CN111875274A - 制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒 - Google Patents

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江尧
金政伟
井云环
杨磊
王儒洋
齐志丽
苏万里
范佳明
李晓雅
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    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Abstract

本发明涉及煤化工行业固废资源化利用技术领域和建筑材料领域，具体涉及一种制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒，该方法包括以下步骤：(1)将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥进行混合、造粒；(2)将步骤(1)得到的固体产物进行任选地第二干燥，再进行焙烧，得到陶粒；以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34‑54重量％，气化滤饼的用量为36‑64重量％，水处理软化污泥的用量为2‑10重量％。该陶粒既具有很好的表观密度、筒压强度、吸水率的性能，又能使得气化灰渣的使用量得到提高，实现了充分利用废料的目的。

Description

制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒
技术领域
本发明涉及煤化工行业固废资源化利用技术领域和建筑材料领域，具体涉及一种制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒。
背景技术
我国目前的资源状况决定了以煤炭为主体的一次能源消费结构，在相当长的一段时间内不会改变。随着我国经济发展模式逐渐向高质量发展阶段转变，煤炭清洁利用技术得到快速发展，煤气化技术是煤炭清洁利用的主要途径之一。
气流床气化技术是煤粉与气化介质同时进入气化炉，在高温条件下反应生成合成气或煤气的过程。气化反应过程中，煤炭中的矿物质在高温条件下呈现熔融态，生成气化灰渣，一部分经过激冷后排出气化炉得到气化渣；另一部分被粗合成气带出，由后续洗涤和过滤系统处理后形成气化滤饼。气化渣主要成分为玻璃态硅铝酸盐和少量未燃尽的残炭，气化滤饼中除了含有玻璃态硅铝酸盐外还含有较多未燃尽的残炭。目前，气化灰渣作为一般工业固废，主要采用堆存、填埋的处置方法，不仅占用了大量土地资源，还造成了固废资源的浪费和对环境的污染。
软化污泥是在水处理过程中，由高效沉淀池产生的污泥经过脱水后形成。主要含有碳酸钙、氢氧化镁、过量的石灰以及水中的不溶物沉淀。含水率在65％-90％，多采用填埋的方式处理。
陶粒，一般是以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰、垃圾等为主要原料，经过加工制造而成。陶粒表面呈现釉质或者陶质，内部具有蜂窝状的发达孔隙，这一独特的结构，赋予陶粒低密度、高强度、保温、隔热的特点。陶粒作为一种人造轻集料，因其独特的优异性能，已被广泛应用于建筑、水处理、园林等行业。
CN106396729A公开一种采用煤泥制备轻质陶粒滤料的方法，该方法为：一、对煤泥的灰分含量进行检测，选择灰分含量为55％-65％的煤泥，进入下一步；二、破碎、粉磨和过筛，得到煤泥原料；步骤三、对煤泥原料的灰成分进行分析，判断是否需要向煤泥原料中添加SiO2、Fe2O3、Al2O3、K2O和Na2O；四、煤泥原料加入圆盘成球机中制备陶粒生料球；五、在空气中风干24h；六、置于烘箱中烘干；七、置于马弗炉中预热和烧结处理，自然冷却得到轻质陶粒滤料。
CN104774023A公开一种利用粉煤灰和气化渣制备的轻质陶粒及其制法和应用。所述轻质陶粒采用含有下述组分的原料制成：基料100重量份：包括粉煤灰40-90重量份，气化渣10-30重量份，钾长石0-20重量份和钠长石0-20重量份；和外加助剂0-4重量份：所述外加助剂选自半焦和碳化硅的一种或两种。
虽然现有技术中有将气化渣进行回收利用的技术，但是大多将气化渣作为辅助原料进行少量掺配，一般低于30重量份，无法实现将气化灰渣进行充分回收利用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中大多将气化渣作为辅助原料进行少量掺配，一般低于30重量份，无法实现将气化灰渣进行充分回收利用的缺陷，提供一种制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒，该陶粒既具有很好的表观密度、筒压强度、吸水率的性能，又能使得气化灰渣的使用量得到提高，实现了充分利用废料的目的。
本发明的发明人在研究过程中发现，通过采用含有特定含量的煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的原料能够制备得到密度和强度均符合国标的陶粒，且发现所采用的水处理软化污泥的含量为2-10重量％时，能够降低煤气化渣含量较高情况下的焙烧温度，从而使得能够采用以煤气化渣为主要原料用于制备陶粒，同时实现了对煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥三种废料的充分利用。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种制备陶粒的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥进行混合、造粒；
(2)将步骤(1)得到的固体产物进行任选地第二干燥，再进行焙烧，得到陶粒；
以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-54重量％，气化滤饼的用量为36-64重量％，水处理软化污泥的用量为2-10重量％。
本发明第二方面提供前述第一方面所述的方法制备得到的陶粒。
优选地，所述陶粒的表观密度为600-850kg/m3、筒压强度为6-10MPa、吸水率为≤10％。
与现有技术相比，本发明实现了以煤气化渣和气化滤饼为主要原料、水处理软化污泥为辅助原料制备陶粒，既保证了陶粒的高强度、低密度、多孔隙的性能，又通过采用少量水处理软化污泥而使得陶粒的焙烧温度有效降低，节约能源，减少了煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥直接填埋处理带来的资源浪费和环境危害，使得在节能、环保的同时能够制得低密度、吸水率低、高强度的陶粒，可作为轻集料用于建筑材料。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明第一方面提供一种制备陶粒的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥进行混合、造粒；
(2)将步骤(1)得到的固体产物进行任选地第二干燥，再进行焙烧，得到陶粒；
以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-54重量％，气化滤饼的用量为36-64重量％，水处理软化污泥的用量为2-10重量％。
优选情况下，以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-48重量％，气化滤饼的用量为42-61重量％，水处理软化污泥的用量为5-10重量％。
本发明中，通过上述方法制备得到的陶粒为高强度陶粒，所述高强度陶粒是指筒压强度≥4MPa的陶粒。
本发明对所述混合、造粒、第二干燥和焙烧的设备没有限制，可以为现有的任何具有相应功能的设备，例如混合设备可以采用三维混料机，造粒设备可以采用圆盘造粒机，焙烧设备可以采用高温马弗炉，第二干燥设备可以采用鼓风干燥箱。
本发明对所述煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥可选范围较宽，优选为煤化工行业产生的煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥。
根据本发明，优选地，所述煤气化渣的灰成分含有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，所述SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和为≥82重量％。本发明中，所述煤气化渣的灰成分是指煤气化渣完全燃烧后的固态残留物的组成。本发明对该煤气化渣的灰成分中上述各氧化物成分的各自含量没有限定，只要满足煤气化渣的灰成分中SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和在上述范围内即可，满足上述各氧化物的含量之和在上述范围内的煤气化渣都能实现本发明的技术效果。
根据本发明，优选地，所述气化滤饼的灰成分含有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，所述SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和为≥86重量％，且所述气化滤饼的残炭含量≥10重量％、更优选为≥15重量％。本发明中，所述气化滤饼的灰成分是指气化滤饼完全燃烧后的固态残留物的组成。本发明对该气化滤饼中上述各氧化物成分的各自含量没有限定，只要满足SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和在上述范围内即可，只要满足上述各氧化物的含量之和在上述范围内且残炭含量在上述相应范围内的气化滤饼都能实现本发明的技术效果。
根据本发明，优选地，所述水处理软化污泥含有碳酸钙、氢氧化镁和石灰，所述碳酸钙、氢氧化镁和石灰的含量之和为≥80重量％。本发明对该水处理软化污泥中上述各成分的各自含量没有限定，只要满足碳酸钙、氢氧化镁和石灰的含量之和在上述范围内即可，满足上述三种成分的含量之和在上述范围内的水处理软化污泥都能实现本发明的技术效果。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(1)还包括：在进行所述混合、造粒之前，将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥分别进行第一干燥以及任选地破碎。本发明中，所述第一干燥的设备与前述第二干燥的设备可选范围相同，在此不再赘述。
优选地，经所述第一干燥后，得到的煤气化渣含水量≤5重量％，气化滤饼含水量≤5重量％，水处理软化污泥含水量≤5重量％。采用本发明的优选方案更利于所述造粒过程，而当各自的含水量大于5重量％时，不利于破碎和均匀混合。
根据本发明，优选地，破碎后得到的煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的粒度均小于100目，更利于原料充分混合，发挥水处理软化污泥对陶粒焙烧温度的调节作用。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(1)所述造粒过程中加入水，所述水的用量为造粒用物料的5-16重量％。本发明中，此处的造粒用物料是指造粒过程中所加入的物料，该物料可以为含有煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的原料本身，也可以为含有煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的原料在造粒前经相应处理后得到的产物。本发明对所述造粒过程中加入水的方式没有限制，优选为采用喷淋的方式加入水。本发明中，所述造粒后得到产物的粒径优选为8-15mm。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(1)还包括：在进行所述造粒之后，进行陈化。采用本发明的优选方案，能够使均匀混合后的原料被水充分湿润，发挥气化滤饼和水处理软化污泥的胶凝特性，利于陶粒成型和提高陶粒生料球的强度。
优选地，所述陈化的条件包括：陈化时间为3-6h。
根据本发明，优选地，所述陈化在无加热条件下(即室温下)进行。本发明对所述室温的具体温度没有限制，本领域技术人员可以根据实际需求自由选择，例如室温可以为(20-40)℃±5℃。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(2)所述焙烧的条件包括：焙烧温度为1150-1300℃，焙烧时间为10-25min。采用本发明的优选方案，既能节约能源，又能制得密度和强度均符合国标要求的陶粒。而现有技术中，不采用水处理软化污泥，仅采用煤气化渣时，对于提高煤气化渣含量的方案中焙烧温度一般在1350℃以上，才能使原料中的硅铝酸盐生成玻璃态物质；且在提高煤气化渣含量后制得的陶粒的性能不能满足高强度陶粒的国标要求，即筒压强度低于4MPa。
本发明对所述焙烧的升温速率没有限制，优选地，所述焙烧的升温速率为5-15℃/min。
优选地，步骤(2)包括：在进行所述焙烧之前，进行预热处理，使得陶粒生料球内部的水分缓慢蒸发，防止直接高温焙烧，水迅速气化使陶粒产生裂纹，降低陶粒强度。
本发明对所述预热处理的条件可选范围较宽，只要利于提高陶粒的性能即可；优选地，所述预热处理的条件包括：预热温度为400-550℃，预热时间为30-60min。本发明对所述预热处理的升温速率没有限制，优选地，所述预热处理的升温速率为2-10℃/min。
在本发明的一种优选实施方式中，步骤(2)中将所述步骤(1)得到的固体产物先进行第二干燥，再进行焙烧，所述第二干燥的条件包括：干燥温度为60-105℃，干燥时间为2-5h。
根据本发明提供的一种优选实施方式，如图1所示，所述制备陶粒的方法包括以下步骤：
(1)将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥各自独立地依次进行第一干燥、破碎，再根据用量要求计量依次进行混合、造粒、陈化；
以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-54重量％，气化滤饼的用量为36-64重量％，水处理软化污泥的用量为2-10重量％；
经所述第一干燥后，得到的煤气化渣含水量≤5重量％，气化滤饼含水量≤5重量％，水处理软化污泥含水量≤5重量％；所述破碎后得到的煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的粒度均小于100目；
在所述造粒过程中加入水，所述水的用量为造粒用物料的5-16重量％；
所述陈化的条件包括：室温下，陈化时间为3-6h；
(2)将步骤(1)得到的固体产物进行任选地第二干燥，再依次进行预热处理、焙烧，得到陶粒；
所述预热处理的条件包括：预热温度为400-550℃，预热时间为30-60min；所述焙烧的条件包括：焙烧温度为1150-1300℃，焙烧时间为10-25min。
本发明中，对所述破碎的方式没有限制，可以采用现有的任何破碎方式，优选为研磨破碎。
与现有技术相比，本发明的方法能够充分利用废料煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥，制备得到的陶粒性能优异，可用于建筑材料，拓宽了气流床煤气化渣的多元化利用途径，且提高了煤气化渣的利用率，减少了煤气化渣和水处理软化污泥直接填埋处理带来的资源浪费和环境危害，具有良好的社会效益和经济效益。
如前所述，本发明第二方面提供前述第一方面所述的方法制备得到的陶粒。
本发明中，优选地，所述陶粒的表观密度为600-900kg/m3、筒压强度为4-10MPa、吸水率为≤10％。
更优选地，所述陶粒的表观密度为600-850kg/m3、筒压强度为6-10MPa、吸水率为≤10％。
本发明中，所述表观密度、筒压强度、吸水率按照GB/T17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料试验方法》检测得到。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，所涉及原料除另有说明外，均为市售品；
其中，煤气化渣和气化滤饼均取自国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，所述煤气化渣和气化滤饼的灰成分、残炭含量如下表1所示；
所述水处理软化污泥取自国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，所述水处理软化污泥中，碳酸钙、氢氧化镁和石灰的含量之和为85重量％；所述水处理软化污泥的干基烧失量LOI为55.2重量％。
以下实施例中，所述表观密度、筒压强度、吸水率按照GB/T17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料试验方法》测试得到。所述灰成分通过X射线荧光光谱(XRF)测定得到；残炭含量通过工业分析仪测试得到。
以下实施例中，所述室温为25℃±5℃。
以下实施例中，除另有说明外，所述原料中(即未经第一干燥处理的原料)煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为100重量份。
表1
Figure BDA0002587641420000091
实施例1
本实施例用于说明本发明制备陶粒的方法及制得的陶粒。
(1)根据用量要求计量，将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥分别依次进行第一干燥，第一干燥使得各原料的含水量≤5重量％，再破碎至小于100目，然后依次进行混合、造粒、室温下陈化，在所述造粒过程中加入水，造粒得到的颗粒产物的粒径在8-15mm之间；
(2)将步骤(1)得到的固体产物于105℃下进行第二干燥4h，再以5℃/min的升温速率升温至预热温度进行预热处理，然后以10℃/min的速度升温至焙烧温度进行焙烧，焙烧结束后，自然冷却，得到陶粒。
本实施例中所涉及的原料的用量以及工艺参数如表2所示。
对所述制得的陶粒的表观密度、筒压强度、吸水率进行检测，结果如表2所示。
对比例1
按照实施例1的方法进行，并进行相应测试，不同的是，不加入气化滤饼和水处理软化污泥，如表2所示。
对比例2
按照实施例1的方法进行，并进行相应测试，不同的是，不加入水处理软化污泥，如表2所示。
实施例2-5
按照实施例1的方法进行，并进行相应测试，不同的是，采用表2所示的相应含量的原料和相应工艺参数，其他与实施例1相同。
对比例3
按照实施例1的方法进行，并进行相应测试，不同的是，所采用的原料与实施例1不同，即原料为：煤气化渣70重量％，气化滤饼30重量％，如表2所示。
表2
Figure BDA0002587641420000101
Figure BDA0002587641420000111
注：所述造粒中加入的水的用量是指，相对于100重量份造粒用物料，所述水的重量份
通过表2的结果可以看出，采用本发明的实施例制得的陶粒的性能符合国标，且在所制得的陶粒具有低表观密度和低吸水率的基础上，还符合国标的筒压强度。
而且，通过实施例1和对比例1-2的对比，可以看出，当采用较高含量的煤气化渣时，仅当含有特定含量的水处理软化污泥的方案，才能达到本发明的效果，即使得制备的陶粒具有低密度、高强度、低吸水率的性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备陶粒的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥进行混合、造粒；
(2)将步骤(1)得到的固体产物进行任选地第二干燥，再进行焙烧，得到陶粒；
以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-54重量％，气化滤饼的用量为36-64重量％，水处理软化污泥的用量为2-10重量％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的总量为基准，所述煤气化渣的用量为34-48重量％，气化滤饼的用量为42-61重量％，水处理软化污泥的用量为5-10重量％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述煤气化渣的灰成分含有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，所述SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和为≥82重量％；
优选地，所述气化滤饼的残炭含量≥10重量％、更优选为≥15重量％，所述气化滤饼的灰成分含有SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，所述SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的含量之和为≥86重量％；
优选地，所述水处理软化污泥含有碳酸钙、氢氧化镁和石灰，所述碳酸钙、氢氧化镁和石灰的含量之和为≥80重量％。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，步骤(1)还包括：在进行所述混合、造粒之前，将煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥分别进行第一干燥以及任选地破碎；
优选地，经所述第一干燥后，得到的煤气化渣含水量≤5重量％，气化滤饼含水量≤5重量％，水处理软化污泥含水量≤5重量％；
优选地，破碎后得到的煤气化渣、气化滤饼和水处理软化污泥的粒度均小于100目。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，步骤(1)所述造粒过程中加入水，所述水的用量为造粒用物料的5-16重量％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，步骤(1)还包括：在进行所述造粒之后，进行陈化；
优选地，所述陈化的条件包括：陈化时间为3-6h；
优选地，所述陈化在无加热条件下进行。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)所述焙烧的条件包括：焙烧温度为1150-1300℃，焙烧时间为10-25min；
优选地，步骤(2)包括：在进行所述焙烧之前，进行预热处理；
优选地，所述预热处理的条件包括：预热温度为400-550℃，预热时间为30-60min。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中将所述步骤(1)得到的固体产物先进行第二干燥，再进行焙烧，所述第二干燥的条件包括：干燥温度为60-105℃，干燥时间为2-5h。
9.权利要求1-8中任意一项所述方法制备得到的陶粒。
10.根据权利要求9所述的陶粒，其中，所述陶粒的表观密度为600-900kg/m3、筒压强度为4-10MPa、吸水率为≤10％。
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