CN114031318B - 一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法及制得的水泥 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法及制得的水泥，方法步骤包括：S1.将飞灰与添加剂混合后加入到等离子熔融炉中，经等离子熔融处理得到高温玻璃液；S2.将石灰石与粘土混合并处理得到水泥生料；S3.将高温玻璃液和水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料；S4.将水泥熟料快速冷却；S5.向S4得到的冷却后的水泥熟料中加入石膏，进行研磨即得水泥。飞灰经过等离子熔融、混合搅拌、加热保温、冷却、研磨后，制得的水泥产品质量，优于国家标准中规定的指标。本方法可彻底解决飞灰问题，将危险废弃物转变为产品，实现了飞灰的减量化、无害化和资源化。本发明还公开了利用上述方法制得的水泥。

Description

一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法及制得的水泥

技术领域

本发明属于飞灰的利用技术领域，具体涉及一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法及制得的水泥。

背景技术

生活垃圾焚烧产生的飞灰中含有大量重金属、二噁英等有毒有害物质，属于危险废弃物。等离子熔融是目前最先进的飞灰处置技术之一，等离子熔融炉熔池内平均温度可达1500℃以上，可将飞灰中的二噁英分解为小分子气体，重金属被包裹在玻璃体的四面体网络结构中，无法浸出，可有效解决飞灰中二噁英及重金属问题。但是，飞灰及飞灰等离子熔融后的玻璃体如何进行资源化利用，是最终解决飞灰问题所亟需解决的难题。

由于飞灰和飞灰等离子熔融产生的玻璃体的主要成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃，与水泥的主要组份相近，可以将其作为水泥替代原料用于水泥生产，从而实现飞灰的资源化利用。CN101817650公开了一种水泥窑协同处理生活垃圾焚烧飞灰的方法，飞灰可作为水泥生料替代部分原料生产水泥，但是水泥产品对氯含量的要求较高，该方法中飞灰需要经过水洗预处理，工艺复杂，需要增加设备投资，而且显著增加了飞灰的处理成本。另一方面，很多地区没有水泥窑，水泥窑协同处置飞灰，需要将飞灰长途运输到其它地方，存在环境及安全风险，飞灰运输成本较高。

因此，需要开发一种新的能够直接在垃圾焚烧厂内，直接将飞灰制备成水泥、无需进行长途运输的方法，同时充分利用飞灰等离子熔融后的显热，节省大量水泥生料煅烧过程所消耗的能源。

发明内容

为解决上述以飞灰为原料制备水泥时，需要长途运输的技术问题，以及充分利用飞灰等离子熔融后的显热，本发明提供一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法及制得的水泥。

本发明采用如下技术方案：

一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备的水泥，所述水泥按质量份数配比，包括100份飞灰、30~50份添加剂、30~50份石灰石、10~30份黏土和10~30份石膏；所述添加剂至少包括SiO₂、Al₂O₃、MgO和Na₂CO₃。

进一步地，所述添加剂中SiO₂、Al₂O₃、MgO与Na₂CO₃的质量比为20~40：10~30：5~25：20~40。

进一步地，所述水泥的比表面积为400~600 m²/kg，氯离子含量为0.01~0.03wt%，3天抗折强度为6~8 Mpa，28天抗折强度为10~12 MPa，3天抗压强度为30~40 MPa,28天抗压强度为60~70 MPa。

一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备所述水泥的方法，包括以下步骤：

S1.将飞灰与添加剂混合后加入到等离子熔融炉中，经等离子熔融处理得到高温玻璃液；

S2.将石灰石与粘土混合，经破碎、粉磨、预热得到水泥生料；

S3.将步骤S1得到的高温玻璃液和步骤S2得到的水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料；

S4.将步骤S3得到的水泥熟料快速冷却；

S5.向S4得到的冷却后的水泥熟料中加入石膏，进行研磨即得水泥。

进一步地，步骤S2经所述破碎、粉磨、预热后得到的水泥生料粒径＜100μm，温度为300~400℃。

进一步地，步骤S3所述加热保温温度为1400~1500℃，保温时间为15~30min。

进一步地，步骤S4中水泥熟料快速冷却到60~120℃，冷却时间为5~10 min。

进一步地，步骤S4冷却水泥熟料时的冷却介质为常温空气，所述常温空气经换热温度升高为热空气，所述热空气经冷却、除尘净化后排放。

进一步地，步骤S4中常温空气与水泥熟料换热后温度升高至700~800℃，之后将换热得到的热空气用于步骤S2中水泥生料的预热。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，可以直接在生活垃圾焚烧厂内，对飞灰进行处理，制得水泥产品，无需将飞灰长途运输到水泥厂，可有效避免飞灰这一危险废弃物长途运输所带来的环境和安全风险，且可以节省飞灰的运输成本。

（2）在飞灰中加入Na₂CO₃除氯物质，可大大降低飞灰等离子熔融后高温熔液中的氯含量，从而进一步降低水泥产品中的氯含量。在飞灰中加入SiO₂、Al₂O₃可以降低飞灰的熔融温度。在飞灰中加入MgO,可以有利于提高所制得的水泥产品的质量。

（3）将高温熔液直接与预热后的水泥生料混合，利用高温熔液的高温和显热，将水泥生料熟化直接制备水泥。该方法可以省去水泥生料煅烧工艺，节省大量的能源。

（4）加热保温后的水泥熟料，采用冷空气进行快速降温，换热后的热空气用于对水泥生料进行预热。该方法可充分利用热烟气的余热，节省大量的能源，同时还可以降低热烟气的温度，有利于后面的冷却和除尘净化。

（5）飞灰经过等离子熔融、混合搅拌、加热保温、冷却、研磨后，制得的水泥产品质量，优于国家标准中规定的指标。本方法可彻底解决飞灰问题，将危险废弃物转变为产品，实现了飞灰的减量化、无害化和资源化。

附图说明

图1是本发明实施例的制备水泥的方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述，实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在本发明权利要求范围内。

现有技术中常用的通过飞灰制备水泥包括以下两种方法：

第一种，飞灰水洗后加入到水泥窑中协同处理。目前，很多城市都建有生活垃圾焚烧厂，每天生活垃圾焚烧都产生大量的飞灰。但是，很多城市没有水泥窑。该方法需要将飞灰长途运输到水泥厂，因为飞灰属于危险废弃物，长途运输以及跨省市运输非常困难，且存在环境和安全风险，运输成本也较高。另一方面，由于水泥产品对氯含量有严格的要求，该方法首先要对飞灰进行水洗，工艺流程较长，需要增加设备成本，飞灰水洗的运行成本也很高。

第二种，飞灰高温熔融后形成玻璃体，作为混合材加入水泥中。该方法可以降低掺入水泥的氯含量，而且混合材属于一般固废，无长途运输的安全和环境风险。但是，该方法并不能直接由飞灰制得水泥，只能制得玻璃体作为水泥混合材使用，也需要将混合材运输到水泥厂中，运输成本较高。更为重要的是，飞灰高温熔融后的高温熔液，温度较高，目前普遍使用水淬，导致水淬后的玻璃体含水率较高，在加入水泥之前需要进行烘干，消耗大量的能源。高温熔液本身具有很高的显热，水淬将该部分显热转化为水的显热和水蒸气的潜热而浪费掉了，并没有将能量进行有效利用。

针对以上问题，本发明开发了一种新的利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，包括以下步骤：

S1.将飞灰与添加剂混合后加入到等离子熔融炉中，经等离子熔融处理得到高温玻璃液，所述添加剂至少包括SiO₂、Al₂O₃、MgO和Na₂CO₃；将飞灰与添加剂进行混合后，加入到等离子熔融炉中。等离子熔融炉内熔池平均温度在1500℃以上。在等离子熔融炉内，飞灰中的二噁英分解为小分子气体，重金属被固定在玻璃体中，实现飞灰的无害化。

添加剂主要包括三类物质，一是SiO₂、Al₂O₃等物质，既可以降低飞灰的熔融温度，又可以形成玻璃体；二是除氯物质，可以将飞灰中的氯去除，降低等离子熔融后玻璃体中的氯含量，从而进一步降低水泥产品中的氯含量。除氯物质的加入，可以省去飞灰水洗工艺及设备，大大降低飞灰处理成本，同时可以加大飞灰在水泥中的掺混比例，甚至可作为水泥的主要原料。三是MgO等物质，可以有利于提高所制得的水泥产品的质量。

S2.将石灰石与粘土混合，经破碎、粉磨、预热得到水泥生料；

S3.步骤S1得到的高温玻璃液和步骤S2得到的水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料；等离子熔融炉产生的高温熔液，温度在1500℃左右。在搅拌混合器内，将高温熔液与水泥生料混合，混合后加热保温温度为1400~1500℃、保温时间为15~30 min，使水泥生料发生干燥、脱水、碳酸盐分解、固相反应、烧结等，在此步骤中会发生如下反应：

石灰石600℃开始分解为CaO和CO₂，1100~1200℃分解反应迅速，1400~1500℃化合反应充分，因此将温度设置在1400~1500℃。高温熔液的主要成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、Fe₂O₃，再加上水泥生料中的石灰石和粘土，在搅拌混合器内发生生料熟化反应，生成水泥的主要成分，其中，Fe₂O₃主要来自于等离子熔融炉底部钢液层的Fe发生氧化反应。在搅拌混合器内，可使水泥生料迅速升温，使粘土的脱水、碳酸盐分解、固相反应、烧结等同时发生，最终使反应物处于新生的高活性状态。

S4.将步骤S3得到的水泥熟料快速冷却；快速冷却是为了提高水泥熟料质量，改善水泥熟料的易磨性。水泥熟料从1400~1500℃快速冷却到60~120℃，冷却时间为5~10 min。

换热后空气温度为700~800℃，热空气将水泥生料预热至300~400℃，空气温度为450~550℃，先冷却到180~200℃，再经除尘净化后排放。

S5.向S4得到的冷却后的水泥熟料中加入石膏，进行研磨即得水泥。

通过上述制备方法制得的水泥的比表面积为400~600 m²/kg，氯离子含量为0.01~0.03%，3天抗折强度为6~8 MPa，28天抗折强度为10~12 MPa，3天抗压强度为30~40 MPa，28天抗压强度为60~70 MPa。

实施例1

一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，包括以下步骤：

S1.选取某生活垃圾焚烧厂飞灰，其中飞灰的主要成分如下表1所示，

表1 飞灰的主要化学成分

化学成分	CaO	<![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]>	<![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]>	MgO	<![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]>	<![CDATA[K<sub>2</sub>O]]>	<![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]>	<![CDATA[SO<sub>3</sub>]]>	Cl	C	<![CDATA[H<sub>2</sub>O]]>	其它
													质量分数/%	49.19	7.84	1.15	1.15	4.79	3.25	1.07	4.23	13.36	5.60	4.86	3.51

将飞灰与添加剂混合后加入到等离子熔融炉中，经1500℃的等离子熔融处理得到高温玻璃液，所述添加剂包括SiO₂、Al₂O₃、MgO和Na₂CO₃。其中，添加剂中SiO₂：Al₂O₃：MgO：Na₂CO₃的质量比为20：10：5：20。

S2.将石灰石与粘土混合，经破碎、粉磨、预热至300℃得到粒径＜100μm的水泥生料；

S3.将步骤S1得到的高温玻璃液和步骤S2得到的水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料，其中加热保温温度为1400℃，保温时间为30 min；

S4.将步骤S3得到的水泥熟料，用常温空气快速冷却到60℃，冷却时间为10 min。冷却后空气温度为700℃，将该700℃的热空气将水泥生料预热后，空气温度为450℃，先冷却到180℃，再经除尘净化后排放；

S5.向S4得到的冷却后的水泥熟料中加入石膏，进行研磨即得水泥。

其中飞灰：添加剂：石灰石：粘土：石膏的质量比为100：30：30：10：10。

上述方法制得的水泥，所述水泥的比表面积为400m²/kg，氯离子含量为0.01%。

按照《通用硅酸盐水泥》标准（GB 175-2007）中的方法对制得的水泥进行检测，性能结果如下表2所示。

表2 水泥产品检测结果

检测项目	水泥产品	产品标准
			氯离子，%	0.01	≤0.06
3天抗折强度，MPa	6.2	≥3.5
			28天抗折强度，MPa	10.6	≥6.5
3天抗压强度，MPa	31.3	≥17.0
			28天抗压强度，MPa	63.5	≥42.5

将本方法所得到的水泥产品检测结果，与《通用硅酸盐水泥 GB 175-2007》中硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥（强度等级42.5）的标准进行对比。可以看到，本方法得到的水泥产品，性能优于产品标准。其中，氯离子含量为0.01wt%，3天、28天抗折强度分别为6.2 MPa、10.6 MPa，3天、28天抗压强度分别为31.3 MPa、63.5 MPa。

实施例2

一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，使用与实施例1相同的飞灰，方法步骤也与实施例1相近，区别在于：

S1.将飞灰与添加剂加入到等离子熔融炉中，经1550℃的等离子熔融处理得到高温玻璃液，所述添加剂包括SiO₂、Al₂O₃、MgO和Na₂CO₃。其中，添加剂中SiO₂：Al₂O₃：MgO：Na₂CO₃的质量比为40：30：25：40。

S2.将石灰石与粘土混合，并破碎粉磨、预热至400℃得到水泥生料；

S3.将步骤S1得到的高温玻璃液和步骤S2得到的水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料。加热保温温度为1500℃，保温时间为15 min；

S4.将步骤S3得到的水泥熟料，用冷空气快速冷却到120℃，冷却时间为5 min。冷却后空气温度为800℃，热空气将水泥生料预热后，空气温度为550℃，先冷却到200℃，再经除尘净化后排放；

其中飞灰：添加剂：石灰石：粘土：石膏的质量比为100：50：50：30：30。

上述方法制得的水泥，所述水泥的比表面积为600m²/kg，氯离子含量为0.03%。

采用与实施例1相同的检测方法对本实施例制得的水泥产品进行检测，结果如下表3所示。

表3 水泥产品检测结果

检测项目	水泥产品	产品标准
			氯离子，%	0.03	≤0.06
3天抗折强度，MPa	7.9	≥3.5
			28天抗折强度，MPa	11.8	≥6.5
3天抗压强度，MPa	38.6	≥17.0
			28天抗压强度，MPa	69.1	≥42.5

将本方法所得到的水泥产品检测结果，与《通用硅酸盐水泥GB 175-2007》中硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥（强度等级42.5）的标准进行对比。可以看到，本方法得到的水泥产品，性能优于产品标准。其中，氯离子含量为0.03wt%，3天、28天抗折强度分别为7.9 MPa、11.8 MPa，3天、28天抗压强度分别为38.6 MPa、69.1 MPa。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 将飞灰与添加剂混合后加入到等离子熔融炉中，经等离子熔融处理得到高温玻璃液；

S2. 将石灰石与粘土混合，经破碎、粉磨、预热得到水泥生料；

S3. 将步骤S1得到的高温玻璃液和步骤S2得到的水泥生料搅拌混合，并加热保温，得到水泥熟料；

S4. 将步骤S3得到的水泥熟料快速冷却到60~120℃，冷却时间为5~10 min；

S5. 向S4得到的冷却后的水泥熟料中加入石膏，进行研磨即得水泥；

所述水泥按质量份数配比，包括100份飞灰、30~50份添加剂、30~50份石灰石、10~30份粘土和10~30份石膏；所述添加剂至少包括SiO₂、Al₂O₃、MgO和Na₂CO₃；所述添加剂中SiO₂、Al₂O₃、MgO与Na₂CO₃的质量比为20~40：10~30：5~25：20~40；所述水泥的比表面积为400~600m²/kg，氯离子含量为0 .01~0 .03wt%，3天抗折强度为6~8 MPa，28天抗折强度为10~12MPa，3天抗压强度为30~40 MPa，28天抗压强度为60~70 MPa。

2.根据权利要求1所述的利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，其特征在于：步骤S2经所述破碎、粉磨、预热后得到的水泥生料粒径＜100μm，温度为300~400℃。

3.根据权利要求1所述的利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，其特征在于：步骤S3所述加热保温温度为1400~1500℃，保温时间为15~30min。

4.根据权利要求1所述的利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，其特征在于：步骤S4冷却水泥熟料时的冷却介质为常温空气，所述常温空气经换热温度升高为热空气，所述热空气经冷却、除尘净化后排放。

5.根据权利要求4所述的利用垃圾焚烧飞灰直接制备水泥的方法，其特征在于：步骤S4中常温空气与水泥熟料换热后温度升高至700~800℃，之后将换热得到的热空气用于步骤S2中水泥生料的预热。

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