CN111847938A - 利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，以有机固废厌氧消化后产生的固体残余物沼渣为原材料，利用其水热炭化后得到的炭材料制备陶粒，并固定沼渣中重金属的方法，具体方法涉及环保材料加工领域。沼渣热解得到的水热炭具有较少的体积、水和有机污染物，在焙烧过程中可以大幅度减少气态污染物的产生，降低陶粒制备过程中的环境风险。利用煤矸石、粉煤灰替代黏土、页岩粉等作为制陶原料中的粘结剂，可减少陶粒制备过程中对自然环境的破坏，具有节能环保的特点。此方法生产出的陶粒具有质地轻、强度高的特点，同时对沼渣中定存的重金属有着较好的固定效果，在实际应用中可以作为制备建筑用混凝土中的轻质骨料。

Description

利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法
技术领域
本发明涉及一种可固定沼渣中重金属的水热炭陶粒制备方法，属于环保材料加工领域。
背景技术
沼渣是有机固废经过多次厌氧发酵过程后，在发酵罐底部残留的固液混合态物质，除了未经氧化分解的原料固形物外，沼渣中还包含着微生物菌落，以及病原菌、重金属等有毒有害物质。
目前，对于沼渣较为成熟的利用方式是处理后用作有机肥，在畜禽养殖业中还可以用作饲料添加剂，这些方式会通过食物链最终影响人类的食品安全，带来健康问题，因此应谨慎使用沼渣作为有机肥和饲料原料，判断出其重金属、病原微生物及其它有毒物质含量是否是在允许使用的安全范围内。如何解决有机固体废弃物厌氧发酵后残余沼渣的消纳方式及资源利用问题值得关注，迫切需要新的思路来解决由沼渣引起的环境污染问题。
水热炭化法(HTC，Hydrothermal carbonization)是一种在密闭容器中，以生物质材料为原料，以水为反应过程中的介质，在150-375℃下，伴随着一定的自生压力合成富碳产物的过程。与传统的热解法制炭不同，水热法制炭的反应温度较低，反应过程不会受到原料中水分含量和炭含量的限制，反应过程耗能小，释放出的CO2量低，是一种高效的生物质氧化处理方法。通过对沼渣进行水热炭化处理，可以去除沼渣原料中的一些有毒有机物，防止其在烧结过程中逸出，对大气环境造成二噁英、多环芳烃等污染。另外，在实际应用中，通过对一些含水率较高、有强烈异味的沼渣进行水热处理，可以大幅度降低其体积，减少运输成本。
陶粒以黏土、页岩等为主要生产原料，经过加工研磨成颗粒状或球状，然后在高温下烧结而制成的人造轻骨料。陶粒的外观通常呈现为红褐色，表面覆盖着一层可以隔水保气的釉质层，内部具有封闭的微孔结构。因而陶粒具有强度高、容重低、耐化学腐蚀等优异性能，有着高孔隙度、良好的抗冻性，可以广泛地应用于园林、建筑等领域的特点。
近年来，由于自然资源的短缺和固体废弃物的大量产生，学术界和产业界逐步研究开发了利用多种固体废物制备陶粒的烧结工艺。利用沼渣制备陶粒也已有一定的研究，例如在2014年王宝根公告了一种利用沼渣生产陶粒的方法，但此方法中制陶原料以页岩粉为主，沼渣仅占4％～10％。而且，它的工艺流程中忽略了在高温焙烧过程中沼渣内的有毒有机物的挥发逸出所带来的环境风险。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，在将沼渣制备陶粒之前，对其进行水热炭化处理，沼渣热解得到的水热炭具有较少的体积、水和有机污染物，在焙烧过程中会大幅度减少气态污染物，同时，沼渣水热后矿物相成分主要是CaO，MgO，SiO2，Al2O3等，它们在陶粒材料的生产过程中起着重要作用。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
通过利用沼渣、煤矸石、粉煤灰作为主要生产原料，这些工业废物便于获取，生产成本低，煤矸石作为煤炭固体废物可以代替粘土作为粘结剂，减少环境破坏，加入生石灰对粉料调质，降低其熔点，并加入膨胀剂便于调节膨胀系数，使用干燥—预热—膨胀—成型的焙烧工艺，使球粒生料能够均匀膨胀，分子反应缓慢而稳定，提高陶粒的孔隙率，使得其更轻质，强度高，品质好。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备沼渣水热炭：
将原始沼渣置于烘箱中干燥脱水，再经过破碎、粉磨过筛过程后，得到预处理后的沼渣；
然后将预处理后的沼渣置于水热反应釜中，将预处理后的沼渣与水混合后，通入至少15min氮气，以除去空气，形成厌氧反应环境；将水热反应釜密闭后置于烘箱中，进行水热炭化反应，待水热反应结束后，在水热反应釜冷却至室温后，取出产物，经洗涤后，烘干，得到沼渣水热炭，备用；
步骤二：制备陶粒：
①配料成球：将在所述步骤一中制备的沼渣水热炭与煤矸石、粉煤灰、辅助成型材料硅石、成孔剂碳酸氢钠进行混合，加入助溶剂，并加入水后进行拌匀，用成球盘或手动挤压造粒，烘干后，得到陶粒球坯体；
②烧结：将在所述步骤①中所得到的陶粒球坯体置于高温炉中，在300-500℃预热不少于10min，再升温至1050-1150℃进行焙烧保持温度处理10-20min，然后冷却后，得到陶粒成品。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤一中，所述原始沼渣来自于有机质废物厌氧发酵的残余物，所述原始沼渣含水率为48～70％。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤一中，进行水热反应的反应物中的沼渣与水混匀的重量比例为1:4，水热炭化反应的温度为200-240℃，水热时间至少为4h。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤一中，将所述沼渣烘干脱水后破碎、粉磨过200目筛，该步骤主要目的是将沼渣与原料中的废渣分开，便于后续处理。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤二中，所述助溶剂采用生石灰，沼渣水热炭、煤矸石、粉煤灰的混合料与所述生石灰的质量比设置为80:1。本发明的辅助成型材料使用硅石，成孔剂使用碳酸氢钠，助溶剂具体为生石灰，并通选择较佳的生石灰与沼渣水热炭、煤矸石、粉煤灰混合料的质量比，制备陶粒球坯体，保证质量。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤二中，所述陶粒球坯体原料中以重量份计各组分为：沼渣水热炭20份，煤矸石不大于20份，粉煤灰不大于20份，硅石2份，成孔剂碳酸氢钠4份。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤二中，制备所述陶粒球坯体时，控制烘干温度为90-105℃，烘干时间不少于2h，所制备的球体生料颗粒大小为10-15mm。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤二中，进行配料时，按照如下主要物料成分配比进行配料：Al2O3：16-21％、SiO2:35-45％、CaO：5-15％、C：15-25％；物料成分配比通过改变煤矸石与粉煤灰的添加量进行调配。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明环保型陶粒及其制备方法，能够大规模利用厌氧消化残余沼渣，降低其环境风险；通过对沼渣进行水热炭化处理，能去除沼渣原料中的一些有毒有机物，防止其在陶粒烧结过程中逸出，对大气环境造成二噁英、多环芳烃等污染；
2.本发明通过将其制备为具有环境稳定的陶粒，可有效固定沼渣原料中的重金属，防止陶粒在使用过程中重金属浸出带来的环境风险；本发明方法能很大程度得提升沼渣的资源化效率和经济效益，能够解决沼渣的资源化问题，同时，产出的沼渣可以作为建筑用混凝土中的轻质骨料，变废为宝；
3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1是本发明利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备沼渣水热炭：
将原始沼渣置于烘箱中干燥脱水，再经过破碎、粉磨过200目筛后，得到预处理后的沼渣；该步骤主要目的是将沼渣与原料中的废渣分开，便于后续处理；
然后将预处理后的沼渣置于水热反应釜中，将预处理后的沼渣与水混合后，通入15min氮气，以除去空气，形成厌氧反应环境；将水热反应釜密闭后置于烘箱中，进行水热炭化反应，待水热反应结束后，在水热反应釜冷却至室温后，取出产物，经洗涤后，烘干，得到沼渣水热炭，备用；进行水热反应的反应物中的沼渣与水混匀的重量比例为1:4，水热炭化反应的温度为200℃，水热时间为4h；
步骤二：制备陶粒：
①配料成球：将在所述步骤一中制备的沼渣水热炭与煤矸石、粉煤灰、辅助成型材料硅石、成孔剂碳酸氢钠进行混合，加入助溶剂生石灰，并加入水后进行拌匀，待其含水率在30％时，用成球盘或手动挤压造粒，90℃烘干2h后，得到陶粒球坯体，所制备的球体生料颗粒大小为10-15mm；所述助溶剂采用生石灰，沼渣水热炭、煤矸石、粉煤灰的混合料与所述生石灰的质量比设置为80:1；
②烧结：将在所述步骤①中所得到的陶粒球坯体置于高温炉中，在300℃预热10min，再升温至1050℃进行焙烧保持温度处理20min，然后冷却后，得到陶粒成品。
在本实施例中，上述陶粒，制备成分中，包括以重量份计各组分为：沼渣水热炭40-43％，粉煤灰0-42％，煤矸石0-42％，辅助成型剂3-4.3％，成孔剂1.5-2％，助溶剂6-8％。在本实施例中，上述辅助成型材料使用硅石，成孔剂使用碳酸氢钠，助溶剂具体为生石灰，促进制陶原料产生胶结。上述陶粒，为了使其具有更好的物理特性，物料配比需满足主要成分范围为：Al2O3：16-21％、SiO2:35-45％、CaO：5-15％和C：15-25％，该比例可以通过改变煤矸石与粉煤灰的添加量来调配。上述原料中，生石灰能够起到粘结成型的作用，有助于陶粒球坯料的制作。碳酸氢钠高温下会分解产生二氧化碳，二氧化碳的释放可以使得陶粒陶粒膨胀，形成质地轻的陶粒。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备沼渣水热炭：
将原始沼渣置于烘箱中干燥脱水，再经过破碎、粉磨过200目筛后，得到预处理后的沼渣；该步骤主要目的是将沼渣与原料中的废渣分开，便于后续处理；
然后将预处理后的沼渣置于水热反应釜中，将4g预处理后的沼渣与16mL水混合后，通入15min氮气，以除去空气，形成厌氧反应环境；将水热反应釜密闭后置于烘箱中，进行240℃水热炭化反应4h，待水热反应结束后，在水热反应釜冷却至室温后，取出产物，经洗涤后，105℃烘干2h，得到沼渣水热炭，备用；
步骤二：制备陶粒：
①配料成球：将在所述步骤一中制备的沼渣水热炭与煤矸石、粉煤灰、辅助成型材料硅石、成孔剂碳酸氢钠进行混合，加入助溶剂生石灰，并加入水后进行拌匀，待其含水率在30％时，用成球盘或手动挤压造粒，105℃烘干2h后，得到陶粒球坯体，所制备的球体生料颗粒大小为10-15mm；所述助溶剂采用生石灰，沼渣水热炭、煤矸石、粉煤灰的混合料与所述生石灰的质量比设置为80:1；
②烧结：将在所述步骤①中所得到的陶粒球坯体置于高温炉中，在400℃预热10min，再升温至1150℃进行焙烧保持温度处理15min，然后冷却后，得到陶粒成品。
表1.原料中沼渣、煤矸石与粉煤灰的主要成分表
Figure BDA0002570556730000051
上述陶粒，为了使其具有更好的物理特性，物料配比需满足主要成分范围比例可以通过改变煤矸石与粉煤灰的添加量来调配。
实验测试分析：
将本实施例制备的陶粒成品作为试验样品，进行性质检验，经测试，陶粒的堆积密度为745.2kg/m3，1h吸水率为3.21％，抗压强度为9.76MPa，符合标GB/T 17431.1-2010中对于轻质骨料的要求。
经测试，本实施例制备的陶粒中的Cu元素浸出浓度为4.81mg/L,Zn元素浸出浓度为7.36mg/L，Pb元素浸出浓度为0.28mg/L,Cr元素浸出浓度为0.01mg/L,As元素浸出浓度为0.07mg/L,均满足GB 5085.3-2007中对于危险废物重金属浸出浓度的要求。
从本实施例中看出，所述沼渣水热炭陶粒具有较好的物理特性，同时可以有效固定沼渣原料中的重金属元素，能够解决沼渣利用的问题。
本发明上述实施例以有机固废厌氧消化后产生的固体残余物沼渣为原材料，利用其水热炭化后得到的炭材料制备陶粒，并固定沼渣中重金属的方法，具体方法涉及环保材料加工领域。沼渣热解得到的水热炭具有较少的体积、水和有机污染物，在焙烧过程中可以大幅度减少气态污染物的产生，降低陶粒制备过程中的环境风险。利用煤矸石、粉煤灰替代黏土、页岩粉等作为制陶原料中的粘结剂，可以减少陶粒制备过程中对自然环境的破坏，具有节能环保的特点。此方法生产出的陶粒具有质地轻、强度高的特点，同时对沼渣中定存的重金属有着较好的固定效果，在实际应用中可以作为制备建筑用混凝土中的轻质骨料。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备沼渣水热炭：
将原始沼渣置于烘箱中干燥脱水，再经过破碎、粉磨过筛过程后，得到预处理后的沼渣；
然后将预处理后的沼渣置于水热反应釜中，将预处理后的沼渣与水混合后，通入至少15min氮气，以除去空气，形成厌氧反应环境；将水热反应釜密闭后置于烘箱中，进行水热炭化反应，待水热反应结束后，在水热反应釜冷却至室温后，取出产物，经洗涤后，烘干，得到沼渣水热炭，备用；
步骤二：制备陶粒：
①配料成球：将在所述步骤一中制备的沼渣水热炭与煤矸石、粉煤灰、辅助成型材料硅石、成孔剂碳酸氢钠进行混合，加入助溶剂，并加入水后进行拌匀，用成球盘或手动挤压造粒，烘干后，得到陶粒球坯体；
②烧结：将在所述步骤①中所得到的陶粒球坯体置于高温炉中，在300-500℃预热不少于10min，再升温至1050-1150℃进行焙烧保持温度处理10-20min，然后冷却后，得到陶粒成品。
2.根据权利要求1所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述原始沼渣来自于有机质废物厌氧发酵的残余物，所述原始沼渣含水率为48～70％。
3.根据权利要求1所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，在所述步骤一中，进行水热反应的反应物中的沼渣与水混匀的重量比例为1:4，水热炭化反应的温度为200-240℃，水热时间至少为4h。
4.根据权利要求1所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述助溶剂采用生石灰，沼渣水热炭、煤矸石、粉煤灰的混合料与所述生石灰的质量比设置为80:1。
5.根据权利要求1所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述陶粒球坯体原料中以重量份计各组分为：沼渣水热炭20份，煤矸石不大于20份，粉煤灰不大于20份，硅石2份，成孔剂碳酸氢钠4份。
6.根据权利要求5所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，在所述步骤二中，制备所述陶粒球坯体时，控制烘干温度为90-105℃，烘干时间不少于2h，所制备的球体生料颗粒大小为10-15mm。
7.根据权利要求5所述利用沼渣水热炭生产环保型陶粒的方法，其特征在于，在所述步骤二中，进行配料时，按照如下主要物料成分配比进行配料：Al2O3：16-21％、SiO2:35-45％、CaO：5-15％、C：15-25％；物料成分配比通过改变煤矸石与粉煤灰的添加量进行调配。
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