CN113620670A - 一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法 - Google Patents

一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法，其方法为：将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣和滤液；将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖；向滤液中加入添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。本发明可以充分利用生物质电厂灰渣固废，原料取材广泛、价格低廉，通过这种方法生产的免烧砖至少可达到M10的质量要求，抗压强度高，综合性能优异，制备效率和成品合格率高，生产的氯化钾纯度达到80％以上，适合大规模生产，可以广泛应用于化工、化肥行业，具有较高的经济价值、社会价值和生态价值。

Description

一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法
技术领域
本发明属于资源循环利用技术领域，涉及一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着能源危机日益加剧，可再生的生物质发电技术得到大力推广。生物质灰渣的处理以堆放/填埋为主，占用场地大并造成环境污染，在经济和社会影响上对企业带来了负担，制约着生物质发电行业的发展。
生物质电厂灰渣是生物质燃料进入锅炉中燃烧后产生的一种复杂的多组分、非均质且组分可变的混合物。按照收集方式可分为飞灰和底灰，飞灰颗粒细小，易随烟气扩散进入尾部烟道，经过除尘器捕捉并收集；底灰(包括炉灰和底渣)颗粒形状不一，呈多孔结构，由锅炉底部排渣系统排出。目前生物质电厂灰渣的主要处理或利用方式为填埋、土壤修复(改良)剂、制备肥料、制作建材、制备吸附剂和催化剂等。生物质灰渣建材化综合处理不仅可实现灰渣的大规模、无害化利用，而且还可以替代部分水泥，减少水泥生产造成的环境影响，具有良好环境和经济效益，因此生物质电厂灰渣的建材化利用将是解决灰渣大量堆存的有效途径。
生物质电厂灰渣主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O等，根据其理化特性人们开展了多方面的应用研究，其中生物质灰渣中SiO2、Al2O3、Fe2O3占比一般超过50％，CaO含量超过10％，是一种良好凝胶和火山灰材料。据发明人研究了解，生物质电厂灰渣本身不具有独立的水硬性，但与石灰或其它能够水化析出Ca(OH)2的物质相混合时，通过加水水化后产生的Ca(OH)2会激发其产生火山灰效应，进一步水化生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物，这些水化产物呈胶体及结晶状态，并且晶体之间彼此交错搭接、连生、形成结晶连生体，促使生物质灰渣呈现硬化现象。同时生物质电厂灰渣中存在的碱性物质，也能够形成碱性环境，形成碱激发效应促使生物质电厂灰渣加快生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等物质增强建材强度。可见生物质电厂灰渣的建材化利用潜力巨大。然而，发明人研究发现，目前生物质电厂灰渣制备的建材中灰渣掺量水平较低，例如制备免烧砖时一般最佳掺量不超过30％，且需要混合大量的硅酸盐水泥等胶凝材料使用，成本较高；同时大量掺加生物质电厂灰渣，导致灰渣中大部分火山灰物质被网状四面体所包裹，大部分活性物质无法释放，从而导致生物质电厂灰渣的火山灰反应缓慢，使得免烧砖早期强度性能较低，限制了其进一步应用。
另外，发明人研究还发现，生物质电厂灰渣中K2O含量较高，经过水洗处理后大部分钾盐矿物能够溶解。而生物质电厂灰渣的水洗工艺会产生大量的含钾盐废水，若直接排放不仅会造成土地盐碱化，还会产生严重的环境问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法，以实现对生物质电厂灰渣的有效利用，变废为宝。该方法可以充分利用生物质电厂灰渣固废，原料取材广泛、价格低廉，通过这种方法生产的免烧砖至少可达到M10的质量要求，抗压强度高，综合性能优异，制备效率和成品合格率高，生产的氯化钾纯度达到80％以上，适合大规模生产，可以广泛应用于化工、化肥行业，具有较高的经济价值、社会价值和生态价值。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣，将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖。
生物质电厂灰渣一般在建材制备过程中的掺量较低，一般来说，掺量在15％左右，发明人研究发现，生物质电厂灰渣中含有大量的K、Na、Cl元素，直接添加掺加制备建材时，容易对水泥水化后的物相产生腐蚀，从而降低免烧砖的性能。同时，生物电厂灰渣不仅含有大量的K、Na、Cl元素，还含有硫酸根离子，这种物质有利于形成网状四面体，从而将生物质电厂灰渣中的火山灰物质包裹，导致活性物质无法释放，进而使得免烧砖早期强度性能较低。
本发明将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，通过加水将生物质电厂灰渣中的K、Na、Cl、硫酸根离子进行溶解，然后通过过滤进行固液分离，将K、Na、Cl、硫酸根离子从生物质电厂灰渣去除，从而避免对水泥水化后物相的腐蚀，同时避免产生网状四面体，防止免烧砖早期强度性能较低。
经过实验表明，本发明水泥的添加量仅为30～60％，制备的免烧砖的强度等级在MU10以上，品质优良。
钾是植物生长发育所必须营养元素之一，对于植物的生长具有不可替代的作用。目前全球钾盐5％应用在工业上，95％作为肥料应用在农业上。目前钾资源较为匮乏，因而另一方面，一种上述生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法在制备氯化钾中的应用，向过滤获得的滤液中添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
本发明生产条件简易，制备氯化钾时只需简单的沉降除杂，条件不苛刻，生产的可操作性大大提高。
第三方面，一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的方法，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣和滤液；
将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖；
向滤液中加入添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
由于在产品生产过程中的采用的生物质电厂灰渣原料成本较低，而制备的免烧砖强度高、性能好、市场价值较高，同时联产氯化钾，并处理固废生物质电厂灰渣，提高了生物质电厂灰渣利用的附加值。
第四方面，一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，包括：
水洗池，用于生物质电厂灰渣与水进行水洗处理；
压滤机，用于将水洗池排出的物料进行压滤；
搅拌机，用于将压滤机排出的滤渣与水泥、自来水进行搅拌；
沉降池，用于通过添加氯化钡将压滤机排出的滤液进行沉降；
免烧砖制备装置，用于将搅拌机排出的浆料制备成免烧砖；
氯化钾制备装置，用于将沉降池排出的溶液进行除水制备氯化钾产品。
本发明的有益效果为：
(1)本发明将生物质电厂灰渣通过水洗处理后用于免烧砖的制备，不仅增加了生物质电厂灰渣的掺杂量，而且获得的免烧砖性能较好、强度较高。
(2)本发明水洗处理后的滤液含有大量的钾元素，通过简单沉降处理就可以获得纯度较高的氯化钾。
本发明综合利用生物质电厂灰渣制备免烧砖并联产氯化钾的方法工艺，制备免烧砖的原料主要来源于生物质电厂燃烧灰渣。该工艺即可以大规模利用工业固废，同时能制备出质轻、强度高、成本低、环境友好的免烧砖，可广泛应用于建筑行业。联产的氯化钾纯度高，可在肥料、化工等行业中应用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的工艺流程图；
图2为本发明实施例1中水洗后的生物质电厂灰渣XRD图谱；
图3为本发明实施例1中水洗溶液结晶XRD图谱；
图4为本发明实施例1制备的免烧砖的照片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有生物质电厂灰渣在建材中掺量较少、影响免烧砖的早期强度等问题，本发明提出了一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统和方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣，将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖。
本发明采用水洗处理将将生物质电厂灰渣中的K、Na、Cl、硫酸根离子进行溶解，然后通过过滤进行固液分离，将K、Na、Cl、硫酸根离子从生物质电厂灰渣去除，从而避免对水泥水化后物相的腐蚀，同时避免产生网状四面体，防止免烧砖早期强度性能较低。
该实施方式的一些实施例中，水洗处理的温度为30～80℃。通过加热加速生物质电厂灰渣中的可溶性钾盐溶解，减少溶解时间，增加生产效率。
该实施方式的一些实施例中，过滤的方式为压滤。压滤后的滤渣(滤饼)含水率低于24％。压滤时间为15～30min。
该实施方式的一些实施例中，滤渣经过烘干后与水泥、水混合形成浆料。能够使滤渣更容易与水泥混合。
在一种或多种实施例中，滤渣烘干后进行破碎、粉磨获得滤渣粉末，将滤渣粉末与水泥、水混合形成浆料。烘干温度为100～120℃。
在一种或多种实施例中，将烘干过程中余热对水进行加热获得热水，采用热水对生物质电厂灰渣进行水洗处理。不仅能够加快可溶性钾盐的溶解，而且对烘干机的余热进行再次利用，降低能耗，还能够对滤渣进行预热，进一步降低能耗。
该实施方式的一些实施例中，利用浆料制成免烧砖的过程为：将浆料置于砖模中，震动消除气泡，压制凝固成型，养护后脱模形成免烧砖。养护时，先洒水养护的时间不少于7天，之后自然养护的时间不少于28天。洒水养护时，可少量多次对其进行洒水，保持免烧砖湿润，相对湿度不低于90％，洒水养护与自然养护均在室温条件下进行。
该实施方式的一些实施例中，滤渣的添加量与滤渣和水泥总质量的40～70％。浆料中，水的添加量为滤渣和水泥总质量20～30％。其中，滤渣的添加量以干燥后的滤渣质量计。
生物质电厂灰和生物质电厂渣可以分别进行水洗处理，也可以混合后进行水洗处理，生物质电厂灰和生物质电厂渣的质量比为1:1～10。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法在制备氯化钾中的应用，向过滤获得的滤液中添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
该实施方式的一些实施例中，将水去除的过程包括闪蒸、浓缩、冷却。
本发明第三种实施方式，提供了一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的方法，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣和滤液；
将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖；
向滤液中加入添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
其中，水洗处理、过滤、利用浆料制成免烧砖的过程与上述生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法一致。水去除的过程包括闪蒸、浓缩、冷却。
本发明的第四种实施方式，提供了一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，包括：
水洗池，用于生物质电厂灰渣与水进行水洗处理；
压滤机，用于将水洗池排出的物料进行压滤；
搅拌机，用于将压滤机排出的滤渣与水泥、自来水进行搅拌；
沉降池，用于通过添加氯化钡将压滤机排出的滤液进行沉降；
免烧砖制备装置，用于将搅拌机排出的浆料制备成免烧砖；
氯化钾制备装置，用于将沉降池排出的溶液进行除水制备氯化钾产品。
该实施方式的一些实施例中，包括烘干机，用于将压滤机排出的滤渣进行烘干，并将烘干后的滤渣输送至搅拌机内。
在一种或多种实施例中，包括余热回收装置，余热回收装置将水加热，让将加热后的水输送至水洗池。
在一种或多种实施例中，包括破碎机和粉磨机，将烘干后的滤渣依次进行破碎、粉磨获得滤渣粉，将滤渣粉输送至搅拌机内。
该实施方式的一些实施例中，免烧砖制备装置包括砖模、振实台，砖模放置在振实台上，将搅拌机排出的浆料输送至砖模。通过振实台的振动将砖模内浆料振实，并排出气泡。
该实施方式的一些实施例中，氯化钾制备装置包括闪蒸设备、浓缩设备及冷气设备。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品；本发明中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数；本发明中的溶液若没有特殊说明，均为溶剂为水的水溶液；本发明中的常温、室温一般指15℃到25℃的温度，一般定义为25℃。
实施例1
一种利用生物质电厂灰渣制备免烧砖并联产氯化钾产品的系统，包括灰渣粉磨机、水洗池、沉降池、压滤机、烘干机、破碎机、滤饼粉磨机、余热回收器、除尘器、闪蒸器、浓缩器、水泥搅拌机、冷却器、振实台、砖模。
灰渣粉磨机、水洗池、压滤机依次连接。压滤机的滤饼出口依次连接烘干机、破碎机、滤饼粉磨机、水泥搅拌机、砖模，砖模放置在振实台上。烘干机的烟气出口连接余热回收器，余热回收器的出水口连接水洗池的进水口，余热回收器的气体出口连接除尘器。压滤机的滤液出口依次连接沉降池、闪蒸器、浓缩器、冷却器。
一种利用生物质电厂灰渣制备免烧砖并联产氯化钾产品的工艺，如图1所示，将生物质电厂灰渣粉磨后加入水洗池中，经高温水(60℃)充分水洗，对充分水洗后的生物质电厂灰渣浆液用压滤机和破碎机进行压滤、破碎工序处理，使处理后的生物质电厂灰渣实现脱碱脱盐；烘干机产生的高温烟气经过余热回收设备，形成高温水(60℃)，将高温水(60℃)送入到水洗池内，加快生物质电厂灰渣水洗速率，其中经余热回收设备的烟气温度降低到140℃。除渣后溶液经闪蒸、浓缩、结晶后制备成氯化钾颗粒。水洗粉磨后的生物质电厂灰渣XRD如图2所示，制成的氯化钾颗粒的XRD如图3所示。水洗粉磨后的生物质电厂灰渣滤饼制备免烧砖按照下述方法制备：
第一步，取700g烘干的生物质电厂灰渣滤饼粉磨得到一次混料；将一次混料加入300g普通硅酸盐水泥混合，得到二次混料，其中，700g烘干生物质电厂灰渣滤饼由100g烘干的生物质电厂灰的滤饼和600g烘干的生物质电厂渣的滤饼混合形成。
第二步，将260g自来水加入二次混料中，使用水泥搅拌机搅拌(搅拌转速为500r/s，搅拌时间可为3min)得到水泥胶砂混料。
第三步，将胶砂混料放置于模具中凝固成型(24h)，拆除模具，将免烧砖进行养护，养护后得到免烧砖，制备的免烧砖如图4所示。养护时，先洒水养护的时间7天，之后自然养护的时间28天。洒水养护时，可少量多次对其进行洒水，保持免烧砖湿润，保持相对湿度为95％，洒水养护与自然养护均在室温条件下进行。
生物质电厂灰渣均来自普通生物质发电厂，生物质电厂灰来自旋风分离器、空预器和除尘器，生物质电厂渣主要来自炉排灰渣。
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同在于：
第一步，取500g烘干的生物质电厂灰渣滤饼粉磨得到一次混料；将一次混料加入500g普通硅酸盐水泥混合，得到二次混料，其中，500g烘干生物质电厂灰渣滤饼由100g烘干的生物质电厂灰的滤饼和400g烘干的生物质电厂渣的滤饼混合形成。
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同在于：
第一步，取400g烘干的生物质电厂灰渣滤饼粉磨得到一次混料；将一次混料加入600g普通硅酸盐水泥混合，得到二次混料，其中，400g烘干生物质电厂灰渣滤饼由100g烘干的生物质电厂灰的滤饼和300g烘干的生物质电厂渣的滤饼混合形成。
实施例1～3制备的免烧砖原料配比如表1所示。
表1：实施例1～3制备的免烧砖原料配比
实施例 水泥/g 生物质灰/g 生物质渣/g 水/g
实施例1 300 100 600 260
实施例2 500 100 400 260
实施例3 600 100 300 260
检测实施例1～3制备的免烧砖性能指标，养护3天结果如表2所示，养护28天结果如表3所示。
表2：实施例1～3制备的免烧砖养护3天的性能指标
Figure BDA0003252392160000101
Figure BDA0003252392160000111
表3：实施例1～3制备的免烧砖养护28天的性能指标
Figure BDA0003252392160000112
由表2～3表明，实施例1～3制备的生物质电厂灰渣免烧砖强度等级达到MU10、MU15、MU20，品质优良。
结合图2、表2～3表明，水洗后的生物质电厂灰渣矿物成分显示脱盐效果较好，矿物以石英和钙长石为主要矿物相，是良好的火山灰材料。掺杂为70％时，制备的生物质电厂灰渣免烧砖的28天抗压强度、抗折强度较高，性能较好，表明实施例1掺杂超过30％水洗后生物质电厂灰渣能够防止免烧砖早期强度性能较低的问题。
实施例1～3联产所得氯化钾产品性能指标检测结果如表4所示。
表4实施例1～3联产所得氯化钾产品性能指标检测
实施例 氯化钾产量 氯化钾纯度
实施例1 210g 91.2％
实施例2 150g 90％
实施例3 120g 89.8％
由表4可知，实施例1～3制备的氯化钾浓度品质均大于80％满足一般工业需要，制作成本较低。同时表明，本发明能够联产氯化钾。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，其特征是，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣，将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖。
2.如权利要求1所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，其特征是，水洗处理的温度为30～80℃；
或，滤渣的添加量与滤渣和水泥总质量的40～70％。
3.如权利要求1所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，其特征是，过滤的方式为压滤；
或，利用浆料制成免烧砖的过程为：将浆料置于砖模中，震动消除气泡，压制凝固成型，养护后脱模形成免烧砖。
4.如权利要求1所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法，其特征是，滤渣经过烘干后与水泥、水混合形成浆料；
优选地，滤渣烘干后进行破碎、粉磨获得滤渣粉末，将滤渣粉末与水泥、水混合形成浆料；
优选地，将烘干过程中余热对水进行加热获得热水，采用热水对生物质电厂灰渣进行水洗处理。
5.一种权利要求1～4任一所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖的制备方法在制备氯化钾中的应用，向过滤获得的滤液中添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
6.一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的方法，其特征是，将生物质电厂灰渣加水进行水洗处理，过滤获得滤渣和滤液；
将滤渣与水泥、水混合形成浆料，利用浆料制成免烧砖；
向滤液中加入添加氯化钡进行沉降除渣，再将水去除获得氯化钾产品。
7.一种生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，其特征是，包括：
水洗池，用于生物质电厂灰渣与水进行水洗处理；
压滤机，用于将水洗池排出的物料进行压滤；
搅拌机，用于将压滤机排出的滤渣与水泥、自来水进行搅拌；
沉降池，用于通过添加氯化钡将压滤机排出的滤液进行沉降；
免烧砖制备装置，用于将搅拌机排出的浆料制备成免烧砖；
氯化钾制备装置，用于将沉降池排出的溶液进行除水制备氯化钾产品。
8.如权利要求7所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，其特征是，包括烘干机，用于将压滤机排出的滤渣进行烘干，并将烘干后的滤渣输送至搅拌机内。
9.如权利要求8所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，其特征是，包括余热回收装置，余热回收装置将水加热，让将加热后的水输送至水洗池；
或，包括破碎机和粉磨机，将烘干后的滤渣依次进行破碎、粉磨获得滤渣粉，将滤渣粉输送至搅拌机内。
10.如权利要求7所述的生物质电厂灰渣制备免烧砖联产氯化钾的系统，其特征是，免烧砖制备装置包括砖模、振实台，砖模放置在振实台上，将搅拌机排出的浆料输送至砖模；
或，氯化钾制备装置包括闪蒸设备、浓缩设备及冷气设备。
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