CN110606493A - 一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙粉产品和应用 - Google Patents

一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙粉产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙粉产品和应用。本发明方法包括：1)按比例混合氧化钙粉末以稳定城镇生活污泥；2)将稳定后的污泥堆成堆体，在堆体底部，通过分布管通入氧化钙煅烧炉热尾气，利用污泥和石灰进行脱硫脱硝，并利用余热减水干燥污泥，制成泥灰土；3)利用旋转窑炉干化并焚烧泥灰土，将泥灰土中的有机质全部焚烧分解，制成的残余物为含硅13～20％，含钙72～80％为主要成分的硅钙粉，可用于建材行业制造干粉砂浆、砌筑砂浆、筑路砂浆等。本发明的意义在于，通过反应减水、尾气余热干燥脱水以及干化焚烧等系列工艺，对城市污泥进行彻底的无害化处理，并制成建筑材料实现资源化利用。

Description

一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙 粉产品和应用
技术领域
本发明属于城市固体废弃物处理处置技术领域，具体涉及一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙粉产品和应用。
背景技术
随着我国城镇化的不断推进和国家对全国城镇污水处理厂率的规划，要求全国污泥处理技术不断增强，处理能力不断增大。伴随城镇污水处理规模的扩大，污泥作为城镇污水处理副产物也大量产生。根据2017年统计数据，我国污水处理厂数量有3900座，污水处理能力1.8亿m3/d，按照城市污水以干物质计平均0.02％的含固率估算，可产生干污泥3.14万吨/天。按照污水处理规模前80％的含水率计算，每天产生湿污泥15.7万吨。全年以360天计，2017年全国年产生湿污泥达5652万吨。预计2020年产泥量将达到6000万吨。长期以来，我国污水处理的状况是重水轻泥，污水提标改造，污水消毒、四类水、再生水等快速推进，污水处理技术和工艺不断升级和成熟，而污泥问题却没有得到有效解决。虽然污泥是污水处理中的“世界难题”，但是我国污泥处理处置现状与污水处理的各项技术水平差距甚大，远远落后发达国家，与我国大国地位及生态文明建设要求不相符。城镇污水的来源决定了污泥含有病原微生物、有机污染物、重金属等有毒有害物质的特性，稍有不慎就会产生二次污染。如果数量巨大的城镇污泥得不到有效的处理、科学处置，将造成污染环境，影响地表水、地下水等二次污染，由此带来一系列社会经济环境问题。因而，按照城市污泥处置“减量化、稳定化、无害化”的原则和“绿色、循环、低碳”的总体要求，寻求技术可靠、经济可行、综合利用、高效低成本处置城市污泥的有效途径，变得十分紧迫且意义重大，影响深远。
经分析可知，污泥中含有大量硅、铝、铁等无机成分，其组成与很多建筑材料成分非常相似，因此合理利用添加剂与适当的工艺技术，可以用污泥生产很多有建筑价值的产品。由于近年来，我国基础设施建设项目和城市房地产规模一直处于高速发展时期，对于各类建材原料的需求一直处于高位。由于各类建材的基础原料都是来源于各类矿山的开采，在源源不断的获取建材原料的同时，也留下了大面积破损累累的废弃矿坑、植被损毁的荒岭，对自然风貌和生态环境造成了严重的破坏，加重了空气污染。随着我国对于各种影响生态环境和环保的无序资源开采控制越来越严格规范，各类碎石、灰浆等建材原料来源将迅速减少，需要寻求大规模替代品。
从目前的研究来看，发明专利CN201410592106.5公开了一种脱水污泥干化和焚烧处理的方法，介绍了将干污泥在喷雾干燥塔中脱水至半干，然后进行机械挤压造粒；再利用喷雾干燥后的余热烟气将半干污泥颗粒进一步干燥；干燥污泥颗粒送至焚烧炉进行3T焚烧。其主要是利用脱水干燥设备进行污泥的干燥脱水，工艺、设备和操作步骤都比较多，尤其是采用喷雾干燥塔脱水，设备庞大，能耗高，产能低，不适应污泥需要大规模处理的特性。发明专利CN103739184A公开了一种利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法，介绍了将市政污泥和氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水混合成添加剂，再计量加入煤粉和熟石灰，在干化回转窑内利用余热干化，然后定量混入水泥原料中焚烧制成水泥。但是该方法需要和水泥厂结合处理污泥，存在大规模污泥运输半径成本的问题，而且需要添加多种化学试剂，工业化成本高。
基于上述理由，提出本申请。
发明内容
针对现有技术存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法及其制备的硅钙粉产品和应用。本发明的意义在于，通过反应减水、尾气余热干燥脱水以及干化焚烧等系列工艺，对城市污泥进行彻底的无害化处理，并制成建筑材料实现资源化利用，可极大程度的消纳日益增多的城市污泥，并为建筑建材领域提供一种优质的建筑材料。
为了实现本发明的上述其中一个目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，所述方法具体包括如下步骤：
1)稳定污泥：按配比将氧化钙粉末加入到城镇生活污泥中，搅拌混合均匀后转移至开放槽中堆成堆体；其中：所述氧化钙粉末的用量为所述生活污泥质量的15～40％；
2)向步骤1)所述堆体底部通入石灰窑余热尾气，利用堆体对所述尾气进行脱硫脱硝，并利用余热减水干燥堆体，制成泥灰土；
3)将步骤2)所述泥灰土干化，然后加入少量煤粉焚烧，焚烧结束后冷却，获得本发明所述的硅钙粉产品。
进一步地，上述技术方案，步骤1)所述的生活污泥来自于城市生活污水处理厂的生活污泥，其含水率≤80％；所述污泥经氧化钙粉末稳定处理后，含水率下降至60％以下。
进一步地，上述技术方案，步骤1)所述搅拌混合优选使用双螺杆混料机。
进一步地，上述技术方案，步骤1)所述堆体高度优选为1.2～1.8米。
进一步地，上述技术方案，步骤1)所述氧化钙粉末优选采用采石场所产石料制得，工艺如下：将采石场所产碳酸钙石料经煅烧后，再经球磨机粉碎而成，粉碎过程中设有旋风分离除尘装置，所述氧化钙粉末的粉碎粒度≥40目。
进一步地，上述技术方案，步骤2)所述开放槽底部安装有气体分布管，所述气体分布管的一端设置有气体进口，气体进口与石灰窑余热尾气排出管道连接，并在连接处设置阀门，所述气体分布管上还设置有多个出气孔，石灰窑余热尾气通过出气孔扩散至堆体中。
优选地，上述技术方案，所述气体分布管安装间距为0.8～1.2米。
进一步地，上述技术方案，步骤2)中，为使堆体均匀受热，可使用翻抛机间隔6～12小时左右翻抛堆体一次。
进一步地，上述技术方案，步骤2)所述石灰窑余热尾气优选来自于同一生产区域石灰石煅烧炉的热尾气。
进一步的，上述技术方案，步骤2)中的余热尾气，经脱硫脱硝处理后，最终从堆体逸出，经过终端尾气吸收处理系统作除臭净化处理后达标排放。
进一步地，上述技术方案，步骤2)所述泥灰土含水量≤20％。
进一步地，上述技术方案，步骤3)所述煤粉优选为无烟煤粉，其用量可以不做限定，只要能实现泥灰土中的有机质全部焚烧分解即可，所述煤粉的用量优选为泥灰土质量的10～15％。
进一步地，上述技术方案，步骤3)所述干化、焚烧工艺优选采用旋转窑炉。
具体地，上述技术方案，步骤3)中所述的泥灰土，投入旋转窑炉，在窑炉前段预热干化，在窑炉燃烧段焚烧，在窑炉后段冷却降温。
优选地，上述技术方案，步骤3)所述焚烧温度为800～1000℃，较优选为890～910℃，更优选为900℃。
进一步的，所述步骤3)中的旋转窑炉焚烧尾气，经过降温、除尘、喷淋吸收，除去为其中的有害成分，净化后达标排放。
本发明的第二个目的在于提供上述所述利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法制备得到的硅钙粉产品，所述硅钙粉产品中硅(以SiO2计)含量为13～20％，钙(以CaO计)含量为72～80％。
本发明的第三个目的在于提供上述所述方法制备得到的硅钙粉产品的应用，可用于建筑材料。
进一步地，上述技术方案，所述建筑材料为干粉砂浆、砌筑砂浆、筑路砂浆等中的任一种。
本发明利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法涉及的化学反应原理如下：
(1)氧化钙稳定污泥原理
生石灰(氧化钙)与污泥混合均匀后，氧化钙与污泥中的水发生化学反应，生成熟石灰(Ca(OH)2)，并放出热量。反应方程式如下：
CaO+H2O＝＝Ca(OH)2+反应热。
上述反应脱水率约为12％。
(2)石灰窑余热尾气脱硫脱硝原理
稳定污泥(堆体)中含有一定量的水分和大量熟石灰(Ca(OH)2)，可以与窑炉尾气中的二氧化硫、氮氧化物发生反应，达到脱硫脱硝的目的，反应方程式如下：
①Ca(OH)2+SO2＝＝CaSO3+H2O+反应热；
②4NO2+2Ca(OH)2＝Ca(NO3)2+Ca(NO2)2+2H2O+反应热；
(3)焚烧过程的硅钙反应原理
高温条件下，泥灰土中的有机质全部焚烧分解，污泥中的硅和氢氧化钙发生硅钙反应，生成硅钙粉(CaSiO3)，其反应方程式如下：
SiO2+Ca(OH)2＝CaSiO3+H2O。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种用于建材硅钙粉的污泥处理方法，具体是将城市污水处理厂的污泥通过与生石灰混合进行稳定化处理，然后利用尾气余热干燥脱水，再通过旋转窑炉干化焚烧，得到以硅、钙为主要成分的硅钙粉。由于利用本发明方法制备的硅钙粉具有较强的胶结活性，因此可成为制造干粉砂浆、砌筑砂浆、筑路砂浆的基质等优良建筑用材。
附图说明
图1为本发明利用城市污泥制备泥灰土的工艺流程图。
图2为本发明利用泥灰土制备硅钙粉的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施案例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施案例。
根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
实施例1
本实施例的一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，所述方法具体包括如下步骤：
1)选取武汉汉西污水处理有限公司的污泥，其含水量为78.8wt％。用双螺杆混料机将污泥与氧化钙粉末混合搅拌均匀，其中：氧化钙粉末掺混比例为30wt％，细度60目，搅拌结束后，获得稳定混合物料。此时混合物料PH值为11-13，含水率大约55％，用皮带机和装载机将所述混合物料输送至开放槽，堆成1.65米高度的堆体；
2)开启堆体下方余热尾气分布管阀门，将余热尾气通入堆体中，从堆体中散出的气体通过引凤管道收集至终端尾气处理系统。
3)为使堆体均匀受热，可使用翻抛机间隔12小时左右翻抛一次，当堆体物料水分降至20％以下，成为泥灰土，即可出料进入焚烧备料仓。
4)将泥灰土投入到旋转窑炉进行干化焚烧，窑炉前段至焚烧段温度逐渐升高，焚烧段温度为900℃，燃料为无烟煤粉。此时泥灰土中的有机质完全分解，分解物经过除尘装置，尾气通过吸收塔吸收有害成分，气体达标后排放。焚烧剩余物为含硅(以SiO2计)15.2％，含钙(以CaO计)75.6％，三氧化二铝3.1％，三氧化二铁2.2％，氧化镁1.6％为主要成分的硅钙粉。
在上述步骤中，步骤1)氧化钙粉末与污泥中的水分反应，生成氢氧化钙，使污泥呈碱性，同时反应放热，也带走一部分水分；步骤2)通入余热尾气，升高堆体温度，达到65～75℃，继续蒸发水分，并杀灭有毒有害病菌，污泥颗粒的吸附性和氢氧化钙还可对尾气进行脱硫脱硝，净化排放的尾气；步骤4)在高温下，泥灰土中的有机质焚烧分解，混合在一起的硅钙物质发生硅钙反应，生成具有粘结性的硅钙粉。
实施例2
本实施例的一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，所述方法具体包括如下步骤：
1)选取武汉汉西污水处理有限公司的污泥，其含水量为75.2wt％。用双螺杆混料机将污泥与氧化钙粉末混合搅拌均匀，其中：氧化钙粉末掺混比例为15wt％，细度60目，搅拌结束后，获得稳定混合物料。此时混合物料PH值为10-11，含水率约59％，用皮带机和装载机将所述混合物料输送至开放槽，堆成1.25米高度的堆体；
2)开启堆体下方余热尾气分布管阀门，将余热尾气通入堆体中，从堆体中散出的气体通过引凤管道收集至终端尾气处理系统。
3)为使堆体均匀受热，可使用翻抛机间隔6小时左右翻抛一次，当堆体物料水分降至20％以下，成为泥灰土，即可出料进入焚烧备料仓。
4)将泥灰土投入到旋转窑炉进行干化焚烧，窑炉前段至焚烧段温度逐渐升高，焚烧段温度为890℃，燃料为无烟煤粉。此时泥灰土中的有机质完全分解，分解物经过除尘装置，尾气通过吸收塔吸收有害成分，气体达标后排放。焚烧剩余物为含硅(以SiO2计)18.6％，含钙(以CaO计)72.6％，三氧化二铝2.4％，三氧化二铁1.3％，氧化镁1.1％为主要成分的硅钙粉。
在上述步骤中，步骤1)氧化钙粉末与污泥中的水分反应，生成氢氧化钙，使污泥呈碱性，同时反应放热，也带走一部分水分；步骤2)通入余热尾气，升高堆体温度，达到65～75℃，继续蒸发水分，并杀灭有毒有害病菌，污泥颗粒的吸附性和氢氧化钙还可对尾气进行脱硫脱硝，净化排放的尾气；步骤4)在高温下，泥灰土中的有机质焚烧分解，混合在一起的硅钙物质发生硅钙反应，生成具有粘结性的硅钙粉。
实施例3
本实施例的一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，所述方法具体包括如下步骤：
1)选取武汉汉西污水处理有限公司的污泥，其含水量为79.6wt％。用双螺杆混料机将污泥与氧化钙粉末混合搅拌均匀，其中：氧化钙粉末掺混比例为40wt％，细度60目，搅拌结束后，获得稳定混合物料。此时混合物料PH值为11-13，含水率大约50％，用皮带机和装载机将所述混合物料输送至开放槽，堆成1.75米高度的堆体；
2)开启堆体下方余热尾气分布管阀门，将将余热尾气通入堆体中，从堆体中散出的气体通过引凤管道收集至终端尾气处理系统。
3)为使堆体均匀受热，可使用翻抛机间隔10小时左右翻抛一次，当堆体物料水分降至20％以下，成为泥灰土，即可出料进入焚烧备料仓。
4)将泥灰土投入到旋转窑炉进行干化焚烧，窑炉前段至焚烧段温度逐渐升高，焚烧段温度为910℃，燃料为无烟煤粉。此时泥灰土中的有机质完全分解，分解物经过除尘装置，尾气通过吸收塔吸收有害成分，气体达标后排放。焚烧剩余物为含硅(以SiO2计)13.6％，含钙(以CaO计)78.7％，三氧化二铝3.1％，三氧化二铁2.1％，氧化镁1.8％为主要成分的硅钙粉。
在上述步骤中，步骤1)氧化钙粉末与污泥中的水分反应，生成氢氧化钙，使污泥呈碱性，同时反应放热，也带走一部分水分；步骤2)通入余热尾气，升高堆体温度，达到65～75℃，继续蒸发水分，并杀灭有毒有害病菌，污泥颗粒的吸附性和氢氧化钙还可对尾气进行脱硫脱硝，净化排放的尾气；步骤4)在高温下，泥灰土中的有机质焚烧分解，混合在一起的硅钙物质发生硅钙反应，生成具有粘结性的硅钙粉。
性能测试：
参照国家标准GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)的规定，按配比将水泥、标准砂、水和增钙基质(其中增钙基质分别为生石灰(C#组)、实施例1制备的泥灰土(B#组)和硅钙粉(D#组)，并以不添加任何增钙基质组作为对比(A#组)，如表1所示)混匀，用标准制作方法制成4cm×4cm×16cm的标准试件，并在标准养护条件下，达规定龄期28d时，测定其抗压强度和强度比，测试结果如表2所示，其中：表2中所述强度比是指A#组、B#组、C#组、D#组的标准试件在28d时的抗压强度与A#组的标准试件在28d时的抗压强度的比值。
表1添加不同增钙基质制备水泥胶砂的各组原料用量表(单位：g)
表2添加不同增钙基质获得的水泥胶砂的强度活性试验结果表
A#(水泥) B#(泥灰土) C#(石灰) D#(硅钙粉)
抗压强度，MPa 39.3 4.43 21.4 26.93
强度比，％ / 11.27 49.08 68.5
由表2实验结果可知，本发明实施例1制得的硅钙粉胶结强度活性值为纯石灰的126％，为水泥(P.O42.5)的68.5％，满足建材用强度要求。另外，C#组代表石灰，D#组代表硅钙粉，由于D#组硅钙粉的抗压强度和强度比均比C#组石灰高，故D的性能比石灰更好，而石灰是可用于建材等多种用途，由此可见，本发明制备的硅钙粉也可用于建材行业制造干粉砂浆、砌筑砂浆、筑路砂浆等。

Claims (10)

1.一种利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：
1)稳定污泥：按配比将氧化钙粉末加入到城镇生活污泥中，搅拌混合均匀后转移至开放槽中堆成堆体；其中：所述氧化钙粉末的用量为所述生活污泥质量的15～40％；
2)向步骤1)所述堆体底部通入石灰窑余热尾气，利用堆体对所述尾气进行脱硫脱硝，并利用余热减水干燥堆体，制成泥灰土；
3)将步骤2)所述泥灰土干化，然后加入少量煤粉焚烧，焚烧结束后冷却，获得所述的硅钙粉产品。
2.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤1)所述的生活污泥来自于城市生活污水处理厂的生活污泥，其含水率≤80％；所述污泥经氧化钙粉末稳定处理后，含水率下降至60％以下。
3.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤1)所述堆体高度优选为1.2～1.8米。
4.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤1)所述氧化钙粉末优选采用采石场所产碳酸钙石料制得，所述氧化钙粉末的粉碎粒度≥40目。
5.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤2)所述开放槽底部安装有气体分布管。
6.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤2)所述石灰窑余热尾气优选来自于同一生产区域石灰石煅烧炉的热尾气。
7.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤2)所述泥灰土含水量≤20％。
8.根据权利要求1所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法，其特征在于：步骤3)所述焚烧温度为800～1000℃。
9.权利要求1～8任一项所述的利用城市污泥制备建筑用硅钙粉的方法制备得到的硅钙粉，其特征在于：所述硅钙粉产品中硅含量为13～20％，钙含量为72～80％。
10.权利要求1～8任一项所述方法制备得到的硅钙粉在建筑材料中的应用。
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