CN114605079A - 一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法 - Google Patents
一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于废物资源化利用和纤维制备技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧灰渣‑玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，该方法中原材料包括废弃渣料、基础材料以及用于调配废弃渣料和基础材料的混合料内部化学成分比例的调节材料，所述废弃渣料为废弃硅铝质材料，包括灰渣、飞灰、水洗后的飞灰或粉煤灰等，所述基础材料为玄武岩或与其成分相近的火成岩，如辉绿岩、辉长岩、安山玢岩等，所述调节材料为凝灰岩或凝灰熔岩，以及钙基材料。本发明提供了一种高效减容处理灰渣、飞灰和集约化制备玄武岩纤维的技术，具有资源利用率高、环境友好、产业化前景大的特点，能够真正实现“变废为宝”的目的，具有显著的环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于废物资源化利用和纤维制备技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法。
背景技术
垃圾焚烧发电是“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，但是焚烧处理后产生约占垃圾重量3％～5％的飞灰和25％～30％的灰渣。“飞灰”中含有二噁英和重金属，必须先对其进行“无毒化”处理，处理后的产物方可进行填埋或资源化利用。另一方面，尽管灰渣中重金属浸出量基本符合《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》的要求，但直接填埋灰渣将侵占大量土地，且填埋后随着时间推移，离子会累积富集，影响周边环境，故灰渣也须进行无害化处置和资源化利用。
熔融固化是一种有效的减量化和无害化处理灰渣、飞灰的方式。熔融固化是在高温(1300℃以上)状况下，使灰渣、飞灰中的二噁英等有机物彻底分解破坏，而重金属等则被固定在玻璃网络结构的熔渣中。灰渣、飞灰经熔融处理后，减容可达2/3以上，二噁英能被彻底分解，重金属固化率能达到98％，可以说，熔融法的综合处理效果明显优于其他处理方法(固化法、烧结法和化学药剂法)。但是，熔融处理法所需要的能源和费用较高。因此，如何降低熔融成本和提高熔渣的附加价值是大范围推广熔融固化的必要条件。
玄武岩纤维是以天然玄武岩为主要原料，通过熔融-拉丝工艺制成的非晶态硅酸盐连续纤维。连续玄武岩纤维具有突出的力学性能、耐高温性、耐酸碱性，且吸湿性低、绝缘性好、绝热隔音性能优异，被广泛应用于航空航天、建筑、化工、医学、电子、农业等领域，属于我国重点发展的四大纤维材料之一，被誉为21世纪的新材料。目前，玄武岩纤维的售价约为20000元/吨，具有较好的经济效益。
能否制备出连续玄武岩纤维，取决于被熔融原料中各化学成分之间的比例关系。高温熔融状态下，被熔固体原料变为流动熔体，不再保留最初的矿物结构。理论上，具有相似化学成分的硅酸盐原料，只要所得熔体适宜于拉丝工艺，均可能制备出相关纤维产品。灰渣、飞灰和玄武岩矿石都属于硅铝质材料，具有许多相同的化学成分。因此，本发明创新地将灰渣、飞灰的熔融处理并入制备玄武岩纤维的熔融工艺中，即协同熔融制备连续玄武岩纤维。这样既能破解大范围推广熔融固化法所面临的限制性条件，又能有效降低玄武岩纤维的生产成本和提高连续拉丝的成功率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的缺陷与不足，提供一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，该方法中原材料包括废弃渣料、基础材料以及用于调配废弃渣料和基础材料的混合料内部化学成分比例的调节材料，所述废弃渣料为废弃硅铝质材料，主要包括灰渣、飞灰、水洗后的飞灰或粉煤灰等，所述基础材料为玄武岩或与其成分相近的火成岩，如辉绿岩、辉长岩、安山玢岩等，所述调节材料为凝灰岩或凝灰熔岩，以及钙基材料(生石灰、石灰石、废弃硫酸钙)。
优选的，所述方法包括以下步骤：
(1)对废弃渣料、基础材料和调节材料分别取样分析其化学成分比例；
(2)根据各材料的化学成分比例动态配置混合颗粒原料；
(3)对混合颗粒原料进行均化处理，然后经原料储藏器均匀的投到熔样炉内，得均匀熔体；
(4)将熔体转移到拉丝系统进行拉丝，得连续玄武岩纤维。
优选的，所述步骤(1)中取样分析前先将废弃渣料混合均匀、将基础材料和调节材料分别破碎加工至粒径5mm以下，所述取样分析选用XRF定量分析或红外光谱分析。
优选的，所述步骤(2)中动态配置的方法，包括以下步骤：
S1、将废弃渣料、基础材料和调节材料中各化学成分比例输入Excel工作表中；
S2、将指标AC、指标RFe和指标B的计算公式输入Excel工作表中，所述指标AC为酸度系数，其计算公式为：
所述指标RFe，描述FeO与Fe2O3之间的质量关系：
所述指标B，为硅铝质氧化物与其它主要氧化物间关系：
上述各式中m表示混合物中某一氧化物的质量，下标表示对应的氧化物的名称；
S3、确定目标函数，设置目标值为废弃渣料中灰渣和飞灰质量之和的最大值；
S4、确定自变量，在Excel工作表“通过更改可变单元格”中输入各原料的假设掺入量；
S5、确定约束条件：3.5≤AC≤5.2,RFe≥0.5,B≥0.5,混合颗粒原料中各氧化物的比例范围：48≤SiO2≤58，12≤Al2O3≤19，7≤Fe2O3+FeO≤14，6≤CaO≤15，3≤MgO≤7，2.5≤K2O+Na2O≤6；
S6、利用Excel软件规划求解功能，获得各自变量的掺入量。
优选的，所述步骤(3)中均化处理方法为搅拌均匀后研磨至200目，使各材料充分混合。
优选的，所述步骤(3)中熔样炉内通过电或气或电、气结合，升温至1450℃以上，把混合材料彻底熔融，使熔体均匀，温度和粘稠度保持稳定，熔体的深度达30cm。
优选的，所述步骤(4)中熔体通过转移通道转移到拉丝系统，所述转移通道底面高出熔炉底面10cm。
优选的，所述步骤(4)中熔体在拉丝系统中通过铂铑合金漏板，在自重牵引作用下拉丝生成连续玄武岩纤维。
采用上述技术方案后，本发明提供的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，具有以下有益效果：
1)本发明采用协同熔融，创新地将灰渣、飞灰的熔融固化过程并入制备玄武岩纤维的熔融工艺中，用同一套装置实现双重目的；这是处置焚烧灰渣、飞灰的新思路，既能熔融固化危险废物，又能制备出经济价值高的连续玄武岩纤维，从而真正实现了变“变废为宝”的目的；
2)本发明选用在我国分布广泛，价格低廉的火山凝灰岩(凝灰熔岩)作为调节材料，能够有效提高二氧化硅和氧化铝地含量，使得含硅量低的超基性火成岩也能用于制备连续玄武岩纤维，扩大了原材料的选择范围；
3)本发明通过动态配置，高效处理灰渣、飞灰，充分考虑各种材料的天然离散特性，根据每批材料自身的成分组成，采用动态配置的方法，在三个指标同时满足的条件下，获得最适合连续拉丝的混合颗粒，提高连续拉丝的成功率。
附图说明
图1为采用本发明一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法的技术路线图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
本发明提供的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，该方法中原材料包括废弃渣料、基础材料以及用于调配废弃渣料和基础材料的混合料内部化学成分比例的调节材料，所述废弃渣料为废弃硅铝质材料，主要包括灰渣、飞灰、水洗后的飞灰或粉煤灰等，所述基础材料为玄武岩或与其成分相近的火成岩，如辉绿岩、辉长岩、安山玢岩等，所述调节材料为凝灰岩或凝灰熔岩，以及钙基材料(生石灰、石灰石、废弃硫酸钙)。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)将废弃渣料(灰渣、飞灰)混合均匀，并随机抽取部分样品，进行XRF定量分析(或红外光谱分析法)，获得该批次灰渣、飞灰(或其它废弃渣料)中各化学成分的比例；将基础材料(天然玄武岩或其它基础材料)和调节材料分别破碎加工成粒径5mm以下的碎石状固体颗粒，并随机分别取其中一小部分，作为样品，进行XRF定量分析(或红外光谱分析法)，获得本批次各材料的化学成分比例；
(2)根据各材料的化学成分比例动态配置混合颗粒原料，具体的，基于步骤(1)中获得的各材料的化学成分比例，借助EXCEL规划求解功能，计算容易连续拉丝的混合颗粒材料配比；
(3)对混合颗粒原料进行均化处理，然后经原料储藏器均匀的投到熔样炉内，得均匀熔体，具体的，根据步骤(2)计算出的各材料成分，配置混合颗粒，并采用搅拌等方式使各材料混合均匀，可以将混合后的各材料研磨至200目，使得各材料充分混合，把已经选好、加工好的混合颗粒原料储存到原料储藏器里，然后均匀地投到熔样炉里；
(4)将熔体转移到拉丝系统进行拉丝，得连续玄武岩纤维，具体的，在熔样炉里通过电或气或电、气结合，升温至1450℃以上，把混合材料彻底熔融，使熔体均匀，温度和粘稠度保持稳定，熔体的深度达30cm，把已熔好地熔体通过转移通道转移到拉丝系统，所述转移通道底面应高出熔炉底面10cm，避免熔炉底部熔体直接进入拉丝区间(铂铑合金漏板)，熔体通过铂铑合金漏板，在自重牵引作用下拉丝生成连续玄武岩纤维，保证熔体在漏板上恒温和均匀。
进一步的，上述步骤(2)中利用EXCEL软件中的规划求解功能实现动态配置的方法，具体包括以下步骤：
S1、将废弃渣料、基础材料和调节材料中各化学成分比例输入Excel工作表中，即将飞灰、灰渣、玄武岩、凝灰岩以及生石灰中各化学成分的比例输入Excel工作表中，见表1中单元格B2-单元格K6，需要说明的是，在掺入量一列，即M列先输入假设的掺入量；
表1配料计算表格(用于说明配料过程)|
S2、将指标AC、指标RFe和指标B的计算公式输入Excel工作表中，所述指标AC为酸度系数，其计算公式为：
所述指标RFe，描述FeO与Fe2O3之间的质量关系：
所述指标B，为硅铝质氧化物与其它主要氧化物间关系：
上述各式中m表示混合物中某一氧化物的质量，下标表示对应的氧化物的名称；
S3、确定目标函数，设置目标值为废弃渣料中灰渣和飞灰质量之和的最大值，即表1单元格M2+单元格M3；
S4、确定自变量，在Excel工作表“通过更改可变单元格”中输入各原料的掺入量，即表1中单元格M2、M3、M4、M5和M6；
S5、确定约束条件：各指标范围如下：3.5≤AC≤5.2,RFe≥0.5,B≥0.5，
混合颗粒原料中各氧化物的比例范围如表2所示：
表2适合连续拉丝的氧化物成分比例
S6、利用Excel软件规划求解功能，获得各自变量的掺入量。
需要说明的是，获得各掺入量的方法并不仅限于借助EXCEL软件，还包括能够保证上述约束条件的其他方法，在此不作赘述。
综上所述，本发明提供的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，提供了一种高效减容处理灰渣、飞灰和集约化制备玄武岩纤维的技术，不仅适用于固废处理企业，也适用于纤维制造行业，具有资源利用率高、环境友好、产业化前景大的特点，能够正真实现“变废为宝”的目的，具有显著的环境效益和经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于，该方法中原材料包括废弃渣料、基础材料以及用于调配废弃渣料和基础材料的混合料内部化学成分比例的调节材料，所述废弃渣料为废弃硅铝质材料，所述基础材料为玄武岩或与其成分相近的火成岩，所述调节材料为凝灰岩或凝灰熔岩，以及钙基材料。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对废弃渣料、基础材料和调节材料分别取样分析其化学成分比例；
(2)根据各材料的化学成分比例动态配置混合颗粒原料；
(3)对混合颗粒原料进行均化处理，然后经原料储藏器均匀的投到熔样炉内，得均匀熔体；
(4)将熔体转移到拉丝系统进行拉丝，得连续玄武岩纤维。
3.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(1)中取样分析前先将废弃渣料混合均匀、将基础材料和调节材料分别破碎加工至粒径5mm以下，所述取样分析选用XRF定量分析或红外光谱分析。
4.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(2)中动态配置的方法，包括以下步骤：
S1、将废弃渣料、基础材料和调节材料中各化学成分比例输入Excel工作表中；
S2、将指标AC、指标RFe和指标B的计算公式输入Excel工作表中，所述指标AC为酸度系数，其计算公式为：
所述指标RFe，描述FeO与Fe2O3之间的质量关系：
所述指标B，为硅铝质氧化物与其它主要氧化物间关系：
上述各式中m表示混合物中某一氧化物的质量，下标表示对应的氧化物的名称；
S3、确定目标函数，设置目标值为废弃渣料中灰渣和飞灰质量之和的最大值；
S4、确定自变量，在Excel工作表“通过更改可变单元格”中输入各原料的假设掺入量；
S5、确定约束条件：3.5≤AC≤5.2,RFe≥0.5,B≥0.5,混合颗粒原料中各氧化物的比例范围：48≤SiO2≤58，12≤Al2O3≤19，7≤Fe2O3+FeO≤14，6≤CaO≤15，3≤MgO≤7，2.5≤K2O+Na2O≤6；
S6、利用Excel软件规划求解功能，获得各自变量的掺入量。
5.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(3)中均化处理方法为搅拌均匀后研磨至200目，使各材料充分混合。
6.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(3)中熔样炉内通过电或气或电、气结合，升温至1450℃以上，把混合材料彻底熔融，使熔体均匀，温度和粘稠度保持稳定，熔体的深度达30cm。
7.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(4)中熔体通过转移通道转移到拉丝系统，所述转移通道底面高出熔炉底面10cm。
8.根据权利要求2所述的一种垃圾焚烧灰渣-玄武岩协同熔融制备连续玄武岩纤维的方法，其特征在于：所述步骤(4)中熔体在拉丝系统中通过铂铑合金漏板，在自重牵引作用下拉丝生成连续玄武岩纤维。
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