD试验。采用Cu靶，X射线图形扫描速度为10°/min，扫描范围2θ：5°-90°。实施例1所得的水泥熟料以及典型熟料矿物(C3S、C2S、C3A、C4AF)的XRD图如图1所示，对比水泥熟料的X射线衍射图谱与典型熟料矿物(C3S、C2S、C3A、C4AF)的特征图谱找出相应的特征峰，从图1中可以看出，随着CaSO4·2H2O掺量的增加，水泥熟料的主要矿物相没有发生明显的变化，其主要矿物组成均为C3S、C2S、C3A、C4AF。
采用GBT 176-2008标准要求测定熟料中f-CaO的含量。不同CaSO4·2H2O掺量下各个熟料中f-CaO的含量图如图2所示，从图中可以看出，尽管随着CaSO4·2H2O掺量的增加，f-CaO含量呈现增加的趋势，但都小于1％，即熟料的质量满足行业要求。
图3为不同CaSO4·2H2O掺量下重金属Pb的挥发率图。由图中可以看出，随着CaSO4·2H2O掺量的增加，Pb的挥发量逐渐降低，即CaSO4·2H2O能够显著降低水泥熟料烧成过程中Pb的挥发。
实施例2
(1)水泥生料的制备：控制率值石灰饱和系数KH＝0.9、硅率SM＝2.5和铝率IM＝1.6，根据鲍格公式计算石灰石、粘土、铁矿石及固体废弃物的配比，即石灰石70.4重量份，粘土14.3重量份、铁矿石0.3重量份、固体废弃物15质量份。将水泥生料原料经大颗粒经颚式破碎机破碎后，均在105℃下烘干24小时后用球磨机粉磨至过180目筛，筛余量﹤2.5％。放入密闭式三维混料机中进行混合4h，使之充分混合。
(2)含硫化合物的加入：将含硫化合物以CaS的形式加入水泥生料，加入前先在玛瑙研钵中研磨至过180目筛，然后分别以水泥生料质量的0％(作为参比)、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％进行加入，再在三维混料机上充分混合4h，使之充分混合。
(3)水泥熟料的制备：称取步骤(2)中充分混合的混合物40±0.1g，加入混合物质量的10％的无水乙醇，用研钵混匀；然后用液压制样机在40MPa的压力下保压20s制成的小试饼圆片；将圆片平铺放在托盘中，在电热干燥箱中恒温105℃干燥0.5h，然后将圆片直立于氧化铝坩埚内，放入额定温度为1600℃的硅钼棒电热炉中，以10℃/min的升温速率从室温升至1450℃，保温45min后取出并风扇急冷至室温。将急冷的水泥熟料破碎，粒径小于5mm，用振动磨磨碎过180目筛并放入密封袋。
实施例2所得的水泥熟料以及典型熟料矿物(C3S、C2S、C3A、C4AF)的XRD图如图4所示，从图4中可以看出，随着CaS掺量的增加，水泥熟料的主要矿物相没有发生明显的变化，其主要矿物组成均为C3S、C2S、C3A、C4AF。水泥熟料的烧成质量可以用熟料中f-CaO的含量表示。
采用GBT 176-2008标准要求测定熟料中f-CaO的含量。不同CaS掺量下各个熟料中f-CaO的含量图如图5所示，从图5中可以看出，尽管随着CaS掺量的增加，f-CaO含量呈现增加的趋势，但都小于1％，即熟料的质量满足行业要求。
图6为不同CaS掺量下重金属Pb的挥发率图。由图中可以看出，随着CaS掺量的增加，Pb的挥发量逐渐降低，即CaS能够显著降低水泥熟料烧成过程中Pb的挥发。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于包括以下步骤：制备水泥生料，然后向水泥生料中加入含硫化合物，混合均匀后压片并煅烧即得到水泥熟料。
2.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的含硫化合物为CaSO4·2H2O和CaS中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的含硫化合物的用量满足每100重量份的水泥生料对应加入0-2份的含硫化合物，其中含硫化合物的用量不为0。
4.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的制备水泥生料是指选用石灰石、粘土、铁矿石、固体废弃物作为水泥生料的原料，按照石灰饱和系数KH＝0.85-0.95、硅率SM＝1.7-2.7、铝率IM＝0.8-1.7配制水泥生料。
5.根据权利要求4所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的固体废弃物为高温煅烧后的固体废弃物，其中的高温煅烧是指在600-800℃煅烧0.5-1h。
6.根据权利要求4所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的原料石灰石、粘土、铁矿石和固体废弃物在使用之前均经过粉碎、干燥并过筛的步骤，其中的干燥指在80-120℃烘箱中干燥6-10h，过筛是指过180目筛，筛余量﹤2.5％。
7.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的压片是指向混合均匀后的混合物中加入混合物质量的10％的无水乙醇，然后置于不锈钢模具中压片。
8.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的煅烧之前还包括一个干燥的操作，具体包括：将压片后的混合物置于60-120℃烘箱中干燥0.5-3h。
9.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的煅烧是指以10℃/min的升温速率从室温升至1450℃然后保温45min。
10.根据权利要求1所述的降低水泥熟料烧成中重金属铅挥发的方法，其特征在于：
所述的煅烧之后还包括一个急冷并过180目筛的步骤。
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