CN113620630B - 一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固体废弃物资源化利用与废水处理技术领域，公开了一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，包括：将生活垃圾焚烧炉渣进行高温加热和低温回火处理，得到第一固体物料；将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡，继而滤干、烘干获得第二固体物料；将所述第二固体物料在设定温度，设定湿度，设定CO2浓度氛围中碳化养护，得到建筑集料。本发明提供的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法能够高效回收和再利用生活垃圾焚烧炉渣、搅拌站混凝土废水和温室气体CO2，还利用废弃物特有的物理和化学性质，通过改性处理制备新型优质建筑集料，降低产生耐久性缺陷和结构性缺陷的风险。

Description

一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化利用与废水处理技术领域，特别涉及一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法。
背景技术
生活垃圾焚烧炉渣是生活垃圾焚烧的产物，占垃圾总重量的20～30％，垃圾焚烧炉渣的年产量巨大，对其进行资源再利用是无害化处理的重要方式，但是实际再利用情况不理想。生活垃圾焚烧炉渣内部重金属含量低，重金属浸出毒性远低于国家标准，重金属元素在自然条件下较为稳定，同时，生活垃圾焚烧炉渣中的溶解盐含量较低，有机物含量相对较少，无放射性危害，在资源利用时对环境的干扰较小，不会对环境造成较大危害，因此生活垃圾焚烧炉渣作为一般固体废弃物进行资源再利用处理。
但是，生活垃圾焚烧炉渣中含有一定的废旧金属，如废钢铁和铝等，废钢铁类材料对建筑物的耐久性有不利影响；铝与酸性和碱性液体接触时都会产生氢气，在生活垃圾焚烧炉渣资源化利用过程中，会发生膨胀，对结构造成不良影响。生活垃圾焚烧炉渣中也含有较高含量的玻璃渣，玻璃渣具有尖锐的棱角，很容易对人体造成意外伤害。混凝土搅拌站在对混凝土生产后进行运送的泵车、搅拌机、运输货物车辆以及相关的机器设备经过冲洗时，所产生的液态废弃物称为搅拌站混凝土废水，普通搅拌站排放的废水都是万吨级，易造成土壤的碱化，和水体污染。
发明内容
本发明提供一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，旨在一定程度上解决现有技术中生活垃圾焚烧炉渣作为建筑集料再利用易产生耐久性缺陷和结构性缺陷，以及安全风险高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，包括：
将生活垃圾焚烧炉渣进行高温加热和低温回火处理，得到第一固体物料；
将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡，继而滤干、烘干获得第二固体物料；
将所述第二固体物料在设定温度，设定湿度，设定CO2浓度氛围中碳化养护，得到建筑集料。
进一步地，所述生活垃圾焚烧炉渣在进行高温加热和低温回火处理前，先过20mm筛。
进一步地，所述将生活垃圾焚烧炉渣进行高温加热和低温回火处理，得到第一固体物料包括：
将所述生活垃圾焚烧炉渣置于加热设备内，以速率10～30℃/min升温至680～750℃，并保温1～2h，而后将所述生活垃圾焚烧炉渣取出并于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温；
将冷却至常温的所述生活垃圾焚烧炉渣以速率10～30℃/min升温至180～220℃低温回火，并保温1～2h，而后将所述生活垃圾焚烧炉渣置于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温，并烘干得到第一固体物料。
进一步地，所述加热设备为马弗炉。
进一步地，所述将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡包括：
将搅拌站混凝土废水置于底部装有磁铁的塑料盒中，将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中密封水浴，以110±10次/min的振动频率往复式振荡。
进一步地，所述水浴的温度范围40～45℃。
进一步地，所述往复式振荡的时间为7～9天。
进一步地，所述第一固体物料和搅拌站混凝土废水的固液比为1:5～1:10。
进一步地，所述设定温度的范围为40～60℃，所述设定湿度的范围为40～60％，所述设定CO2浓度的范围为50～70％。
进一步地，所述碳化养护的持续时间在2～5天。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，通过高温加热和低温回火处理生活垃圾焚烧炉渣，大幅度提高生活垃圾焚烧炉渣中玻璃的硬度、强度及去除玻璃尖锐的棱角，以满足集料使用的安全性和可靠性；同时，有效提高生活垃圾焚烧炉渣中硅、铝质组分的活性，而后利用搅拌站混凝土废水中高含量的钙离子和氢氧根离子与生活垃圾焚烧炉渣中具有活性的硅、铝质组分发生化学反应生成水硬性凝胶，从而提高颗粒强度，抑制耐久性缺陷和结构性缺陷；在碳化养护条件下，松散的粒状C-S-H和富集在骨料截面的Ca(OH)2与CO2发生反应，生成碳酸盐，产生强度、减小孔隙，进一步提高固体物料的物理和力学性能。综上所述，本发明利用废弃物特有的物理和化学性质，通过改性处理获得优质综合物理和力学性能的集料，具有很好的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
下面结合附图并参考具体实施例描述本申请。
本申请实施例通过提供一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，旨在一定程度上解决现有技术中生活垃圾焚烧炉渣作为建筑集料再利用易产生耐久性缺陷和结构性缺陷，以及安全风险高的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，包括：
将生活垃圾焚烧炉渣进行高温加热和低温回火处理，得到第一固体物料；
将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡，继而滤干、烘干获得第二固体物料；
将所述第二固体物料在设定温度，设定湿度，设定CO2浓度氛围中碳化养护，得到建筑集料。
进一步地，所述生活垃圾焚烧炉渣在进行高温加热和低温回火处理前，先过20mm筛。其中，使用小于20mm的生活垃圾焚烧炉渣的目的主要是，首先目前国内建筑工程施工混凝土的砂石最大粒径多为20mm，其次，生活垃圾焚烧炉渣小于5mm的部分以熔渣为主，5～20mm之间以熔渣、石块和玻璃等为主，20mm以上以陶瓷、砖块和金属为主，经筛分剔除金属杂质，既可以达到回收废旧钢铁类材料的目的，又能防止废旧钢铁类材料与环境中的有害介质作用产生不可避免的铁锈膨胀从而破坏混凝土结构的体积稳定性，另外，经筛分剔除的大粒径陶瓷和砖块可以经过破碎处理加以利用。
进一步地，所述将生活垃圾焚烧炉渣进行高温加热和低温回火处理，得到第一固体物料包括：
将所述生活垃圾焚烧炉渣置于加热设备内，以速率10～30℃/min升温至680～750℃，并保温1～2h，而后将所述生活垃圾焚烧炉渣取出并于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温。高温加热温度控制在680～750℃，恒温时间控制在1～2h，恒温之后急速冷却，提高生活垃圾焚烧炉渣中玻璃的硬度、强度及去除玻璃尖锐的棱角，以满足集料使用的安全性和可靠性。避免，加热温度过高容造成玻璃在炉膛里面炸炉，或者加热温度过低导致玻璃内层的残余应力不能完全松弛，影响急速冷却后应力的重新均匀分布。另一方面，使生活垃圾焚烧炉渣中的金属铝与炉膛内空气中的氧气反应，生成氧化铝；同时，通过高温加热和急速冷却使生活垃圾焚烧炉渣中未完全活化的硅、铝组分化学键变得不稳定，从而提高活性。
将冷却至常温的所述生活垃圾焚烧炉渣以速率10～30℃/min升温至180～220℃低温回火，并保温1～2h，对生活垃圾焚烧炉渣中的玻璃进行均质处理，降低其内应力，过高或过低的回火温度对力学性能都不利。升温速率控制在10～30℃/min范围目的是为了缩短升温时间，过慢会增加能耗，过快会引起安全事故。
而后将所述生活垃圾焚烧炉渣置于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温，并烘干得到第一固体物料。搅拌机混凝土废水中含有大量的钙离子、氢氧根离子、钾离子等，这些离子能与所述第一固体物料中的活性氧化硅、氧化铝等物质发生反应形成水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙等水硬性凝胶，提高搅拌站混凝土废水洗涤后固体物料尤其是其中粉体的强度，搅拌站混凝土废水洗涤还可以将重金属离子以氢氧化物沉淀形式去除。原理如下：
SiO2+mH2O+xCa(OH)2→xCaO·SiO2·nH2O
Al2O3+aH2O+yCa(OH)2→yCaO·Al2O3·bH2O
3Ca(OH)2+Al2O3+SiO2→3CaO·Al2O3·2SiO2·nH2O
Mx++xOH-→M(OH)x
进一步地，所述加热设备为马弗炉，通过坩埚承载所述生活垃圾焚烧炉渣。
进一步地，所述将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡包括：
将搅拌站混凝土废水置于底部装有磁铁的塑料盒中，将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中密封水浴，以110±10次/min的振动频率往复式振荡。控制所述第一固体物料和搅拌站混凝土废水的固液比为1:5～1:10，固液比太低会造成处理的固体含量少、产率低，固液比太高，搅拌站混凝土废水提供的离子不够用，不利于与所述第一固体物料活性组分的反应；在塑料容器的底部放置一块磁铁的目的是将碎铁屑从第一固体物料中分离；振动频率为110±10次/min，振动频率太低不利于固体和液体物料的均匀混合，振动频率太高增加能源消耗；水浴温度为40～45℃，往复式振荡7～9d，水浴温度过低，反应的速度就很慢，反应进行不充分，反应周期就更长，温度过高、往复式振荡时间过长，一是会导致反应产物C-S-H的分解，二是维持高温加热时间过长，能源消耗过大。
进一步地，所述设定温度的范围为40～60℃，所述设定湿度的范围为40～60％，所述设定CO2浓度的范围为50～70％。所述碳化养护的持续时间在2～5天。
碳化养护可以回收利用温室气体CO2，同时减少集料内部孔隙、提高集料的物理性能和力学性能。具体地，经搅拌站混凝土废水处理之后，固体物料含有很多松散的粒状C-S-H并且固体物料截面富集很多Ca(OH)2，碳化养护有利于减小固体物料界面区孔径，进一步增强固体物料的力学性能，碳化养护时发生的化学反应方程式如下：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
xCaO·SiO2·nH2O+(x-m)CO2→CmSHn+(x-m)CaCO3
C-S-H+CO2→CaCO3+SiO2·nH2O
碳化温度范围在40～60℃，温度过低将导致化学反应速度过慢，温度过高将导致CO2溶解度下降，使碳化速度下降；碳化湿度范围在40～60％，湿度较低时，碳化反应所需水分不足，碳化速度较慢，湿度过大时，固体物料含水率较高，CO2不易渗入，因此碳化速度也较慢；CO2浓度范围在50～70％，CO2浓度过低碳化速度过慢，浓度过高，CO2利用率难以提高，易造成浪费；碳化时间在2～5d是实践中在所述碳化温度、湿度和浓度范围下的适宜碳化周期。
下面将通过具体的实施例加以说明。
实施例一
本实施例提供了一种新型优质集料的制备方法，包括以下步骤：
S01、使用振动筛将生活垃圾焚烧炉渣原样过20mm的筛，使用颚式破碎机将大于20mm的生活垃圾焚烧炉渣原样(剔除金属杂质之后)破碎，取出破碎后的集料混合到小于20mm的生活垃圾焚烧炉渣原样中，获得本说明所述小于20mm的生活垃圾焚烧炉渣。
S02、将所述小于20mm的生活垃圾焚烧炉渣置于坩埚中，并将坩埚置于马弗炉炉膛内，由室温以速率10～30℃/min升温至680～750℃，保温1～2h之后，将生活垃圾焚烧炉渣从炉膛内立即取出在搅拌站混凝土废水中极冷至常温，继而滤干。
S03、将滤渣继续以速率10～30℃/min升温至180～220℃低温回火，保温1～2h之后再一次置于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温，将滤渣烘干获得第一固体物料。
S04、控制所述第一固体物料和搅拌站混凝土废水的固液比为1:5～1:10，将搅拌站混凝土废水倒入底部装有大面积磁铁的塑料盒中，将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中密封，以110±10次/min的振动频率在40～45℃的水浴温度下往复式振荡7～9d，继而滤干、烘干获得第二固体物料；
S05、将所述第二固体物料在养护温度(40±1)℃、相对湿度(40±5)％、CO2浓度(50±5)％的条件下进行碳化养护，养护到了5d取出。
实施例二
作为本发明的又一实施例，与实施例一不同的是，在本实施例的步骤S05中养护温度为(40±1)℃、相对湿度为(40±5)％、CO2浓度为(70±5)％，养护时间为5d。
实施例三
作为本发明的又一实施例，与实施例一不同的是，在本实施例的步骤S05中养护温度为(60±1)℃、相对湿度为(60±5)％、CO2浓度为(50±5)％，养护时间为2d。
实施例四
作为本发明的又一实施例，与实施例一不同的是，在本实施例的步骤S05中养护温度为(60±1)℃、相对湿度为(60±5)％、CO2浓度为(70±5)％，养护时间为2d。
根据《建筑用砂》(GB/T 14684-2011)和《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)中的相应试验方法测试本发明实施例中集料的表观相对密度、坚固性指标、压碎指标和碱集料反应，试验结果如表1所示：
表1集料的基本性能试验结果
Figure BDA0003167528900000091
Figure BDA0003167528900000101
由表1可见，本发明实施例中集料的表观相对密度均大于2500kg/m3，符合建筑用砂和建筑用碎石的表观相对密度要求；坚固性技术指标优良；集料压碎值较高，这是由于生活垃圾焚烧炉渣集料中含有易碎的砖块、陶瓷等物质所致；碱集料反应膨胀均小于0.1％，这是由于玻璃占生活垃圾焚烧炉渣总含量比重依然较低。综合以上基本性能，本发明实施例中集料属于第Ⅱ类建设用砂、碎石，可用于强度等级C30～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，通过高温加热和低温回火处理生活垃圾焚烧炉渣，大幅度提高生活垃圾焚烧炉渣中玻璃的硬度、强度及去除玻璃尖锐的棱角，以满足集料使用的安全性和可靠性；同时，有效提高生活垃圾焚烧炉渣中硅、铝质组分的活性，而后利用搅拌站混凝土废水中高含量的钙离子和氢氧根离子与生活垃圾焚烧炉渣中具有活性的硅、铝质组分发生化学反应生成水硬性凝胶，从而提高颗粒强度，抑制耐久性缺陷和结构性缺陷；在碳化养护条件下，松散的粒状C-S-H和富集在骨料截面的Ca(OH)2与CO2发生反应，生成碳酸盐，产生强度、减小孔隙，进一步提高固体物料的物理和力学性能。综上所述，本发明利用废弃物特有的物理和化学性质，通过改性处理获得优质综合物理和力学性能的集料，具有很好的实用性。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，包括：
将生活垃圾焚烧炉渣置于加热设备内，以速率10～30℃/min升温至680～750℃，并保温1～2h，而后将所述生活垃圾焚烧炉渣取出并于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温；
将冷却至常温的所述生活垃圾焚烧炉渣以速率10～30℃/min升温至180～220℃低温回火，并保温1～2h，而后将所述生活垃圾焚烧炉渣置于搅拌站混凝土废水中急速冷却至常温，并烘干得到第一固体物料；
将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡，继而滤干、烘干获得第二固体物料；
将所述第二固体物料在设定温度，设定湿度，设定CO2浓度氛围中碳化养护，得到建筑集料。
2.如权利要求1所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述生活垃圾焚烧炉渣在进行高温加热和低温回火处理前，先过20mm筛。
3.如权利要求2所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述加热设备为马弗炉。
4.如权利要求1所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中进行水浴，并往复式振荡包括：
将搅拌站混凝土废水置于底部装有磁铁的塑料盒中，将所述第一固体物料分散到搅拌站混凝土废水中密封水浴，以110±10次/min的振动频率往复式振荡。
5.如权利要求4所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述水浴的温度范围40～45℃。
6.如权利要求4所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述往复式振荡的时间为7～9天。
7.如权利要求4所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述第一固体物料和搅拌站混凝土废水的固液比为1:5～1:10。
8.如权利要求1所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，
所述设定温度的范围为40～60℃，所述设定湿度的范围为40～60％，所述设定CO2浓度的范围为50～70％。
9.如权利要求8所述的用生活垃圾焚烧炉渣制备建筑集料的方法，其特征在于，所述碳化养护的持续时间在2～5天。
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