CN111559878A - 一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料及其制备方法 - Google Patents

一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料，包括胶凝材料和铁尾砂，所述胶凝材料和铁尾砂的质量比为1:4；所述胶凝材料按重量份数计包括以下原料：矿渣20‑90份，流化床垃圾焚烧飞灰5‑60份，脱硫石膏6‑15份。该胶结填充料可满足充填采空区的高要求的抗压强度(4～5Mpa)，可用于采矿充填料，其充填性能(流变、流动度、凝结时间)在同等配比下优于水泥，是水泥的良好替代品；经长期养护后，多种重金属离子和易溶盐浸出浓度低于地下Ⅲ类水质标准。该胶结填充料利用了流化床垃圾焚烧飞灰和矿渣等废料，不仅实现了垃圾处理的环保目的，同时也降低胶结充填采矿技术的成本，实现以废治废和绿色充填的双赢。

Description

一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料及其制备方法
技术领域
本发明涉及胶结充填采矿领域，具体涉及一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料及其制备方法。
背景技术
在采矿工业中，为了达到安全、环保和充分回收不可再生资源的目标，要求采空区被及时有效充填，通过充填体对围岩提供整体支护，控制地压活动，为回采矿石提供工作面，因此，充填采矿法正越来越受到国内外采矿界的重视和推广。
胶结充填是充填采矿法的核心，胶结充填法一般采用以碎石、河砂、尾砂或戈壁集料为骨料(间或掺入块石)，与水泥或石灰类胶结材料经拌和形成浆体或膏体，以管道泵送或重力自流方式输送到充填区充填。与水砂充填相比，胶结充填的充填料强度大，充填速度快，充填量大，工艺简单。随着材料科学的发展，目前胶结材料类型、品种多样，已发展了例如尾砂胶结充填、块石胶结充填、膏体泵送充填等包含多种胶结材料的充填方法。
作为一种有潜力重新进行利用的废料，城市垃圾焚烧飞灰的处置及资源化利用近年来得到了研究和应用，将垃圾焚烧飞灰用于胶结充填技术既可以降低充填成本，又有利于废物的处理和利用。然而，城市垃圾焚烧飞灰中的主要成分有二噁英、可溶性盐和重金属等物质，这些有害物质都制约了飞灰的资源化利用。
因此，本领域技术人员有动机寻找一种低成本、安全、高效处置工业废弃物及垃圾焚烧飞灰的胶结充填方法，以实现垃圾处理的环保目的，同时也降低胶结充填采矿技术的成本，实现以废治废和绿色充填的双赢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料及其制备方法，所述胶结填充料掺杂了流化床垃圾焚烧飞灰，可满足充填采空区的较高要求抗压强度(4～5Mpa)，可用于采矿充填料，是水泥的良好替代品；经长期养护后，多种重金属离子和易溶盐(Cl-、SO4 2-)浸出浓度低于地下Ⅲ类水质标准，浸出风险在可控范围内。
为此，本发明的第一方面，提供了一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料，包括胶凝材料和铁尾砂，所述胶凝材料和铁尾砂的质量比为1:4；
所述胶凝材料按重量份数计包括以下原料：矿渣20-90份，流化床垃圾焚烧飞灰5-60份，脱硫石膏6-15份。
进一步，所述胶凝材料按重量份数计包括以下原料：矿渣65-70份，流化床垃圾焚烧飞灰5-20份，脱硫石膏10-12份。
进一步，所述流化床垃圾焚烧飞灰，按重量份数计包括以下组分：CaO 25-30份，Cl3-5份，SiO2 25-30份，Al2O3 15-18份，K2O 2-5份，MgO 3-5份，Na2O2-4份，Fe2O3 5-8份，SO35-8份，P2O5 2-4份。
进一步，所述矿渣为水淬高炉矿渣，按重量份数计包括以下组分：CaO 40-45份，SiO2 26-28份，Al2O3 14-16份，MgO 9-11份，Fe2O3 1-2份，SO3 2-4份。
进一步，所述脱硫石膏，按重量份数计包括以下组分：CaO 45-50份，SiO22-3份，Al2O3 0-1份，MgO 1-2份，SO3 40-45份，Cl 0-1份。
进一步，所述矿渣的比表面积＞500m2/kg。
进一步，所述脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg。
进一步，所述铁尾砂，按重量份数计包括以下组分：SiO2 50-60份，CaO 10-15份，Al2O3 8-10份，Fe2O3 8-10份，MgO 4-6份，Na2O 2-4份，SO3 1-3份，K2O1-2份，SiO2 0-1份，P2O5 0-1份。
本发明的第二方面，提供所述胶结填充料的制备方法，包括：
按重量份数称取各原料，按照浆料浓度为80-85％，将所有原料与水混合均匀，即得所述胶结填充料。
进一步，所述制备方法还包括，在称取原料之前，对各原料进行烘干。
进一步，所述制备方法还包括，对矿渣和脱硫石膏分别进行粉磨，使所述矿渣的比表面积＞500m2/kg，所述脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg。
通过粉磨，可提高原料的表面积，一方面可以激发矿渣和石膏的活性，降低水化难度，另一方面提高材料的均匀性。
本发明的第三方面，提供了所述胶结填充料在胶结充填采矿方面的应用。
发明人深耕本领域，随着近几年循环流化床锅炉技术在我国迅速发展起来，发明人敏锐地发现流化床垃圾焚烧飞灰中的氯、硫含量较低，二噁英类物质的排放浓度远低于国家污染物排放限值。利用冶金渣协同固化流化床垃圾焚烧飞灰用于胶结充填采矿技术，不仅可为垃圾焚烧飞灰的处理提供新的契机，同时也可显著降低胶结充填采矿技术的成本，实现以废治废和绿色充填的双赢。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的胶结填充料采用流化床垃圾焚烧飞灰作为原料之一，流化床垃圾焚烧技术的烟气排放性能好，可遏制二噁英生成，并可保证NOx、硫化物及酸性气体的排放符合环保要求；飞灰中氯、硫含量均低于其他焚烧处理技术产生的飞灰。本发明实现了垃圾焚烧飞灰的协同资源化利用，同时安全有效地利用了有色金属冶炼过程中产生的冶炼渣，有利于高重金属危废的资源化综合利用和安全处置。
(2)本发明提供的胶结填充料具有良好的充填性能，包括流变性能、凝结时间、流动度、较高的抗压强度，其抗压强度可满足充填采空区的抗压强度(1Mpa)，可用于采矿充填料，是水泥的良好替代品。
(3)本发明提供的胶结填充料具有优良的浸出安全性，经长期养护后，多种重金属离子和易溶盐(Cl-、SO4 2-)浸出浓度低于地下Ⅲ类水质标准。
(4)本发明提供的胶结填充料成本低廉、制备方法简便，实用性强，具有良好的工程化应用前景。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品，下文对所用的部分原料的化学成分分析如下：
流化床垃圾焚烧飞灰、水淬高炉矿渣、脱硫石膏、P·O 42.5水泥、铁尾砂的化学组成见表1所示，其检测方法为X射线荧光光谱分析(XRF)，采用XRF-1800型X射线荧光光谱仪测定次级X射线进行物质成分分析。
表1原料分析
Figure BDA0002484028950000031
Figure BDA0002484028950000041
流化床垃圾焚烧飞灰的重金属离子和易溶盐(Cl-、SO4 2-)浸出浓度如表2所示，流化床垃圾焚烧飞灰原料的浸出液中大部分重金属的浸出浓度都较低，但重金属Cr、As和Cu和易溶盐(Cl-、SO4 2-)的浸出浓度均超过地下Ⅲ类水质标准。
表2流化床垃圾焚烧飞灰重金属和易溶盐浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0002484028950000042
实施例1
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣83份，流化床垃圾焚烧飞灰5份，脱硫石膏12份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例2
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣68份，流化床垃圾焚烧飞灰20份，脱硫石膏12份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例3
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣48份，流化床垃圾焚烧飞灰40份，脱硫石膏12份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例4
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣28份，流化床垃圾焚烧飞灰60份，脱硫石膏12份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例5
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣74份，流化床垃圾焚烧飞灰20份，脱硫石膏6份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例6
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣72份，流化床垃圾焚烧飞灰20份，脱硫石膏8份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例7
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣72份，流化床垃圾焚烧飞灰18份，脱硫石膏10份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
实施例8
一种胶结填充料，按质量份数计包括以下原料：
水淬高炉矿渣72份，流化床垃圾焚烧飞灰20份，脱硫石膏14份，铁尾砂424份。
该胶结填充料的制备方法包括：
将所需原料烘干，按以上重量份数分别称取各原料；对矿渣和脱硫石膏进行粉磨，使矿渣的比表面积＞500m2/kg，脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到胶结填充料。
对比例1
一种填充料，按质量份数计包括以下原料：
P·O 42.5水泥100份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
按以上重量份数分别称取各原料；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到填充料。
对比例2
一种填充料，按质量份数计包括以下原料：
P·O 42.5水泥80份，流化床垃圾焚烧飞灰20份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
按以上重量份数分别称取各原料；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到填充料。
对比例3
一种填充料，按质量份数计包括以下原料：
P·O 42.5水泥60份，流化床垃圾焚烧飞灰40份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
按以上重量份数分别称取各原料；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到填充料。
对比例4
一种填充料，按质量份数计包括以下原料：
P·O 42.5水泥40份，流化床垃圾焚烧飞灰60份，铁尾砂400份。
该胶结填充料的制备方法包括：
按以上重量份数分别称取各原料；按照浆料浓度为82％，将所有原料与水混合均匀，即制备得到填充料。
实验例
取实施例1-8、对比例1-4制备得到的填充料新鲜浆料，测试其流动度、凝结时间、流变性能，其中实施例1-4和对比例1-4的测试结果如表3所示；根据GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》分别制备充填料试样，试样尺寸40mm×40mm×160mm，在温度为35℃，湿度95％以上的标准条件进行养护，根据GB/T 5486测得砂浆试块在不同养护龄期的抗压强度，测试结果如表4所示；将养护不同龄期的试块进行水平震荡毒性浸出实验，测得主要重金属和易溶盐(Cl-、SO4 2-)浸出量，测试结果如表5、6所示。
表3充填料浆不同时间流动度、凝结时间、流变性能
Figure BDA0002484028950000071
Figure BDA0002484028950000081
表4充填试块抗压强度(Mpa)
Figure BDA0002484028950000082
表5实施例1-8充填试块不同龄期重金属和易溶盐浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0002484028950000083
Figure BDA0002484028950000091
注：ND表示低于仪器检出限。
表6对比例1-4充填试块不同龄期重金属和易溶盐浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0002484028950000092
Figure BDA0002484028950000101
注：ND表示低于仪器检出限。
本发明提供的胶结填充料具有良好的充填性能，包括流变性能、凝结时间、流动度、较高的抗压强度(尤其是最优的实施例2的胶结填充料，具有意料不到的高抗压强度25.36Mpa)，可用于采空区不同强度要求的地方(保证自行设备正常行走的充填体表层强度为1～2Mpa，充填体作为人工底柱和人工顶板的强度为4～5Mpa)。此外，本发明提供的胶结填充料还具有优良的浸出安全性，重金属离子和易溶盐(Cl-和SO4 2-)的浸出浓度均低于饮用水卫生标准，同时满足与地下水III类标准。
本发明提供的胶结填充料在流变性能、凝结时间、流动度和重金属、易溶盐浸出浓度方面均优于纯水泥基体系(对比例1-4)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种含流化床垃圾焚烧飞灰的胶结填充料，其特征在于，所述胶结填充料包括胶凝材料和铁尾砂，所述胶凝材料和铁尾砂的质量比为1:4；
所述胶凝材料按重量份数计包括以下原料：矿渣20-90份，流化床垃圾焚烧飞灰5-60份，脱硫石膏6-15份。
2.如权利要求1所述的胶结填充料，其特征在于，所述胶凝材料按重量份数计包括以下原料：矿渣65-70份，流化床垃圾焚烧飞灰5-20份，脱硫石膏10-12份。
3.如权利要求1所述的胶结填充料，其特征在于，所述流化床垃圾焚烧飞灰，按重量份数计包括以下组分：CaO 25-30份，Cl 3-5份，SiO2 25-30份，Al2O315-18份，K2O 2-5份，MgO3-5份，Na2O 2-4份，Fe2O3 5-8份，SO3 5-8份，P2O5 2-4份。
4.如权利要求1所述的胶结填充料，其特征在于，所述矿渣为水淬高炉矿渣，按重量份数计包括以下组分：CaO 40-45份，SiO2 26-28份，Al2O3 14-16份，MgO 9-11份，Fe2O3 1-2份，SO3 2-4份；
优选地，所述矿渣的比表面积＞500m2/kg。
5.如权利要求1所述的胶结填充料，其特征在于，所述脱硫石膏按重量份数计包括以下组分：CaO 45-50份，SiO2 2-3份，Al2O3 0-1份，MgO 1-2份，SO340-45份，Cl 0-1份；
优选地，所述脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg。
6.如权利要求1所述的胶结填充料，其特征在于，所述铁尾砂按重量份数计包括以下组分：SiO2 50-60份，CaO 10-15份，Al2O3 8-10份，Fe2O3 8-10份，MgO 4-6份，Na2O 2-4份，SO31-3份，K2O 1-2份，SiO2 0-1份，P2O5 0-1份。
7.权利要求1-6任一项所述的胶结填充料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
按重量份数称取各原料，按照浆料浓度为80-85％，将所有原料与水混合均匀，即得所述胶结填充料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括，在称取原料之前，对各原料进行烘干。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括，对矿渣和脱硫石膏分别进行粉磨，使所述矿渣的比表面积＞500m2/kg，所述脱硫石膏的比表面积＞400m2/kg。
10.权利要求1-6任一项所述的胶结填充料在胶结充填采矿方面的应用。
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