CN110698214A - 一种以炉渣为骨料的高强陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料及固废处理领域，具体涉及一种以炉渣为骨料的高强陶粒及其制备方法。采用的主要原料有粉煤灰、炉渣和膨润土，原料按比例混合，通过造粒、烘干、煅烧、冷却等工序制得炉渣骨料高强陶粒。本发明利用当地热电厂副产物炉渣为骨料，粉煤灰为主要原料生产获得高强陶粒。不仅解决当地固废处理问题，获得物理强度高、化学稳定性好、堆积密度小、比表面积大的可用于建筑、水处理和园林艺术等领域的炉渣骨料高强陶粒，而且降低陶粒生产成本，具有巨大的市场潜力。

Description

一种以炉渣为骨料的高强陶粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料及固废处理领域，具体涉及一种以炉渣为骨料的高强陶粒及 其制备方法。
技术背景
粉煤灰是热电厂最主要的副产物，我国是一个以火力发电为主的国家，火力 发电烟道中会排出大量的粉煤灰，粉煤灰的储量相当可观。且随着我国电力工业 的不断发展，粉煤灰排放量在逐年增加，目前对于粉煤灰的处置除了少量用于建 材行业以外，绝大部分仍以灰场堆贮为主，堆贮与占用土地矛盾越来越突出。粉 煤灰对土壤、水资源、空气资源等自然资源有巨大危害，并会间接对人体造成伤 害。将工业废渣中粉煤灰用于制备陶粒等的原材料，实现了对粉煤灰的二次利用， 且可以降低生产成本，符合可持续发展的要求，对资源的循环利用和生态环境的 保护有极大的贡献。
炉渣亦为热电厂发电后排出的主要副产物之一，由于我国热电厂综合规模巨 大，使得每年因火力发电产生的炉渣数量极为庞大，且每年产量呈递增趋势。炉 渣大多经水冷抑尘后堆贮处理，不仅浪费巨大的水资源，而且堆贮处理的方式对 土壤资源、水资源和空气资源等自然资源的危害不亚于粉煤灰。由于炉渣中含有 较多的CaO，可用于建材行业制砖的骨料，但建材行业需求量较小，与庞大的总 量相比犹如九牛一毛。将炉渣用于制备陶粒的骨料，不仅开辟了一条陶粒制备的 新思路，而且可以缓解工业废渣对环境的危害，同时降低陶粒制备成本，对资源 综合利用有极大贡献。
陶粒是以无机材料为主要原料，经原料预处理、造粒成球、焙烧、冷却等工 艺生产的一种轻集料，陶粒外表面具有防水坚硬的釉层外壳，内部具有密闭式微 孔结构。根据陶粒的功能不同陶粒可用作建筑材料作为轻集料；在水处理行业用 作水处理滤料；在园林行业用作无土栽培的基质。目前市场上主要有以黏土、页 岩为原料的黏土陶粒和页岩陶粒，随着黏土、页岩等资源的限制利用，加之陶粒 生产的高能耗，陶粒成本居高不下。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本申请提供了一种以炉渣为骨料的高强陶粒及 其制备方法，主要以炉渣为骨料，以粉煤灰和膨润土为主要原料，开拓工业副产 物的处理途径，降低陶粒生产成本，减小造粒成球的难度，同时提高陶粒产品品 质。
本发明所述的高强陶粒，外形为规则球形或椭球形，表面有细小孔和颗粒。 产品密度等级600-1000，筒压强度在6MPa-17MPa，吸水率2％-16％，符合国家 标准。
为了实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：
一种以炉渣为骨料的高强陶粒，按重量份计，其原料配比为：粉煤灰70-85 份，炉渣(含水率≤7％)：5-20份，膨润土10份；
所述的粉煤灰为热电厂煤粉炉外排的二级粉煤灰，粉煤灰的氧化物组成为 SiO2、Al2O3及少量的FeO、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2等。其中SiO2和 Al2O3含量可占总含量的60％以上。是陶粒生产中主要的硅铝元素提供者，使烧 成的陶粒拥有较好的物理性能。粉煤灰的粒径较小，大部分不大于180目，180 目筛余为5％-12％。本发明中使用粉煤灰的配比在70-85份，粉煤灰高于此范围， 焙烧温度要求高，能耗增加，而且产品焙烧程度不稳定，有夹生或表面颜色不均 一的现象；粉煤灰添加量低于此范围，产品筒压强度偏低，产品焙烧过程中出现 软化变形，料球之间粘结现象增加，不利于生产运行，产品合格率下降。
所述的炉渣为热电厂发电过程中经水冷后得到的工业废渣，其氧化物组成主 要为SiO2、Al2O3、CaO，同时含有少量Fe2O3、Na2O、MgO、P2O5、K2O、TiO2、 SrO、ZrO2等。其中SiO2、Al2O3、CaO含量占总量的65％以上，亦为硅铝元素 的主要提供者。炉渣与粉煤灰相比粒径较大，普遍在100目以上，作为骨料，在 表面沾水的情况下更易与粉煤灰和膨润土结合，从而使得成球造粒更容易，且生 料球强度更高，同时烧得的陶粒也具有更好的物理性能。本发明中使用炉渣的配 比在5-20份，炉渣低于此范围，无法起到骨料的作用，成球效果不明显；炉渣 高于此范围，由于炉渣较粗，骨料太多造成浪费，且成的生料球历经偏小，效果 不佳。掺量过高或过低都不利于生产出合格的产品。
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧 四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型晶体结构，由于蒙脱石晶胞形成的层状 结构存在某些阳离子，如Cu、Mg、Na、K等，且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作 用很不稳定，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。其中蒙脱石含量 在85-90％，膨润土的一些性质是由蒙脱石所决定。可以成致密块状，也可为松 散的土状，用手指搓磨时有滑感，小块体加水后体积胀大数倍至20-30倍，在水 中呈悬浮状，水少时呈糊状。
上述高强陶粒制备方法，具体步骤如下：
1)原料预处理：
粉煤灰，直接由热电粉煤灰储仓经过气力输送至现场小型粉煤灰储仓；
炉渣，经皮带输送后利用窑炉余热进行预烘干，炉渣含水率≤7％后，进入 高速粉体搅拌机破碎，破碎后经筛分得到细度为30目及以下的炉渣，储存至炉 渣储仓备用；
膨润土，由市售购得，储存至膨润土储仓备用。
2)计量搅拌：
按照配比分别称取粉煤灰、炉渣、膨润土，并将其置于搅拌机内混合均匀得 混合料；原料进入搅拌机后，开始计时，搅拌60s-120s后，将混合好的原料卸 出，由皮带输送至成球机；为了避免混合产生大量粉尘，混合时加入适量的水， 控制粉尘的产生，水量是粉煤灰、炉渣、膨润土总重的5-10％；
3)造粒成球：
混合料送入成球机，喷入雾化水，控制水的总用量是粉煤灰、炉渣、膨润土 总重的15-25％，通过调整皮带控制进料速度，通过调整成球机的倾斜角度和转 速来控制生料球的粒径5mm-20mm，由皮带烘干带进行120-140℃低温烘干，直 至含水率降至2％以下；
4)高温焙烧：
烘干后的生料球再由皮带送入窑炉进行焙烧，窑炉设定焙烧制度：升温速度、 恒温温度、恒温时间、降温速度，将焙烧完成后的陶粒进行快速冷却、筛分即得 成品；
焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温区间 350-450℃，在低恒温区恒温15-30min；以10℃/min的速度使料球升至中恒温区 间620-750℃，在中恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温区间 1130-1220℃，在高温恒温区恒温20-30min；以5℃/min的速度使温度降到500℃ 以下，此时高温焙烧工艺完成。
本发明利用了粉煤灰和炉渣两种固体废弃物制成陶粒，炉渣作为骨料提供球 核，粉煤灰作为制备陶粒的主要原料。在本发明配方组合下，陶粒生料球更容易 成型，且强度较高，节约了资源和成本，减少浪费。而且炉渣作为骨料，为陶粒 提供了初始强度和焙烧过程中的凝结力，使得产品质量更加稳定，各项指标均符 合国家标准。与其他陶粒性能相近，可用作建筑材料，污水处理和园林绿化等方 面。另外利用这两种固废烧制陶粒，与传统的利用其他自然资源烧制陶粒相比， 大大节省了购买成本与运输成本，符合可持续发展的要求，且具有良好的市场前 景。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细 说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发 明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围，除特殊说明外，下述实施例中均 采用常规现有技术完成。
实施例1
一种以炉渣为骨料的高强陶粒，其原料为粉煤灰、炉渣和膨润土。以重量份 计，其原料配比为：粉煤灰70份，炉渣20份，膨润土10份。
该高强陶粒的制备方法具体步骤如下：
原料预处理：粉煤灰，直接由热电粉煤灰储仓经过气力输送至现场小型粉煤 灰储仓；炉渣，经皮带输送后利用窑炉余热进行预烘干，炉渣含水率≤7％后， 进入高速粉体搅拌机破碎，破碎后经筛分得到细度为30目及以下的炉渣，储存 至炉渣储仓备用；膨润土，由外部购得，储存至膨润土储仓备用。
计量搅拌：按照计量分别称取粉煤灰、炉渣和膨润土，并将其置于搅拌机； 原料进入搅拌机后，开始计时，搅拌120s后，将混合好的原料卸出，由皮带输 送至成球机；
造粒成球：混合料经皮带送入成球机，外加水经过雾化后喷入成球机，控制 水的用量是物料总重的20％，通过调整皮带控制进料速度，通过调整成球机的倾 斜角度和转速来调整生料球的粒径，生料球到达粒径5-20mm后自动溢出成球机， 由皮带烘干带进行125℃低温烘干1h左右，直至含水率降至2％以下；
高温焙烧：烘干后的生料球再由皮带送入窑炉进行焙烧，窑炉由控制器设定 焙烧制度：升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度，将焙烧完成后的陶粒进 行快速冷却、筛分即得成品。焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘 干温度升至低恒温温度370℃，在低恒温区恒温15min；以10℃/min的速度使料 球升至中恒温温度640℃，在中恒温区恒温20min；以8℃/min使料球升至高恒 温温度1150℃，在高温恒温区恒温20min；以5℃/min的速度使温度降到500℃ 以下，此时高温焙烧工艺完成。
以上方法得到的高强陶粒，其堆积密度为576kg/m3，密度等级为600级， 筒压强度为16.7MPa，吸水率4.2％。
实施例2
一种以炉渣为骨料的高强陶粒，其原料为粉煤灰、炉渣和膨润土。以重量份 计，其原料配比为：粉煤灰75份，炉渣15份，膨润土10份。
该高强陶粒的制备方法具体步骤如下：
原料预处理：粉煤灰，直接由热电粉煤灰储仓经过气力输送至现场小型粉煤 灰储仓；炉渣，经皮带输送后利用窑炉余热进行预烘干，炉渣含水率≤7％后， 进入高速粉体搅拌机破碎，破碎后经筛分得到细度为30目及以下的炉渣，储存 至炉渣储仓备用；膨润土，由外部购得，储存至膨润土储仓备用。
计量搅拌：按照计量分别称取粉煤灰、炉渣和膨润土，并将其置于搅拌机； 原料进入搅拌机后，开始计时，搅拌120s后，将混合好的原料卸出，由皮带输 送至成球机；
造粒成球：混合料经皮带送入成球机，外加水经过雾化后喷入成球机，控制 水的用量是物料总重的20％，通过调整皮带控制进料速度，通过调整成球机的倾 斜角度和转速来调整生料球的粒径，生料球到达粒径5-20mm后自动溢出成球机， 由皮带烘干带进行125℃低温烘干1h左右，直至含水率降至2％以下；
高温焙烧：烘干后的生料球再由皮带送入窑炉进行焙烧，窑炉由控制器设定 焙烧制度：升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度，将焙烧完成后的陶粒进 行快速冷却、筛分即得成品。焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘 干温度升至低恒温温度390℃，在低恒温区恒温15min；以10℃/min的速度使料 球升至中恒温温度680℃，在中恒温区恒温20min；以8℃/min使料球升至高恒 温温度1180℃，在高温恒温区恒温20min；以5℃/min的速度使温度降到500℃ 以下，此时高温焙烧工艺完成。
以上方法得到的高强陶粒，其堆积密度为643kg/m3，密度等级为700级， 筒压强度为14.9MPa，吸水率6.4％。
实施例3
一种以炉渣为骨料的高强陶粒，其原料为粉煤灰、炉渣和膨润土。以重量份 计，其原料配比为：粉煤灰80份，炉渣10份，膨润土10份。
该高强陶粒的制备方法具体步骤如下：
原料预处理：粉煤灰，直接由热电粉煤灰储仓经过气力输送至现场小型粉煤 灰储仓；炉渣，经皮带输送后利用窑炉余热进行预烘干，炉渣含水率≤7％后， 进入高速粉体搅拌机破碎，破碎后经筛分得到细度为30目及以下的炉渣，储存 至炉渣储仓备用；膨润土，由外部购得，储存至膨润土储仓备用。
计量搅拌：按照计量分别称取粉煤灰、炉渣和膨润土，并将其置于搅拌机； 原料进入搅拌机后，开始计时，搅拌120s后，将混合好的原料卸出，由皮带输 送至成球机；
造粒成球：混合料经皮带送入成球机，外加水经过雾化后喷入成球机，控制 水的用量是物料总重的20％，通过调整皮带控制进料速度，通过调整成球机的倾 斜角度和转速来调整生料球的粒径，生料球到达粒径5-20mm后自动溢出成球机， 由皮带烘干带进行125℃低温烘干1h左右，直至含水率降至2％以下；
高温焙烧：烘干后的生料球再由皮带送入窑炉进行焙烧，窑炉由控制器设定 焙烧制度：升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度，将焙烧完成后的陶粒进 行快速冷却、筛分即得成品。焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘 干温度升至低恒温温度400℃，在低恒温区恒温15min；以10℃/min的速度使料 球升至中恒温温度720℃，在中恒温区恒温20min；以8℃/min使料球升至高恒 温温度1200℃，在高温恒温区恒温20min；以5℃/min的速度使温度降到500℃ 以下，此时高温焙烧工艺完成。
以上方法得到的高强陶粒，其堆积密度为754kg/m3，密度等级为800级， 筒压强度为12.1MPa，吸水率8.1％。
实施例4
一种以炉渣为骨料的高强陶粒，其原料为粉煤灰、炉渣和膨润土。以重量份 计，其原料配比为：粉煤灰85份，炉渣5份，膨润土10份。
该高强陶粒的制备方法具体步骤如下：
原料预处理：粉煤灰，直接由热电粉煤灰储仓经过气力输送至现场小型粉煤 灰储仓；炉渣，经皮带输送后利用窑炉余热进行预烘干，炉渣含水率≤7％后， 进入高速粉体搅拌机破碎，破碎后经筛分得到细度为30目及以下的炉渣，储存 至炉渣储仓备用；膨润土，由外部购得，储存至膨润土储仓备用。
计量搅拌：按照计量分别称取粉煤灰、炉渣和膨润土，并将其置于搅拌机； 原料进入搅拌机后，开始计时，搅拌120s后，将混合好的原料卸出，由皮带输 送至成球机；
造粒成球：混合料经皮带送入成球机，外加水经过雾化后喷入成球机，控制 水的用量是物料总重的20％，通过调整皮带控制进料速度，通过调整成球机的倾 斜角度和转速来调整生料球的粒径，生料球到达粒径5-20mm后自动溢出成球机， 由皮带烘干带进行125℃低温烘干1h左右，直至含水率降至2％以下；
高温焙烧：烘干后的生料球再由皮带送入窑炉进行焙烧，窑炉由控制器设定 焙烧制度：升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度，将焙烧完成后的陶粒进 行快速冷却、筛分即得成品。焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘 干温度升至低恒温温度440℃，在低恒温区恒温15min；以10℃/min的速度使料 球升至中恒温温度750℃，在中恒温区恒温20min；以8℃/min使料球升至高恒 温温度1220℃，在高温恒温区恒温20min；以5℃/min的速度使温度降到500℃ 以下，此时高温焙烧工艺完成。
以上方法得到的高强陶粒，其堆积密度为913kg/m3，密度等级为1000级， 筒压强度为9.8MPa，吸水率10.3％。

Claims (8)

1.一种以炉渣为骨料的高强陶粒，其特征在于，产品密度等级600-1000，筒压强度在6MPa-17MPa，吸水率2％-16％；
按重量份计，其原料配比为：粉煤灰70-85份，炉渣：5-20份，膨润土10份。
2.根据权利要求1所述的高强陶粒，其特征在于，所述的粉煤灰180目筛余为5％-12％；炉渣SiO2、Al2O3、CaO含量在65％以上，含水率≤7％。
3.一种以炉渣为骨料的高强陶粒的制备方法，其特征在于，具体步骤包括计量搅拌：按照配比分别称取粉煤灰、炉渣、膨润土，并将其置于搅拌机内混合均匀得混合料；
造粒成球：混合料送入成球机，喷入雾化水，控制生料球的粒径5mm-20mm，然后低温烘干；
高温焙烧：烘干后的生料球再送入窑炉进行焙烧，将焙烧完成后的陶粒进行快速冷却、筛分即得成品。
4.根据权利要求3所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，计量搅拌过程中加入水，水量是粉煤灰、炉渣、膨润土总重的5-10％。
5.根据权利要求3所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，水的总用量是粉煤灰、炉渣、膨润土总重的15-25％。
6.根据权利要求3所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，造粒成球过程中烘干温度为120-140℃。
7.根据权利要求3所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，造粒成球过程中烘干至含水率降至2％以下。
8.根据权利要求3所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，高温焙烧过程中焙烧制度具体为：以10℃/min的速度使料球由烘干温度升至低恒温区间350-450℃，在低恒温区恒温15-30min；以10℃/min的速度使料球升至中恒温区间620-750℃，在中恒温区恒温15-30min；以8℃/min使料球升至高恒温区间1130-1220℃，在高温恒温区恒温20-30min；以5℃/min的速度使温度降到500℃以下。
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