CN113998982A - 一种全固废基碳酸化免烧轻骨料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，包括以下步骤：(1)将活性组分型固废、轻质填充型固废和碱激发型固废研磨后混合，得到混合固废粉末；(2)利用混合固废粉末与水进行造粒，得到颗粒物，将颗粒物预养护之后进行CO2矿化养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料；其中，活性组分型固废包括高炉渣，钢渣或炉渣；轻质填充型固废包括粉煤灰、河道淤泥或赤泥；碱激发型固废包括电石渣。本发明的原料全部选自固废，用碱激发型固废代替传统的生石灰，氢氧化钠，水玻璃等作为碱激发剂，并采用CO2矿化强化技术，充分地发挥了固废的固碳潜力，节约自然资源，制得了抗压强度好的全固废基碳酸化免烧轻骨料。

Description

一种全固废基碳酸化免烧轻骨料及其制备方法
技术领域
本发明属于固废资源化利用和建筑材料技术领域，具体涉及一种全固废基碳酸化免烧轻骨料及其制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的钢铁生产国和煤炭消耗国，由此带来了大量高炉渣和粉煤灰等工业固废的产生，而我国工业固废资源化比例低，大量工业固废的堆存，不仅占用破坏土地资源，而且污染地下水，造成扬尘等空气污染，消纳固废迫在眉睫。CCUS(二氧化碳捕集利用与封存)技术是大规模碳减排的有效路径之一，CO2的矿化强化建材制品技术是利用CO2矿化过程替代传统水化蒸养的新型CO2利用和建材养护技术，利用自然界或工业生产中含钙、镁的碱土金属离子矿物将CO2矿化处理形成热稳定较高的无机碳酸盐，该技术在减少CO2排放的同时实现了高性能建筑材料的生产和固体废弃物的资源化利用，是附带显著经济效益的CO2减排途径。
采用二氧化碳矿化养护固废制备建材，不仅消纳了固废和二氧化碳，而且取代了传统的高温烧结，高温蒸养等建材养护方式，进一步降低了能耗，减少了二氧化碳的排放。更进一步的，缩短了养护周期，提高了生产效率，获得了高附加值的建筑材料。
公开号为CN102173747A的中国专利文献公开了一种利用城镇污泥、黄土和膨润土烧制陶粒的方法，利用原始污泥、黄土和膨润土，谷糠为燃料直接烧制陶粒，污泥的处理量大，生产成本低；公开号为CN109467443A的中国专利文献公开了一种利用污泥、页岩粉为主要原料烧制再生陶粒的方法。以上方法，配料仍包含自然资源，同时采用烧结工艺，加剧污染和温室效应。
公开号为CN102351557B的中国专利文献公开了一种活性污泥结合粉煤灰生产免烧陶粒的方法，全部采用固废，但采用自然养护，性能较差；公开号为CN112500011A的中国专利文献公开了一种利用钢渣，玻化微珠，生石灰结合碳化工艺生产轻骨料的方法，成品性能好，但成本较高；公开号为CN111362607A的中国专利文献公开了一种轻质固废免烧陶粒，原料包括钢渣粉、矿渣粉、硅酸盐水泥、激发剂、密度调节剂、水，该发明以空心玻璃微珠作为密度调节剂，降低了陶粒产品的堆积密度、提高强度，该方法的生产成本高。
发明内容
本发明提供了一种全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，原料全部选自固废，用碱激发型固废代替传统的碱激发剂，并利用CO2矿化强化技术，充分地发挥了固废的固碳潜力，节约了自然资源，解决固废低值低量的利用问题，制备得到抗压强度优异的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
具体采用的技术方案如下：
一种全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将活性组分型固废、轻质填充型固废和碱激发型固废研磨后混合，得到混合固废粉末；
(2)利用混合固废粉末与水进行造粒，得到颗粒物，将颗粒物预养护之后进行CO2矿化养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料；
所述的活性组分型固废包括高炉渣，钢渣或炉渣；所述的轻质填充型固废包括粉煤灰、河道淤泥或赤泥，堆积密度小于1000kg/m3；所述的碱激发型固废包括电石渣。
本发明中，活性组分型固废含有硅酸钙、硅酸镁、铝酸钙等水化活性物质，轻质填充型固废中含有碱性氧化物，以碱激发型固废代替传统的生石灰、氢氧化钠、水玻璃等作为碱激发剂。预养护阶段，水化活性物质与水初步反应，形成初始强度；CO2矿化养护过程中，CO2与碱性组分发生反应，反应产物可以填充孔隙，提升产物的强度和耐久性。
优选的，颗粒物经CO2矿化养护后，在补水的条件下，再进行自然养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料。颗粒物经CO2矿化养护后得到碳酸化的颗粒物，在补水的条件下进行自然养护可使其中活性组分充分水化，进一步提高制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料抗压强度。
进一步优选的，所述的自然养护的方式为自然堆放。自然堆放可使水化反应更加彻底。
优选的，所述的活性组分型固废为高炉渣或钢渣，所述的轻质填充型固废为粉煤灰，所述的碱激发型固废为电石渣。
研磨过程可以对固废进行物理活化，优选的，所述的混合固废粉末的粒径＜100μm。
优选的，所述的混合固废粉末中，活性组分型固废、轻质填充型固废与碱激发型固废的重量比为1～9：1：0.02～1。
优选的，步骤(2)中，所述的造粒过程为：
①取质量比为1：0.2～0.3的混合固废粉末与水，将混合固废粉末分为第一部分和第二部分，第一部分与第二部分的质量比≥2，将第一部分混合固废粉末与水混合后造粒；
②另取备用水进行造粒喷雾补充，直至第一部分混合固废粉末与水形成浆状混合物，再加入第二部分混合固废粉末，得到球状颗粒物。
进一步优选的，采用成球盘进行造粒，成球盘转速20～60r/min，成球时间45～60min。
优选的，步骤(2)中，所述的预养护条件为：环境压力，湿度70％～90％RH，温度15～25℃，时间24～72h。
优选的，步骤(2)中，预养护后的颗粒物水固比控制在0.15～0.25。预养护后的颗粒物的水固比会影响骨料孔隙结构，进而影响CO2在骨料内的扩散，影响碳酸化反应进行的速度和深度，最终影响产品性能。
优选的，步骤(2)中，所述的CO2矿化养护条件为：CO2压力0.1～1MPa，温度40～140℃，时间2～4h。
本发明还提供了所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法制备得到的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明方法采用CO2矿化养护，相比于烧制方法减少能源消耗，减少CO2和污染物的排放，相比于自然养护，在强度、耐久性等方面有所提升，还可消纳CO2。
(2)本发明制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料的原料全部选自固废，用碱激发型固废代替传统的生石灰，氢氧化钠，水玻璃等作为碱激发剂，充分地发挥了固废的固碳潜力，节约自然资源，极大地降低了成本，解决了固废低值低量的利用问题。
附图说明
图1为本发明中全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备流程图。
图2为实施例1～3制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料的筒压强度统计图。
图3为对比例1～6制得的免烧轻骨料的筒压强度统计图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1～3中的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备流程图如图1所示；实施例1～3及对比例1～6中：
高炉渣来源于石家庄市灵寿县岩行矿产品贸易有限公司。
粉煤灰来源于杭州市杭联热电有限公司。
电石渣来源于石家庄市灵寿县岩行矿产品贸易有限公司。
对比例1
本对比例中，活性组分型固废选用高炉渣，轻质填充型固废选用粉煤灰；
将高炉渣、粉煤灰分别进行研磨，按比例混合后得到粒径小于100μm混合粉末，该混合粉末中，高炉渣与粉煤灰的重量比为1.5：1；
取质量比为1：0.2的混合粉末与水；将混合粉末按质量比2：1分为第一部分和第二部分，将第一部分混合粉末与水充分混合后置于成球盘中造粒(成球盘转速30r/min，成球时间30min)，另取备用水进行造粒喷雾补充，直至第一部分混合粉末与水形成浆状混合物，再加入第二部分混合粉末，得到球状颗粒物。
将球状颗粒物放入预养护箱中，预养护条件为：环境压力，湿度70％RH，温度25℃，时间72h，控制内部含湿量为初始水量的2/3左右；置入特制的CO2矿化养护装置，通入99.9％的CO2气体，将内部气体压力维持在0.1MPa，温度设定为40℃，进行4h加速碳酸化备得到免烧轻骨料。
如图3所示，本对比例制得的免烧轻骨料的筒压强度为3.5MPa。
对比例2
本对比例中免烧轻骨料的制备方法和对比例1相同，区别仅在于混合粉末中，高炉渣与粉煤灰的重量比为4：1。
如图3所示，本对比例制得的免烧轻骨料的筒压强度为3MPa。
实施例1
本实施例中，活性组分型固废选用高炉渣，轻质填充型固废选用粉煤灰，碱激发型固废选用电石渣；
将高炉渣、粉煤灰和电石渣分别进行研磨，按比例混合后得到粒径为小于100μm混合固废粉末，该混合固废粉末中，高炉渣、粉煤灰和电石渣的重量比为1.5：1：0.075；
取质量比为1：0.2的混合固废粉末与水，将混合固废粉末按质量比2：1分为第一部分和第二部分，将第一部分混合固废粉末与水充分混合后置于成球盘中造粒(成球盘转速30r/min，成球时间30min)；另取备用水进行造粒喷雾补充，直至第一部分混合固废粉末与水形成浆状混合物，再加入第二部分混合固废粉末，得到球状颗粒物；
将球状颗粒物放入预养护箱中，预养护条件为：环境压力，湿度70％RH，温度25℃，时间72h，控制内部含湿量为初始水量的2/3左右控制内部含湿量为初始水量的2/3左右(即预养护后的颗粒物水固比约为0.15～0.25)；置入特制的CO2矿化养护装置，通入99.9％的CO2气体，将内部气体压力维持在0.1MPa，温度设定在40℃，进行4h加速碳酸化制备得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
如图2所示，本实施例制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料的筒压强度为5.4MPa。由此可知，碱激发型固废原料的加入可以大幅提高免烧轻骨料的强度。
实施例2
本实施例中全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法和实施例1相同，于混合固废粉末中，高炉渣、粉煤灰和电石渣的重量比为1.5：1：0.125。
如图2所示，本实施例制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料的筒压强度为7.6MPa。
实施例3
本实施例中全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法和实施例1相同，区别仅在于在矿化养护以后，在补水的条件下，再进行4d的自然养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
如图2所示，本实施例制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料的筒压强度为9.1MPa。
对比例3～6
对比例3～6分别与对比例1～2、实施例1～2中免烧轻骨料的制备方法相同，区别仅在于将球状颗粒物的预养护和CO2矿化养护步骤换为补水条件下的自然养护。
如图3所示，对比例3～6制得的免烧轻骨料的筒压强度分别为3.1MPa、2.6MPa、5MPa和6.7MPa。由此可知，CO2矿化强化技术制得的免烧轻骨料的强度更好。
样品分析
经检测，实施例1～3制备得到的全固废基碳酸化免烧轻骨料符合《GB/T 17431.1-2010轻集料及其试验方法》。
通过对比例1～2与实施例1～2相比较可知，添加不同比例的固废碱激发剂可以使免烧轻骨料的筒压强度提高约20％～200％；
通过对比例3～6与对比例1～2、实施例1～2相比较可知，较自然养护，矿化养护制得的免烧轻骨料筒压强度可提升约5％～30％；
通过实施例1～2与实施例3相比较可知，矿化养护后辅以自然养护可以使免烧轻骨料的筒压强度提高约20％～70％。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将活性组分型固废、轻质填充型固废和碱激发型固废研磨后混合，得到混合固废粉末；
(2)利用混合固废粉末与水进行造粒，得到颗粒物，将颗粒物预养护之后进行CO2矿化养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料；
所述的活性组分型固废包括高炉渣，钢渣或炉渣；所述的轻质填充型固废包括粉煤灰、河道淤泥或赤泥；所述的碱激发型固废包括电石渣。
2.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，颗粒物经CO2矿化养护后，在补水的条件下，再进行自然养护，得到所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
3.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，所述的活性组分型固废为高炉渣或钢渣，所述的轻质填充型固废为粉煤灰，所述的碱激发型固废为电石渣。
4.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，所述的混合固废粉末的粒径＜100μm。
5.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，所述的混合固废粉末中，活性组分型固废、轻质填充型固废与碱激发型固废的重量比为1～9：1：0.02～1。
6.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的造粒过程为：
①取质量比为1：0.2～0.3的混合固废粉末与水，将混合固废粉末分为第一部分和第二部分，第一部分与第二部分的质量比≥2，将第一部分混合固废粉末与水混合后造粒；
②另取备用水进行造粒喷雾补充，直至第一部分混合固废粉末与水形成浆状混合物，再加入第二部分混合固废粉末，得到球状颗粒物。
7.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的预养护条件为：环境压力，湿度70％～90％RH，温度15～25℃，时间24～72h。
8.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预养护后的颗粒物水固比控制在0.15～0.25。
9.根据权利要求1所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的CO2矿化养护条件为：CO2压力0.1～1MPa，温度40～140℃，时间2～4h。
10.根据权利要求1～9任一所述的全固废基碳酸化免烧轻骨料的制备方法制得的全固废基碳酸化免烧轻骨料。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Wang Tao

Inventor after: Lian Youjiang

Inventor after: Fang Mengxiang

Inventor after: Wang Lei

Inventor after: Gao Xiang

Inventor after: Luo Zhongyang

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