CN114804802B - 一种利用工业废渣制备碳化砖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用工业废渣制备碳化砖的方法。本发明的利用工业废渣制备碳化砖的方法，包括如下步骤：S1：按重量份将20‑80份钢渣，20‑45份尾矿渣，5‑45份粉煤灰和5‑40份脱硫石膏混合，得到混合原料；S2：对混合原料进行干燥、球磨、筛分、成型、碳化养护，得到碳化砖。本发明的方法工艺流程简单、可靠，在减少碳化时间的同时提高了碳化效率和碳化产品的质量。

Description

一种利用工业废渣制备碳化砖的方法

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化回收利用技术领域，尤其是涉及一种利用工业废渣制备碳化砖的方法。

背景技术

随着我国工业生产的发展，各种工业废渣的产量日益增多。工业废渣的堆积不仅占用大量土地，而且还存在一定的安全隐患，长时间不经处理而直接堆存的工业废渣会污染土壤、水体和大气。尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣、脱硫石膏等大宗固体废弃物是每年产量最多的工业废渣，我国每年约产生三十多亿吨大宗固体废弃物，综合利用率不到60％。同时，我国钢渣、粉煤灰、脱硫石膏的再利用主要是用于制作水泥等建材或作为基建填充材料等，附加价值仍未得到充分利用。

建材生产行业是CO₂气体排放量最大的行业之一，同时建材生产过程中还会产生大量的SO₂、NO_x等污染气体，对大气环境造成直接污染。随着现代化工业的高速发展，人们对建材的需求量仍会增长，未来建材生产量不会大幅下降，由此而产生的CO₂减排问题和大气污染问题亟需解决。利用工业上产生的大宗固体废弃物制造生产高附加值的建材，既可以解决工业废渣堆存带来的环境问题，又可以减少建材生产过程中产生的污染，同时碳化过程可以固定一定量的CO₂，使建材生产行业更加节能减排，是利国利民的节能环保措施。此外，制得的碳化建材除了碳化砖的形式外，还可以是碳化板材、砌块等形式，应用范围广。

CN107879704A公开了一种以钢渣为主要原料制备碳化砖方法，将钢渣、煤油和助磨剂混合球磨后点燃，冷却得到燃烧渣，再将燃烧渣粉碎、过筛，得到预处理钢渣粉，再将骨料、预处理钢渣粉、熟石灰和分散液搅拌混合后，浇筑成型，恒温恒湿静置，得砖坯，随后将砖坯进行蒸压养护，并用食醋熏蒸，制得熏蒸砖坯，再将熏蒸砖坯转入碳化箱中，恒温恒湿碳化，出料得到复合钢渣碳化砖。该方法可综合利用的工业废渣种类和数量有限，且存在工艺流程复杂、生产条件要求苛刻、制备成本较高等缺陷。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用工业废渣制备碳化砖的方法，该方法工艺流程简单、可靠，在减少碳化时间的同时提高了碳化效率和碳化产品的质量。

本发明提供一种利用工业废渣制备碳化砖的方法，包括如下步骤：

S1：按重量份将20-80份钢渣，20-45份尾矿渣，5-45份粉煤灰和5-40份脱硫石膏混合，得到混合原料；

S2：对混合原料进行干燥、球磨、筛分、成型、碳化养护，得到碳化砖。

本发明对混合原料中的各工业废渣不作严格限制；具体地，钢渣可以为电炉钢渣、转炉钢渣和平炉钢渣中的至少一种，钢渣中氧化钙含量为35％以上，钢渣的细度可以为330-430m²/kg；脱硫石膏可以为电厂或钢厂采用湿法烟气脱硫工艺产生的脱硫石膏，脱硫石膏的pH值可以为6-9；尾矿渣可以为铁尾矿渣或铅锌尾矿渣；粉煤灰可以为电厂锅炉或工业锅炉烟气除尘产生的粉煤灰。

步骤S1中，混合原料中钢渣、尾矿渣、粉煤灰和脱硫石膏之间的重量比优选为(50-80)：(20-30)：(10-20)：(5-30)，进一步优选为(75-80)：(20-25)：(10-20)：(5-20)，更优选为80：20：10：5。

步骤S2中，对混合原料的干燥方式不作严格限制，例如可以用工业炉窑或锅炉的烟气余热烘干混合原料，工业炉窑或锅炉的烟气温度可以为70-120℃；特别是，可以控制干燥后的混合原料的含水率为3％以下(即含水率0-3％)。

步骤S2中，可以采用球磨机对干燥后的混合原料进行球磨，球磨混合原料的粒度可根据实际生产需要进行合理调整；具体地，球磨可以为将干燥后的混合原料球磨至2.5mm以下，优选球磨至0.075mm以下；筛分为过2.5mm以下圆孔筛，优选过0.075mm圆孔筛；此外，可以控制圆孔筛筛余不超过12％。

步骤S2中，成型可以包括：

A)向筛分后的混合原料中加入占混合原料质量2-30％的水，搅拌1-5min后静置水化30-240min，得到混合湿粉原料；

B)将混合湿粉原料放入成型模具中压制成型，控制成型压力为3-20MPa，优选为3-5MPa；最大压力时静置1-2min；成型时间为40-80min，优选为45-60min。

步骤A)中，按重量配比称量好水和混合原料干粉后投入搅拌机中搅拌均匀，加水量优选为占混合原料质量的15-25％，静置水化时间优选为180-240min。研究表明：采用上述配比的混合原料进行特定的干燥、球磨、筛分后，各原料之间具有良好的配合关系，在压制成型时仅需较低的成型压力及较短的成型时间即可获得良好的成型效果，不仅克服了现有技术生产条件要求苛刻、制备成本较高等问题，同时提高了可综合利用的工业废渣种类和数量。

步骤B)中，搅拌好的拌合料取出入模，在模具中压制成型，或在振动台上振动成型；此外，成型后的成型料的宽度与高度之比可以为1：(0.9-1.1)，优选为1：1左右，该尺寸有利于成型料在碳化养护设备内的移动更加平稳。

步骤S2中，采用碳化养护设备进行碳化养护；具体地，可以在碳化养护设备中引入工业炉窑或锅炉的烟道气进行碳化养护；其中，烟道气中CO₂浓度可以为10-25％，烟道气温度(即碳化养护温度)可以为50-90℃，例如为60-80℃。此外，碳化养护时间可以为60-210min，优选为90-150min。

本发明对碳化养护采用碳化养护设备不作严格限制，例如可以采用恒温碳化隧道窑等；具体地，成型后的试块进行脱模，脱模后的初坯放入恒温碳化隧道窑，同时引入某电厂锅炉的烟道气进行恒温恒湿碳化养护，得到碳化砖产品。

在一实施方式中，碳化养护设备可以包括本体，在本体侧壁的上部和下部分别设有进料口和出料口，在本体的底部和顶部分别设有用于烟道气进出的进风口和出风口，在本体的内部自上向下间隔且错位设有多个向下倾斜设置的折流挡板；特别是，在本体侧壁自上向下间隔设有多个用于烟气进入的补风口，补风口设置在相邻的两个折流挡板之间。

上述结构的碳化养护设备利用多段逆流换热方式提高了换热效率和生产效率，实现了连续生产，增加了单位时间产量，减少了装炉出炉的工作量，克服了常规隧道窑和竖窑存在的物料堆积紧密、透气性差、气流分布均匀性差、窑内温度分布不均匀等技术问题，采用工业炉窑或锅炉排出的具有一定余温的烟道气作为加热热源，设备内部温度分布均匀，透气性好，能够良好地满足恒温碳化养护工艺条件的要求，运行成本低，碳化养护及节能减排效果好。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明综合利用钢渣、尾矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等多种工业废渣制备碳化建材，变废为宝，消耗多种工业废渣，提高了各种大宗固体废弃物的综合利用率；

2、本发明解决了现有技术制得的钢渣碳化砖制备成本较高、工艺流程复杂、生产条件要求苛刻、产品强度较低、生产效率较低等技术难题；

3、本发明方法中的烘干和碳化过程可以采用工业炉窑或锅炉排出的有一定余温的烟道气，工艺流程简单、可靠，减少了碳化时间，提高了碳化效率和碳化产品质量，生产成本低，碳化效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一实施方式的利用工业废渣制备碳化砖的工艺流程图；

图2为本发明一实施方式的碳化养护设备的外部结构示意图；

图3为本发明一实施方式的碳化养护设备的内部结构示意图。

附图标记说明：

1：本体；2：进料口；3：出料口；4：进风口；5：出风口；6：折流挡板；7：补风口；8：控制门。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“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。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的利用工业废渣制备碳化砖的方法，步骤如下：

1、工业废渣原料

钢渣：取某钢厂电炉钢渣，其氧化钙含量为35％以上，细度为330m²/kg；

尾矿渣：取某工厂的铁尾矿渣；

粉煤灰：取某电厂锅炉烟气除尘产生的粉煤灰；

脱硫石膏：取某电厂采用湿法烟气脱硫工艺产生的脱硫石膏，脱硫石膏的pH值为6-9。

2、制备混合干料

按钢渣80份、尾矿渣20份、粉煤灰10份、脱硫石膏5份的比例混合，得到混合原料。

采用某电厂锅炉烟气余热(120℃左右)对上述混合原料进行烘干，得到含水率1％的混合干料。

3、成型

用球磨机将上述混合干料球磨至0.075mm左右，过0.075mm圆孔筛，圆孔筛筛余10％。

向球磨过筛后的混合干料中加入占混合干料质量20％的水，搅拌3min，再静置水化时间为210min，得到混合湿料。

将混合湿料放入成型模具中压制成型，成型压力为5MPa，最大压力时静置1min，成型时间为60min，成型后脱模，得到成型料。

4、碳化养护

将成型料放入恒温碳化隧道窑，同时引入某电厂锅炉的烟道气进行恒温恒湿碳化养护，烟道气CO₂浓度为20％，烟道气温度(即碳化养护温度)为60℃，碳化养护时间为120min，得到碳化砖产品。

采用GBT2542方法对本实施例碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本实施例制备的碳化砖产品抗压强度为23.1MPa。

实施例2

本实施例的利用工业废渣制备碳化砖的方法，步骤如下：

1、制备混合干料

取实施例1工业废渣原料，按钢渣75份、尾矿渣20份、粉煤灰10份、脱硫石膏20份的比例混合，得到混合原料。

采用某电厂锅炉烟气余热(100℃左右)对上述混合原料进行烘干，得到含水率1％的混合干料。

2、成型

用球磨机将上述混合干料球磨至0.075mm左右，过0.075mm圆孔筛，圆孔筛筛余10％。

向球磨过筛后的混合干料中加入占混合干料质量15％的水，搅拌5min，再静置水化时间为180min，得到混合湿料。

将混合湿料放入成型模具中压制成型，成型压力为3MPa，最大压力时静置2min，成型时间为45min，成型后脱模，得到成型料。

3、碳化养护

将成型料放入恒温碳化隧道窑，同时引入某电厂锅炉的烟道气进行恒温恒湿碳化养护，烟道气CO₂浓度为12％，烟道气温度为60℃，碳化养护时间为150min，得到碳化砖产品。

采用GBT2542方法对本实施例碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本实施例制备的碳化砖产品抗压强度为22.5MPa。

实施例3

本实施例的利用工业废渣制备碳化砖的方法，步骤如下：

1、工业废渣原料

钢渣：取某钢厂转炉钢渣，其氧化钙含量为35％以上，细度为430m²/kg；

尾矿渣：取某工厂的铅锌尾矿渣；

粉煤灰：取工业锅炉烟气除尘产生的粉煤灰；

脱硫石膏：取某钢厂采用湿法烟气脱硫工艺产生的脱硫石膏，脱硫石膏的pH值为6-9。

2、制备混合干料

按钢渣75份、尾矿渣25份、粉煤灰20份、脱硫石膏10份的比例混合，得到混合原料。

采用某电厂锅炉烟气余热(80℃左右)对上述混合原料进行烘干，得到含水率2％的混合干料。

3、成型

用球磨机将上述混合干料球磨至0.1mm左右，过0.1mm圆孔筛，圆孔筛筛余8％。

向球磨过筛后的混合干料中加入占混合干料质量25％的水，搅拌1min，再静置水化时间为240min，得到混合湿料。

将混合湿料放入成型模具中压制成型，成型压力为5MPa，最大压力时静置2min，成型时间为60min，成型后脱模，得到成型料。

4、碳化养护

将成型料放入恒温碳化隧道窑，同时引入某电厂锅炉的烟道气进行恒温恒湿碳化养护，烟道气CO₂浓度为14％，烟道气温度为60℃，碳化养护时间为90min，得到碳化砖产品。

采用GBT2542方法对本实施例碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本实施例制备的碳化砖产品抗压强度为22.0MPa。

实施例4

本实施例的利用工业废渣制备碳化砖的方法，除碳化养护设备不采用常规恒温碳化隧道窑，而采用如下结构的碳化养护设备之外，其余与实施例1基本相同。

结合图2、图3所示，本实施例采用的碳化养护设备包括本体1(也称为窑体)，在本体1侧壁的上部和下部分别设有用于成型料进出的进料口2和出料口3，在本体1的底部和顶部分别设有用于烟道气进出的进风口4和出风口5，在本体1的内部自上向下间隔且错位设有多个向下倾斜设置的折流挡板6，成型料从进料口2经多个折流挡板6进入出料口3。

上述碳化养护设备在本体1上设有进料口2、出料口3、进风口4和出风口5，在本体1内部自上向下间隔且错位设有多个折流挡板6，折流挡板6向下倾斜设置，进料口2设置在第一个折流挡板6的前端，出料口3设置在最后一个折流挡板6的后端，成型料从进料口2送至第一个折流挡板6，再经第一个折流挡板6送至下一个折流挡板6，最后一个折流挡板6上的成型料经出料口3送出本体1，实现了碳化砖的连续生产；此外，采用自动化进出料方式，增加了单位时间产量，减少了装炉出炉的工作量，最大程度地提高了成型料的生产效率。

该碳化养护设备引入工业炉窑或锅炉的烟道气作为加热热源，此时进风口4可与工业炉窑或锅炉的烟道气出口连接。在进行碳化养护时，烟道气从进风口4进入本体1内部，与经进料口2进入本体1内部的成型料逆流换热，折流挡板6向下倾斜设置，成型料在折流挡板6上依靠自身重力向前滑行，连续运行直至进到出料口3，多个折流挡板6在本体1内部形成多段逆流换热，大大增加了单位时间产量；同时，由于物料行进方向与烟气流动方向呈逆流，从而提高了传热效率。

进一步地，在本体1侧壁自上向下间隔设有多个用于烟道气进入的补风口7，补风口7可以设置在相邻的两个折流挡板6之间，补风口7与工业炉窑或锅炉的烟道气出口连接。多个补风口7送入的中低温烟道气与成型料逆流换热，从而保证了本体1内部上下温度的梯度小，设备内部温度分布均匀。

对补风口7的设置数量与设置位置不作严格限制，可以根据本体1内部的温度场需要灵活设置；具体地，可以在每两个相邻折流挡板6之间设置一个补风口7，多个补风口7可以依次分布在本体1侧壁的相对两侧。在折流挡板6的数量为n时，补风口7的数量可以为n-2个至n-4个。更具体地，本实施例设置十个折流挡板6，对应地设置八个补风口7。

在折流挡板6的末端设置缺口(除最后一个折流挡板6)，此时成型料可以经折流挡板6末端的缺口进入下一个折流挡板6。特别是，成型料能够在折流挡板6末端的缺口处翻转，此时成型料在折流挡板6最低处的缺口进入下一层折流挡板6时会翻转一面，使原来在底面与折流挡板6接触的面暴露在烟气中，使成型料的各面受热碳化均匀，进而提高了产品质量。在进行低温碳化养护时，相邻成型料之间可以设置一定的间隔，以便使成型料可以四面受热碳化，进而缩短碳化养护时间。

对折流挡板6的向下倾斜设置角度不作严格限制，可根据根据产品砖的摩擦系数、重力等特性，结合所需产品砖在窑内的停留时间来调节折流挡板6的向下倾斜角度。此外，成型料的宽度与高度之比可以为1：(0.9-1.1)，例如1：1，从而有利于成型料在碳化养护设备内平稳移动。

出风口5可与抽风机连接，烟道气从进风口4送入，与成型料逆流换热，换热完成后冷的烟道气可通过抽风机从出风口5抽出；同时，补风口7送入的成型料与成型料逆流换热，换热完成后与进风口4送入的烟道气一同从出风口5抽出。

在进料口2和出料口3分别设置控制门8，在碳化养护过程中可以通过控制门8使进料口2和出料口3处于封闭状态，从而避免本体1内部的温度波动。在碳化养护过程中，本体1内部维持微正压，从而能尽可能降低开关进料口2和出料口3的控制门8所带来的温度波动。

对本体1的形状和尺寸不作严格限制，可根据实际生产需求合理设置；具体地，本体1的形状可以设置为立方体。上述碳化养护设备利用的烟道气中CO₂浓度为10-25％，烟道气温度为50-90℃，利用烟道气进行碳化养护后，烟道气余热为净化后可直接排放的烟道气余热，烟道气从该养护设备流出后仅降低温度和二氧化碳含量，可直接排放。

采用GBT2542方法对本实施例碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本实施例制备的碳化砖产品抗压强度为26.0MPa。

对照例1

除工业废渣原料仅采用实施例1的钢渣，不复配尾矿渣、粉煤灰、脱硫石膏之外，其余与实施例1基本相同。

采用GBT2542方法对本对照例制备的碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本对照例的碳化砖产品的抗压强度为11.5MPa。

对照例2

除混合原料按钢渣100份、粉煤灰10份、脱硫石膏5份的比例混合制得之外，其余与实施例1基本相同。

采用GBT2542方法对本对照例制备的碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本对照例的碳化砖产品的抗压强度为15.1MPa。

对照例3

除采用电石泥替换实施例1的尾矿渣之外，其余与实施例1基本相同。

采用GBT2542方法对本对照例制备的碳化砖的抗压强度进行测试，结果表明：本对照例的碳化砖产品的抗压强度为13.8MPa。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种利用工业废渣制备碳化砖的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：按重量份将75-80份钢渣，20-25份尾矿渣，10-20份粉煤灰和5-20份脱硫石膏混合，得到混合原料；

S2：对混合原料进行干燥、球磨、筛分、成型、碳化养护，得到碳化砖；

成型包括：

A）向筛分后的混合原料中加入占混合原料质量2-30%的水，搅拌1-5min后静置水化30-240min，得到混合湿粉原料；

B）将混合湿粉原料放入成型模具中压制成型，控制成型压力为3-5MPa，最大压力时静置1-2min，成型时间为40-80min；

在碳化养护设备中引入工业炉窑或锅炉的烟道气进行碳化养护；烟道气中CO₂浓度为10-25%，烟道气温度为50-90℃，碳化养护时间为60-210min；

碳化养护采用碳化养护设备进行，碳化养护设备包括本体，在本体侧壁的上部和下部分别设有进料口和出料口，在本体的底部和顶部分别设有用于烟道气进出的进风口和出风口，在本体的内部自上向下间隔且错位设有多个向下倾斜设置的折流挡板，成型料从进料口经多个折流挡板进入出料口。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制干燥后的混合原料的含水率为3%以下。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，球磨为将干燥后的混合原料球磨至2.5mm以下；筛分为过2.5mm以下圆孔筛，控制圆孔筛筛余不超过12%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，成型后的成型料的宽度与高度之比为1：（0.9-1.1）。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，钢渣为电炉钢渣、转炉钢渣和平炉钢渣中的至少一种，钢渣中氧化钙含量为35%以上；脱硫石膏为电厂或钢厂采用湿法烟气脱硫工艺产生的脱硫石膏，脱硫石膏的pH值为6-9；尾矿渣为铁尾矿渣或铅锌尾矿渣；粉煤灰为电厂锅炉或工业锅炉烟气除尘产生的粉煤灰。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在本体侧壁自上向下间隔设有多个用于烟气进入的补风口，补风口设置在相邻的两个折流挡板之间。

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