CN111517752B

CN111517752B - 固硫灰陶粒及其制备方法

Info

Publication number: CN111517752B
Application number: CN202010350946.6A
Authority: CN
Inventors: 贾冠华; 杨凤玲; 程芳琴; 张培华
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: CN111517752A

Abstract

本发明属于烧结固废建筑材料领域，具体涉及固硫灰陶粒及其制备方法，按以下原材料质量份数比和工艺制备而成：固硫灰9～59份，污泥20～66份，岩浆土8～33份，珍珠岩尾矿粉4～10份；铝灰1～4份；石灰石粉1～4份；玻璃粉2～8份；磷酸盐胶黏剂4份。首先对污泥进行脱水至含水率17％～56％，采用余热对固硫灰、铝灰烘干，并按质量比混合所有粉料并喷混磷酸盐胶粘剂获得湿混料，然后陈化、真空练泥挤出造粒、烘干陶粒坯料，最后焙烧和筛分获得固硫灰陶粒。本发明充分利用固硫灰的高温烧结特性，提高固硫灰的资源化利用率，实现多固体废弃物协同处置。制备的固硫灰陶粒可广泛应用于建筑材料。

Description

固硫灰陶粒及其制备方法

技术领域

本发明属于烧结固废建筑材料领域，具体涉及固硫灰陶粒及其制备方法。

背景技术

目前我国因流化床燃烧技术产生的固硫灰渣每年在8000万吨左右。固硫灰渣与普通燃煤电厂产生的粉煤灰和炉渣相比在化学成分和微观形貌上有本质区别。固硫灰渣富含钙质固硫组分f-CaO和CaSO₄，使得固硫灰渣具自硬性和膨胀性能，应用于水泥基材料容易引起开裂；固硫灰渣的疏松多孔微观结构和高含碳量，导致用于水泥基材料中需水量增大，从而降低材料强度，同时降低了水泥基材料中外加剂的使用性能。由于上述原因，固硫灰渣难以应用于水泥和水泥基材料，从而使其资源化大宗利用受到限制。

但是，固硫灰所富含的CaCO₃、CaSO₄、C等在高温煅烧时产生的气体是良好的发泡剂，残余碳燃烧过程中产生的热量可以进一步节约烧结能源投入，而所含的其他化学成分如f-CaO、FeO、Fe₂O₃、MgO、TiO₂可以作为陶粒烧结过程中的助熔剂，进一步降低固硫灰的烧结温度，因此用固硫灰研制烧胀制品和制备烧结多孔材料具有先天优势，可以实现固硫灰的高效、大掺量利用。

此外，市政污水处理厂产生的污泥总量以每年10％的速度增长。污泥成分复杂，含有大量有机污染物、重金属及病原菌等，若不加以安全处置，对土壤、河流甚至人体会产生长期的、潜在的安全隐患。此外，污水厂污泥含水率高达85％以上，完全干化时间长、成本高，这也为污泥的资源化利用带来了阻碍。

但是，也正是由于污泥中含有有机质，用于陶粒的制备不仅提供了烧结能源，而且由于有机物高温分解产气，有利于烧结制品内部形成多孔结构，可减少发泡剂的使用。而且如将污泥中的水分脱至合理含水率，还可以替代陶粒成型所用的水。因此，利用污泥制备陶粒可以不用成型用水，减少燃料投入，而且更容易获得多孔烧胀陶粒，从而实现城市污泥资源化和减量化发展。

陶粒是指通过焙烧工艺获得具有一定性能的陶质颗粒的统称。专利申请《一种以高钙固硫灰为原料制备陶粒支撑剂的方法》(申请号201910640146.5)公开了一种利用高钙固硫灰制备陶粒支撑剂的方法。该发明为使制备的陶粒压裂支撑剂具有较高的强度和高压下较低的破碎率，采用1200℃～1300℃烧结1.5h～2.5h的烧结工艺，但是制备的陶粒压裂支撑剂出现体积收缩3％～8％，并且烧结过程中陶粒发生干燥收缩和烧结粘连现象。1200℃～1300℃烧结1.5h～2.5h，较高的烧结温度和较长的烧结时间耗费了大量能源，而陶粒支撑剂的体积收缩和烧结粘连也显著降低了陶粒支撑剂的成品率。陶粒支撑剂作为石油开采行业的专用材料，由于高密度、低孔隙率、高成本使其无法在建筑材料中使用。

发明内容

本发明目的是提供一种固硫灰污泥陶粒及其制备方法，该方法充分利用固硫灰、城市污泥自身的特点，通过合理的原材料配比、制备工艺和烧结温度，制备得到轻质高强的烧胀多孔陶粒，可广泛应用于建筑材料。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种固硫灰陶粒，以固硫灰、污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉、磷酸盐胶粘剂为原料，按以下重量份数烧制而成：固硫灰9～59份，污泥20～66份，岩浆土8～33份，珍珠岩尾矿粉4～10份；铝灰1～4份；石灰石粉1～4份；玻璃粉2～8份；磷酸盐胶粘剂4份。上述技术方案除了磷酸盐胶黏剂之外，其余全部为固体废弃物，尤其是固硫灰的利用率最高达到59％，总固体废弃物掺加量达到96％，显著提高了固体废弃物的资源化利用率。固硫灰化学成分特点是SiO₂含量偏低，Al₂O₃和CaO等碱金属含量偏高，导致单独采用固硫灰制备质量较高的陶粒具有困难，通过本发明上述配方以及在分析各固体废弃物的化学成分的基础上，经过合理优化原材料配比，将固硫灰陶粒的原材料中硅铝氧化物SiO₂、Al₂O₃和碱金属氧化物助熔成分F＝Σ(Fe₂O₃+CaO+MgO+K₂O+Na₂O)分别控制在合理的范围(SiO₂占比约40％～54％，Al₂O₃占比约20％～27.2％，碱金属氧化物助熔成分F占比约21％～24.2％)，能够获得高质量的固硫灰陶粒，对固硫灰资源化利用具有很重要意义。

进一步，一种固硫灰陶粒以固硫灰、污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉、磷酸盐胶粘剂为原料，按以下重量份数烧制而成：固硫灰44份，污泥25份，岩浆土8份，珍珠岩尾矿粉7份；铝灰4份；石灰石粉4份；玻璃粉3份；磷酸盐胶粘剂4份。通过合理优化各原材料配方，原材料中的SiO₂占比约40％，Al₂O₃占比约27.2％，碱金属氧化物助熔成分Σ(Fe₂O₃+CaO+MgO+K₂O+Na₂O)占比约24.2％，在此基础上通过合理的烧结制度能够获得轻质高强的固硫灰陶粒，其性能指标达到《轻集料及其试验方法(第1部分)：轻集料》(GB/T17431.1-2010)规定的800级高强轻集料的要求，具有良好的性能指标。

进一步，所述固硫灰可由磨细过40目筛的固硫渣部分或全部替换；所述污泥为城市污水处理厂污泥经脱水或干化处理后得到的含水率为17％～56％的脱水污泥；所述铝灰可由二次铝灰替换；所述磷酸盐胶粘剂为磷酸铝胶粘剂、磷酸镁胶粘剂、磷酸铝铬胶粘剂中的一种，且其固含量为20％，pH＝6～7。

固硫灰和固硫渣作为循环流化床锅炉的同期固废产物，磨细的固硫渣与固硫灰具有相似的化学成分组成，利用固硫渣替代固硫灰提高了固废资源化利用率；

污泥资源化利用的最大瓶颈是含水率过高，污泥的干化和脱水成为污泥利用的最大障碍，本发明免去了污泥完全干化所需要的设备和能源投入，充分利用污泥自身的含水量作为混料用水，既节省了水资源，又提高了污泥的利用率；

二次铝灰作为铝灰再次提铝之后的固废产物，具有和铝灰相近的化学成分，将其物尽所用，显著提高铝业固废产物的利用率；

磷酸盐类胶黏剂的共同特点是具有良好的高温粘结性能，掺加适量固含量的磷酸盐胶黏剂在成本可控的情况下，可以提高陶粒坯料的强度，显著减少高温500℃以上烧制过程中陶粒的破损率，增加陶粒的成品率。

进一步，所述污泥为城市污水处理厂污泥经脱水或干化处理后得到的含水率为46％的脱水污泥；城市污泥含水率约85％，脱水至46％时显著降低了污泥的脱水率，在此条件下，污泥在本发明配方中重量份数达到25，显著提高了城市污泥的资源化利用率。

固硫灰陶粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用自然干化、机械脱水、热泵低温干化相结合的工艺对污水处理厂出厂的污泥进行脱水处理，获得脱水污泥；

步骤2，采用经回收的烧制陶粒过程中产生的余热对固硫灰、铝灰进行烘干；

步骤3，将步骤1获得的脱水污泥和步骤2烘干后的固硫灰、铝灰，与岩浆土、珍珠岩尾矿粉、石灰石粉、玻璃粉按上述质量份数强制搅拌，在强制搅拌过程中，将磷酸盐胶粘剂均匀喷入，与固硫灰、脱水污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉均匀混合，获得湿混料；

步骤4，将步骤3获得的湿混料陈化，然后喂入真空练泥挤出机，真空挤出泥条，并将泥条切割为圆柱状陶粒坯料或将步骤3获得的湿混料陈化，然后喂入圆盘造粒机或对辊造粒机获得球形陶粒坯料；

步骤5，将步骤4获得的陶粒坯料输送至陶粒烘干机中利用经回收的烧制陶粒过程中产生的余热烘干；

步骤6，将步骤5获得的烘干陶粒坯料输送至回转窑进行烧结，在回转窑预热带预热，然后进入煅烧带烧结，然后进入冷却带冷却，然后进入冷却窑，最后经筛分获得固硫灰陶粒。

进一步，所述步骤3中强制搅拌在混料搅拌机中，且混料搅拌机中设有液体原料喷嘴。采用设有液体原料喷嘴的的混料搅拌机，可以通过喷嘴雾化磷酸盐胶黏剂，是磷酸盐胶黏剂与粉料混合更加均匀，可以缩短后续陶粒湿混料的陈化时间，提高陶粒坯料的制备效率和成球强度。

进一步，所述步骤4中陈化的时间为24～72h，泥条的直径为4～20mm，将泥条切割为按长度与直径比为0.8～1.2的比例切割，如采用圆盘造粒机或对辊造粒机造粒，获得的球形陶粒坯料直径为4～20mm。合理且充足的陈化时间可以提高湿混料的混合均匀性，同时提高陶粒坯料的强度，对提高最终制备的陶粒成品的综合性能具有显著影响；陶粒合理的粒径范围是作为轻骨料应用于建筑材料的基本条件，而合理的泥条直径以及长度和直径比直接决定烧成陶粒的粒径范围，因此通过合理控制泥条直径和长径比可提高陶粒的成品率和在建材中的利用率。

进一步，所述步骤5中烘干至陶粒坯料含水率≤5％。烘干陶粒坯料可避免烧制过程中陶粒开裂或爆裂，提高成品率，提高烧成后陶粒的强度，降低陶粒的吸水率。

再进一步，所述步骤6中预热的温度为500℃～600℃，预热的时间为20min；烧结的温度为1100℃～1200℃，烧结的时间为20min；冷却至400℃～500℃。合理的升温降温曲线和烧结温度是影响陶粒烧结过程和烧成陶粒综合物理力学性能的主要因素，设置合理的预热温度可避免陶粒烧结过程中因温度不均匀而产生微裂缝而降低强度。在本发明的配方基础上，烧结的温度1100℃～1200℃，烧结的时间20min是较为合理的烧结温度和烧结时间，能够使陶粒具有良好的烧胀性能，获得良好性能的陶粒。

更进一步，所述步骤6中烧结的温度为1200℃。对应该原材料重量份数配比：固硫灰44份，污泥25份，岩浆土8份，珍珠岩尾矿粉7份；铝灰4份；石灰石粉4份；玻璃粉3份；磷酸盐胶粘剂4份，在1200℃条件下，可获得轻质高强的800级高强轻集料。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

第一、充分利用固硫灰中富含的CaCO₃、CaSO₄、f-CaO、以及残余碳等在高温煅烧时所起到的发泡剂、助熔剂和内燃料功能，在少用高温发泡剂和助熔剂时，就可实现较低烧结温度下即可获得低密度、高强度的多孔烧胀陶粒，这为电厂固硫灰的大众资源化利用提供了一条有效途径。

第二、结合城市污泥高有机物含量所带来的高温发泡剂功能和内燃料功能，进一步减少了固硫灰陶粒烧制工艺中的能源、高温发泡剂的投入，降低了烧结温度，提高陶粒的孔隙率，为城市污泥的资源化、减量化和固废协同处置提供一条有效途径。

第三、充分利用城市污泥的高含水率特点，将污泥脱水至合理的含水率，避免污泥完全干化所带来的时间和能源浪费，免去陶粒坯料成型时必须的水，进一步降低污泥资源化利用的成本，降低陶粒生产造价。

第四、本发明所用的原材料除固硫灰、城市污泥为固体废弃物之外，岩浆土、珍珠岩尾矿砂、铝灰、石灰石粉、玻璃粉也是矿业生产过程产生的固体废弃物。岩浆土、珍珠岩尾矿砂、铝灰、石灰石粉、玻璃粉的合理掺加，显著提高陶粒的强度、烧胀性和多孔性。本发明为多种固体废弃物的协同处置提供一条有效途径。

附图说明

图1为固硫灰陶粒制备工艺流程。

具体实施方式

下面结合表1对本发明的具体实施例进行详细说明。

表1列出了本发明的五个具体实施例，根据表1中的原材料配比和制备工艺参数，按照附图1所示的固硫灰陶粒制备工艺流程制备陶粒。

固硫灰陶粒的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用自然干化、机械脱水、热泵低温干化相结合的工艺对污水处理厂出厂的污泥进行脱水处理，使污泥脱水后的含水率降至表1中各实施例对应的脱水后含水率；

步骤3，将步骤1获得的脱水污泥和步骤2烘干后的固硫灰、铝灰，与岩浆土、珍珠岩尾矿粉、石灰石粉、玻璃粉按表1所述的原材料质量份数在混料搅拌机中强制搅拌，混料搅拌机设有液体原料喷嘴，在强制搅拌过程中，将磷酸盐胶粘剂按表1所述的原材料质量份数均匀喷入，与固硫灰、脱水污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉均匀混合，获得湿混料；

步骤4，将步骤3获得的湿混料陈化24h，然后喂入真空练泥挤出机，真空挤出直径为4～20mm泥条，并将泥条按长度与直径比为0.8～1.2的比例切割为圆柱状陶粒胚料；

步骤5，将步骤4获得的圆柱状陶粒坯料输送至陶粒烘干机中利用经回收的烧制陶粒过程中产生的余热烘干圆柱状陶粒坯料至含水率≤5％；

步骤6，将步骤5获得的烘干圆柱状陶粒坯料输送至回转窑进行烧结，在回转窑预热带按照表1所示的各实施例对应的预热温度预热20min，然后进入煅烧带按照表1所示的各实施例对应的烧结温度烧结20min，然后进入冷却带冷却至按照表1所示的各实施例对应的冷却温度，然后进入冷却窑，最后经筛分获得粒径为4～20mm的固硫灰陶粒。

表1各实施例对应的原材料配比和制备工艺参数

各实施例对应的固硫灰陶粒的性能见表2。根据国家标准《轻集料及其试验方法(第1部分)：轻集料》(GB/T 17431.1-2010)(表3)，实施例2、实施例3和实施例5满足规范中规定的900级人造轻集料的性能指标要求，实施例1满足800级高强轻集料的要求，实施例4满足900级高强轻集料的要求。并且对于实施例1由此可见本发明制备的固硫灰陶粒具有轻质高强的特点。

表2各实施例对应的固硫灰陶粒的性能指标

表3《轻集料及其试验方法(第1部分)：轻集料》(GB/T 17431.1-2010)指标要求

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。

Claims

1.固硫灰陶粒，其特征在于，以固硫灰、污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉、磷酸盐胶粘剂为原料，按以下重量份数烧制而成：固硫灰9~59份，污泥20~66份，岩浆土8~33份，珍珠岩尾矿粉4~10份；铝灰1~4份；石灰石粉1~4份；玻璃粉2~8份；磷酸盐胶粘剂4份；所述磷酸盐胶粘剂为磷酸铝胶粘剂、磷酸镁胶粘剂、磷酸铝铬胶粘剂中的一种，且其固含量为20%，pH=6~7；所述污泥为城市污水处理厂污泥经脱水或干化处理后得到的含水率为17%~56%的脱水污泥。

2.根据权利要求1所述的固硫灰陶粒，其特征在于，以固硫灰、污泥、岩浆土、珍珠岩尾矿粉、铝灰、石灰石粉、玻璃粉、磷酸盐胶粘剂为原料，按以下重量份数烧制而成：固硫灰44份，污泥25份，岩浆土8份，珍珠岩尾矿粉7份；铝灰4份；石灰石粉4份；玻璃粉3份；磷酸盐胶粘剂4份。

3.根据权利要求1所述的固硫灰陶粒，其特征在于，所述固硫灰可由磨细过40目筛的固硫渣部分或全部替换；所述铝灰可由二次铝灰替换。

4.根据权利要求1所述的固硫灰陶粒，其特征在于，所述污泥为城市污水处理厂污泥经脱水或干化处理后得到的含水率为46%的脱水污泥。

5.如权利要求1所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤3中强制搅拌在混料搅拌机中，且混料搅拌机中设有液体原料喷嘴。

7.根据权利要求5所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中陈化的时间为24~72h，泥条的直径为4~20mm，将泥条切割为按长度与直径比为0.8~1.2的比例切割，圆盘造粒机或对辊造粒机获得的球形陶粒坯料直径为4~20mm。

8.根据权利要求5所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤5中烘干至陶粒坯料含水率≤5%。

9.根据权利要求5所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤6中预热的温度为500℃~600℃，预热的时间为20min；烧结的温度为1100℃~1200℃，烧结的时间为20min；冷却至400℃~500℃。

10.根据权利要求9所述的固硫灰陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤6中烧结的温度为1200℃。