CN109970378A - 基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺 - Google Patents

基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于胶凝材料制备技术领域，尤其涉及基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺，包括：固废选型及配比设计系统，用于固废的选型以及对不同种类固废进行配比；第一粉磨系统，用于对完成选型以及配比固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；碳化系统，用于对经过第一粉磨系统处理的固废喷洒水分以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化；第二粉磨系统，用于对经过碳化系统处理的固废的烘干、粉磨以及粒径筛分。本发明基于矿化特性协同互补利用理论实现了固废资源化利用。本发明固废基胶凝材料制备工艺的热利用率高，能耗低，可制备高性能固废基胶凝材料。

Description

基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺
技术领域
本发明属于胶凝材料制备技术领域，尤其涉及基于协同理论及碳化/高温处理技术的固废基胶凝材料的制备工艺。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
我国工业及城市固废量大、面广、害多，城市污泥、灰渣、赤泥、脱硫石膏、煤矸石、尾矿等年排放达几千万甚至数亿吨，受处置成本、自身价值、产业模式等多因素限制，综合利用没有根本突破，堆积日增，环境社会压力巨大。山东作为工业和资源消耗大省，赤泥产生量>1500万吨/年，堆存近2亿吨，脱硫石膏产生量>1000万吨/年，煤矸石产生量>1000万吨/年，存量>1亿吨，煤灰>3000万吨/年，黄金尾矿存量>10亿吨，城市污泥>500万吨/年，城市生活垃圾约2500万吨/年，还有大量建筑垃圾和电子垃圾等等，对环境和生态造成了巨大的危害，同时也蕴含了巨大的固废资源化利用市场潜力。制备绿色建材是实现固废大规模资源化的重要途径，符合环保业和绿色建筑业的发展需求，也是“生态文明”和社会“绿色发展、循环发展、低碳发展”的必然要求。随着我国经济的快速发展，工业的突飞猛进，同时也产生了大量高温尾气及工业余热，污染环境，造成资源浪费。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺。本发明提出的工艺能够实现固废的大宗利用，以及工业尾气、工业余热的有效利用，制备出高性能的固废基土木功能材料。
本发明第一目的，是提供基于协同理论及碳化技术制备固废基胶凝材料的系统。
本发明第二目的，是提供基于协同理论及碳化技术的固废基胶凝材料制备工艺。
本发明第三目的，是提供基于协同理论及碳化/高温技术制备固废基胶凝材料的系统。
本发明第四目的，是提供基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺。
本发明第五目的，是提供上述制备固废基胶凝材料的系统及制备工艺的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开基于协同理论及碳化技术制备固废基胶凝材料的系统，包括：
固废选型及配比设计系统，用于固废的选型以及对不同种类固废进行配比；基于前期大量的基础实验，测定各种固废的胶凝活性以及分析活性激发手段对固废性能的影响，以这些试验数据为数据源，通过常规的软件程序设计，实现固废的自动选型、配比，可为不同固废的复配提供设计依据。
第一粉磨系统，用于对完成选型以及配比的块状固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
碳化系统，用于对经过第一粉磨系统处理的固废加湿以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化，从而解决固废基产品的活性及安定性不良的问题；
第二粉磨系统，用于对经过碳化系统处理的固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；因碳化后固废中会产生块状固废而影响后续固废基胶凝材料的制备，因此需要第二粉磨系统进一步对固废进行处理；
本发明基于矿化特性协同互补利用理论以及通过机械粉磨、工业尾气碳化等装置的处理，可制备出高性能的免煅烧固废基胶凝材料，不仅实现了固废资源化利用，创造可观的经济效益，同时可以降低碳排放和温室效应，而且本发明提出的这种装置制备胶凝材料热利用率高，能耗低。
其次，本发明公开基于协同理论及碳化技术的固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
固废选型及配比设计：根据终端产品性能需求，通过固废选型配比设计系统进行原料配比设计，得到复配固废原料；
第一次粉磨处理：将复配固废原料在粉磨系统中进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，备用；
碳化处理：将粉磨至设定粒径的复配固废原料置于碳化系统中在设计压力、温度、湿度以及工业尾气浓度条件下进行碳化处理；
第二次粉磨处理：将碳化处理后的复配固废原料继续在粉磨系统中进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，得到粉末状的复配固废原料，然后该复配固废原料与添加剂复合，得终端产品，即免煅烧固废基胶凝材料。
再次，本发明公开基于协同理论及碳化/高温技术制备固废基胶凝材料的系统，包括：
固废选型及配比设计系统，用于固废的选型以及对不同种类固废进行配比；
第一粉磨系统，用于对完成选型以及配比固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
第一碳化系统，用于对经过第一粉磨系统处理的固废加湿以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化，从而对固废进行改性，使之在高温处置过程中提高反应活性，降低煅烧温度，同时解决固废基产品的安定性不良的问题；
第二粉磨系统，用于对经过碳化系统处理的固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
改性处理系统，用于将熔融冶金渣与经过第二粉磨系统处理的固废混合后对固废进行改性处理；
第三粉磨系统，用于对经过煅烧处理的高活性胶凝材料进行粉磨以及粒径筛分；
第二碳化系统，因煅烧处理后，高活性胶凝材料中含有较高含量的游离CaO和MgO，为提高胶凝材料结石体的体积安定性，通过第二碳化系统对经过第三粉磨系统处理的固废喷洒水分以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化。
再其次，本发明公开基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺，包括如下步骤：
固废选型及配比设计：根据终端产品性能需求，通过固废选型配比设计系统进行原料配比设计，得到复配固废原料；
第一次粉磨处理：将复配固废原料在粉磨系统中加湿后进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，备用；
第一次碳化处理：将粉磨至设定粒径的复配固废原料置于碳化系统中在设计压力、温度、湿度以及工业尾气浓度条件下进行碳化处理；
第二次粉磨处理：将碳化处理后的复配固废原料在粉磨系统中进行粉磨处理，得到粉末状的复配固废原料，备用；
改性处理：将粉末状的复配固废原料与熔融冶金渣等复合进行反应，对复配固废原料进行改性；冶金渣主要化学组成为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3等，可以与其他固废协同复配，制备铁铝酸盐相含量高的高活性胶凝材料，此外，熔融冶金渣温度可高达1000℃，传统冶金渣处置方法造成热量浪费，本发明材料熔融冶金渣与其他固废协同，实现固废改性的同时也能节约能耗。
第三次粉磨处理：将改性后得到的复配固废原料冷却后在粉磨系统中进行粉磨处理；
第二次碳化处理：将第三次粉磨处理后得到的复配固废原料再次进行碳化处理，即得固废基胶凝材料。
所述固废选型及配比设计系统可通过常规的软件程序设计实现，通过大量的前期试验积累各类固废胶凝活性及活性提升机制的试验数据，以这些试验数据为数据源，通过软件的自动选型、配比，可为不同固废的复配提供设计依据。
所述固废的烘干、粉磨以及粒径筛分依次由烘干装置、粉磨装置及粒径分级装置完成。
可选地，所述烘干装置包括各种压滤机、烘干机等；所述粉磨装置包括球磨机、立磨机等；所述粒径分级装置包括市售各类分级机。
所述碳化装置包括碳化进行的场所、温度控制装置、湿度控制装置和压力控制装置。可选地，碳化装置也可以采用现有的碳化塔代替。
所述改性处理系统可采用传统水泥制备中的回转窑，将该回转窑与冶金生产线连通，将高温状态下的熔融冶金渣引入改性处理系统中与固废混合，在钢渣与固废协同后，通过工业余热为高温处置系统加热，根据材料差异，高温处置温度为800-1350℃，还可以控制在1000-1350℃或1250-1350℃等。
所述工业尾气包括含有二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等酸性气体的废气。
进一步地，所述冶金渣包括高炉矿渣、钢渣、镍渣、铜渣等冶金行业产生的高温废渣中的任意一种或几种的混合物。
所述第二次粉磨处理、第三次粉磨处理的工艺步骤可参考第一次粉磨处理，工艺参数可根据需要进行设定，本发明不做限定。
所述第二次碳化处理的工艺步骤可参考第一次碳化处理，工艺参数可根据需要进行设定，本发明不做限定。
最后，本发明公开所述制备固废基胶凝材料的系统及制备工艺在建筑领域、废物处理中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明基于矿化特性协同互补(根据固废的成分，通过将不同种类的固废复配以得到恒定化学及矿物组成的比例)利用理论建立固废选型及配比动态设计方法，通过机械粉磨、工业尾气碳化、冶金余热高温处置等方法实现固废资源化利用。
(2)经过测试，本发明提出的方法制备的固废基胶凝材料抗压强度可达59MPa，不仅能够制备出性能良好的固废基胶凝材料，而且具有热利用率高，能耗低的特点，在创造可观的经济效益同时，还可以降低碳排放和温室效应。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1制备固废基胶凝材料的装置示意图。
图2为本发明实施例2-5制备固废基胶凝材料的装置示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，我国工业及城市固废量大、面广、害多，城市污泥、灰渣、赤泥、脱硫石膏、煤矸石、尾矿等年排放达几千万甚至数亿吨，受处置成本、自身价值、产业模式等多因素限制，综合利用没有根本突破，堆积日增，环境社会压力巨大。因此，本发明提出基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
参考图1，一种基于协同理论及碳化技术的免煅烧固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
1.测定所用固废的化学成分及矿物组成，基于固废胶凝活性数据库,确定所用固废为赤泥、矿粉、钢渣，三者质量比为1:1:1、活化方式为碱激发、添加剂为硅酸钠和氢氧化钠二者等比例混合，掺量为固废质量的10％；
2.通过粉磨系统将固废粉磨至比表面积大约为360m2/kg；
3.通过碳化系统对粉体固废进行处理，利用尾气提高固废胶凝活性，按质量百分数计，所述尾气由14％的CO2,80％的N2和6％的O2组成，碳化温度设定为60℃，湿度设定为100％，压力设定为0.2MPa，时间设定为24小时；
4.通过粉磨系统将碳化处理后得到的固废继续在粉磨系统中进行压滤、烘干，然后粉磨至比表面积大约为300m2/kg，将所得粉体材料经粉磨碳化后浇筑砂浆试模，结石体的性能(水灰比1:1)，参数如表1所示：
表1
实施例2
参考图2，一种基于协同理论及碳化技术的高温固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
1.以赤泥、钢渣等高铁型固废为主，测定各类固废的化学成分及矿相组成，根据固废胶凝活性数据库确定各类固废及辅助原料的配比：称取赤泥10Kg、硅灰10Kg、电石渣15Kg、钢渣37Kg，铝灰5.6Kg；
2.将除钢渣外的所有固废预热至500℃，然后与熔融钢渣混合，通过尾气余热控温至1300℃，保温3h，得铁铝系胶凝材料熟料。
3.将所述熟料粉磨至粒径为360m2/kg，然后置通入尾气进行碳化，按质量百分数计，所述尾气由14％CO2,80％的N2和6％的O2组成，碳化温度设定为30℃，湿度设定为80％，压力设定为0.5MPa，时间设定为30h，完成后将所得材料经再次粉磨、碳化(即重复步骤3中的粉磨和碳化工艺)后浇筑砂浆试模，所得性能参数如表2所示：
表2
实施例3
参考图2，一种基于协同理论及碳化技术的高温固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
1.以赤泥、矿渣等高铁型固废为主，测定各类固废的化学成分及矿相组成，根据固废胶凝活性数据库确定各类固废及辅助原料的配比：称取赤泥30Kg、硅灰10Kg、电石渣15Kg、矿渣30Kg，铝灰5.6Kg；
2.将除矿渣外的所有固废预热至500℃，然后与熔融矿渣混合，通过尾气余热控温至1000℃，保温3h，得铁铝系胶凝材料熟料。
3.将熟料粉磨至粒径为360m2/kg，通入碳化系统进行碳化，按质量百分数计，所述尾气由21％的CO2,74％的N2和6％的O2组成，碳化温度设定为30℃，湿度设定为90％，压力设定为0.5MPa，时间设定为18h，完成后将所得材料经再次粉磨、碳化(即重复步骤3中的粉磨和碳化工艺)后浇筑砂浆试模，所得性能参数如表3所示：
表3
实施例4
参考图2，一种基于协同理论及碳化技术的高温固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
1.以赤泥、镍渣等高铁型固废为主，测定各类固废的化学成分及矿相组成，根据固废胶凝活性数据库确定各类固废及辅助原料的配比：称取赤泥20Kg、硅灰12Kg、电石渣15Kg、镍渣35Kg，铝灰5.6Kg；
2.将除镍渣外的所有固废预热至500℃，然后与熔融镍渣混合，通过尾气余热控温至1250℃，保温3h，得铁铝系胶凝材料熟料。
3.将熟料粉磨至粒径为330m2/kg，通入碳化系统进行碳化，按质量百分数计，所述尾气由21％的CO2,74％的N2和6％的O2组成，碳化温度设定为30℃，湿度设定为80％，压力设定为0.4MPa，时间设定为20h，完成后将所得材料经再次粉磨、碳化(即重复步骤3中的粉磨和碳化工艺)后浇筑砂浆试模，所得性能参数如表4所示：
表4
实施例5
参考图2，一种基于协同理论及碳化技术的高温固废基胶凝材料的制备工艺，包括如下步骤：
1.以赤泥、铜渣等高铁型固废为主，测定各类固废的化学成分及矿相组成，根据固废胶凝活性数据库确定各类固废及辅助原料的配比：称取赤泥18Kg、硅灰10Kg、电石渣15Kg、铜渣27Kg，铝灰5.6Kg；
2.将除铜渣外的所有固废预热至500℃，然后与熔融铜渣混合，通过尾气余热控温至1350℃，保温3h，得铁铝系胶凝材料熟料。
3.将熟料粉磨至粒径为300m2/kg，通入碳化系统进行碳化，按质量百分数计，所述尾气由19％的CO2,78％的N2和3％的O2组成，碳化温度设定为35℃，湿度设定为85％，压力设定为0.5MPa，时间为18-30h，完成后将所得材料经再次粉磨、碳化(即重复步骤3中的粉磨和碳化工艺)后浇筑砂浆试模，所得性能参数如表5所示：
表5
以上所述仅为本发明的优选实施例，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.基于协同理论及碳化技术制备固废基胶凝材料的系统，其特征在于，包括：
固废选型及配比设计系统，用于固废的选型以及对不同种类固废进行配比；
第一粉磨系统，用于对完成选型以及配比的块状固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
碳化系统，用于对经过第一粉磨系统处理的固废加湿以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化；
第二粉磨系统，用于对经过碳化系统处理的固废的烘干、粉磨以及粒径筛分。
2.基于协同理论及碳化/高温技术制备固废基胶凝材料的系统，其特征在于，包括：
固废选型及配比设计系统，用于固废的选型以及对不同种类固废进行配比；
第一粉磨系统，用于对完成选型以及配比固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
第一碳化系统，用于对经过第一粉磨系统处理的固废喷洒水分以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化；
第二粉磨系统，用于对经过碳化系统处理的固废的烘干、粉磨以及粒径筛分；
改性处理系统，用于将熔融冶金渣与经过第二粉磨系统处理的固废混合后对固废进行改性处理；
第三粉磨系统，用于对经过煅烧处理的高活性胶凝材料进行粉磨以及粒径筛分；
第二碳化系统，用于对经过第三粉磨系统处理的固废加湿以及通过酸性工业废气对所述固废进行设定温度下的碳化。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述固废的烘干、粉磨以及粒径筛分依次由烘干装置、粉磨装置及粒径分级装置完成。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述烘干装置包括各种压滤机或烘干机；所述粉磨装置包括球磨机或立磨机；所述粒径分级装置包括分级机。
5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述碳化装置包括碳化进行的场所、温度控制装置、湿度控制装置和压力控制装置；可选地，碳化装置为碳化塔；
可选地，所述改性处理系统采用制备水泥的回转窑，且将该回转窑与炼钢生产线连通。
6.基于协同理论及碳化技术的固废基胶凝材料的制备工艺，其特征在于，使用权利要求1所述的系统，包括如下步骤：
固废选型及配比设计：根据终端产品性能需求，通过固废选型配比设计系统进行原料配比设计，得到复配固废原料；
第一次粉磨处理：将复配固废原料在粉磨系统中进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，备用；
碳化处理：将粉磨至设定粒径的复配固废原料置于碳化系统中在设计压力、温度、湿度以及工业尾气浓度条件下进行碳化处理；
第二次粉磨处理：将碳化处理后的复配固废原料继续在粉磨系统中进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，得到粉末状的复配固废原料，然后该复配固废原料与添加剂复合，得终端产品，即免煅烧固废基胶凝材料。
7.如权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述第二次粉磨处理的工艺步骤参考第一次粉磨处理；
或者，所述工业尾气为包含酸性气体的废气，优选地，所述酸性气体包括二氧化碳、二氧化硫、硫化氢中的任意一种或几种；
或者，所述冶金渣为冶金行业产生的高温废渣，优选为包括高炉矿渣、钢渣、镍渣、铜渣中的任意一种或几种的混合物。
8.基于协同理论及碳化/高温技术的固废基胶凝材料制备工艺，其特征在于，使用权利要求2所述的系统，包括如下步骤：
固废选型及配比设计：根据终端产品性能需求，通过固废选型配比设计系统进行原料配比设计，得到复配固废原料；
第一次粉磨处理：将复配固废原料在粉磨系统中加湿后进行压滤、烘干，然后粉磨至设定粒径，备用；
第一次碳化处理：将粉磨至设定粒径的复配固废原料置于碳化系统中在设计压力、温度、湿度以及工业尾气浓度条件下进行碳化处理；
第二次粉磨处理：将碳化处理后的复配固废原料在粉磨系统中进行粉磨处理，得到粉末状的复配固废原料，备用；
改性处理：将粉末状的复配固废原料与熔融冶金渣复合进行反应，对复配固废原料进行改性；
第三次粉磨处理：将改性后得到的复配固废原料冷却后在粉磨系统中进行粉磨处理；
第二次碳化处理：将第三次粉磨处理后得到的复配固废原料再次进行碳化处理，即得固废基胶凝材料。
9.如权利要求8所述的制备工艺，其特征在于，所述第二次粉磨处理、第三次粉磨处理的工艺步骤参考第一次粉磨处理；
或者，所述第二次碳化处理的工艺步骤可参考第一次碳化处理；
或者，所述工业尾气为包含酸性气体的废气，优选地，所述酸性气体包括二氧化碳、二氧化硫、硫化氢中的任意一种或几种；
或者，所述冶金渣为冶金行业产生的高温废渣，优选为包括高炉矿渣、钢渣、镍渣、铜渣中的任意一种或几种的混合物。
10.如权利要求1-5任一项所述的所述制备固废基胶凝材料的系统和/或如权利要求6-9任一项所述的制备工艺在建筑领域、废物处理中的应用。
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