CN115010392A - 一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法，首先对玻化煤气化炉渣进行破碎、筛分等处理，分别得到预处理玻化炉渣砂料和玻化炉渣粉料；将所得玻化炉渣粉料作为混凝土的矿物掺合料；将所得预处理玻化炉渣砂料依次进行高温碱性雾气表面侵蚀处理和硅烷偶联剂溶液浸泡处理，得玻化炉渣机制砂，将其作为混凝土的细集料。将所得机制砂和矿物掺合料同时应用于制备混凝土，可显著提升玻化煤气化炉渣等工业废弃物在混凝土中的资源化利用率，具有显著的经济和环境效益；同时，可有效保证所得混凝土的工作性能和力学性能，适合推广应用。

Description

一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法
技术领域
本发明属于固废资源综合利用及建筑材料技术领域，具体涉及一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法。
背景技术
机制砂通常为采用机械破碎和筛分等手段制备而成的粒径小于4.75mm的岩石颗。但矿石原料(卵石或岩石等)的开采和运输等问题，会对生态环境造成严重破坏，一定程度上限制了其广泛引用。
煤气化技术为我国能源战略的重要一环，但同时也会产生大量的煤气化炉渣。在气化炉的高温高压条件下，煤炭灰分中的矿物质完全熔融，发生分解并相互反应，液态熔渣经激冷后最终生成以非晶态玻璃体为主的气化炉渣。其中，玻化煤气化炉渣为煤炭经1600～2000℃的气流床煤气化炉，灰分和助融剂液化、激冷形成的玻璃质粒状炉渣，在最高温度可达1600～2000℃气化炉中，多种矿物质几乎完全熔融液化，因而形成的玻化炉渣为玻璃质粒状炉渣，相对于煤中的矿物质成分来说，玻化炉渣出现了更多的高温晶相，并具有类似机制砂的级配。但玻化炉渣细度模数高，级配波动大，颗粒尖锐，粗粒(大于5mm颗粒约5-15％)压碎值大，表面光滑裹浆性能差，导致配制混凝土易于离析泌水。此外，玻化煤气化炉渣同时容易引起浆体稠度增大、流动性差、凝结时间长、强度等问题，限制了其在混凝土中的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法，首先通过分选制备压碎值小的玻化煤气化炉渣砂料和粉料，然后对所得砂料进行表面改性处理，解决玻化煤气化炉渣压碎值偏大以及表面光滑裹浆性能差等问题；将所得砂料和粉料分别作为细集料和矿物掺合料，可实现玻化煤气化炉渣在混凝土中的高效资源化利用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法，包括以下步骤：
1)对玻化煤气化炉渣进行筛分，得到粒径小于3.0mm的低压碎值炉渣和粒径大于3.0mm的高压碎值炉渣；
2)将经步骤1)筛分所得高压碎值炉渣进行破碎，筛分得到粒径小于0.075mm的玻化炉渣粉料和粒径为0.075-3.0mm的砂料，并将0.075-3.0mm的砂料与步骤1)所得低压碎值炉渣混合，得到预处理玻化炉渣砂料；
3)收集步骤2)所得玻化炉渣粉料，将其作为混凝土的矿物掺合料；
4)将步骤2)所得预处理玻化炉渣砂料在高温碱性雾气中进行表面侵蚀处理，然后置于硅烷偶联剂溶液中进行浸泡，沥去溶液，干燥，得玻化炉渣机制砂，将其作为混凝土的细集料。
上述方案中，所述玻化煤气化炉渣的原始粒径为0-10mm，表观密度为2400-2800kg/m3，吸水率不大于10％，压碎值为20％以上。
上述方案中，所述玻化煤气化炉渣中主要化学成分及其所占质量百分比包括：SiO240-50％，Al2O3 20-30％，CaO 3-12％，Fe2O3 3-8％，SO3 0-3％，MgO 0-2％，K2O 0-2％，Na2O0-2％；烧失量5-15％。
上述方案中，所述高温碱性雾气通过将碱液进行雾化处理，再升温调控其温度而成；其温度为40-100℃。
上述方案中，所述碱液采用的碱源为硅酸钠、硅酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种；其浓度为1-10wt％。
优选的，所述碱源由硅酸钠和氢氧化钠按1:(1-4)的质量比组成。
上述方案中，所述表面侵蚀处理时间优选为2-48h。
上述方案中，所述硅烷偶联剂溶液由硅烷偶联剂与有机溶剂配制而成；其中硅烷偶联剂的浓度为0.1-5wt％。
优选地，所述硅烷偶联剂为KH550、KH570、A151、A171、A172等中的一种或几种；有机溶剂优选为无水乙醇、乙二醇、异丙醇等中的一种或几种。
上述方案中，步骤4)所述浸泡步骤采用温度20-70℃的封闭环境；浸泡时间优选为2-48h。
上述方案中，所述干燥温度为40-200℃，时间为2-48h。
将上述方案所得玻化炉渣粉料和玻化炉渣机制砂应用于制备混凝土，混凝土中各组分及其所占重量份数包括：水泥11-15份，玻化炉渣粉料1-6份，玻化炉渣机制砂28-39份，碎石40-50份，减水剂0.05～0.19份，水7-8份。采用本发明所述资源化利用手段，针对每方混凝土，最高可实现40wt％以上玻化炉渣组分的资源化利用，固废利用率较高，具有显著的环境和经济效益。
本发明以玻化煤气化炉渣为原料，首先采用干法制砂工艺，将制砂原料通过输送设备送到筛分机进行筛分处理，降低压碎值高的大颗粒含量，筛分的粗粒径(大于3.0mm)原料通过输送设备送到破碎机，改善物料压碎性能及细度模数；经过破碎机后形成的粉料用于制备混凝土掺合料，而0.075-3.0mm的玻化炉渣和第一步筛分所得低压碎值炉渣进一步经高温碱性雾气侵蚀与硅烷偶联剂表面改性等工艺制备得到成品玻化炉渣机制砂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明以玻化煤气化炉渣为原料制备机制砂和矿物掺合料，可有效缓解天然砂石材料缺乏、开采成本高等问题，有效实现玻化煤气化炉渣的资源化利用；
2)采用本发明所述方法，可有效控制成品玻化煤气化炉渣所制机制砂的压碎值、细度模数及与水泥浆的相容性等问题；将所得机制砂和矿物掺合料同时应用于制备混凝土，可显著提升玻化煤气化炉渣等工业废弃物在混凝土中的资源化利用率；同时可有效保证所得混凝土的工作性能和力学性能，适合推广应用；
3)本发明涉及的制备方法简单、操作方便，成本较低；具有显著的经济和环境效益。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，采用的玻化煤气化炉渣是某工厂提供的工业废弃物，其原始粒径为0-10mm，其中3mm以上颗粒压碎值为47.3％，3mm以下颗粒压碎值为28.9％，表面形貌光滑；表观密度为2635kg/m3，吸水率为0.5％；其中主要化学成分及其所占质量百分比包括：SiO245.87％，Al2O3 23.92％，CaO 10.64％，Fe2O3 4.63％，SO3 0.34％，MgO 0.93％，K2O1.42％，Na2O 0.78％；烧失量10.09％。
实施例1
一种玻化煤气化炉渣机制砂的资源化利用方法，具体包括如下步骤：
1)对玻化煤气化炉渣进行筛分，小于3.0mm的低压碎值炉渣占68wt％，大于3.0mm的高压碎值炉渣占32wt％；
2)采用鳄式破碎机对3.0mm以上高压碎值玻化煤气化炉渣进行破碎至3.0mm以下，然后进行筛分，将粒径在0.075-3.0mm的砂料与步骤1)中低压碎值炉渣混合，得预处理玻化炉渣砂料；得到粒径小于0.075mm的粉料作为矿物掺合料存入料仓；
4)按照以下质量份数配制碱性溶液：硅酸钠4份、NaOH 4份，水92份；将所得碱性溶液进行雾化处理后调控温度至80℃，形成高温碱性雾气；
5)将所得预处理玻化炉渣砂料置于步骤4)所得高温碱性雾气中进行表面侵蚀24h，冷却；
6)然后将经步骤5)处理所得玻化炉渣砂料浸泡于温度为60℃的硅烷偶联剂溶液(KH5502份，乙醇98份)中，将容器封闭，浸泡处理24h；然后沥去溶液，在150℃烘干箱中干燥48h，得到成品玻化炉渣机制砂。
本实施例所得玻化炉渣粉的比表面积为450m2/kg，活性测试结果如表1所示；所得玻化炉渣机制砂压碎值为26.8％，表观密度2628kg/m3(与原始玻化煤气化炉渣相差不大)。
应用例
将实施例1所得矿物掺合料和玻化炉渣机制砂应用于制备混凝土，各原料及其用量见表2。
对比例1
一种玻化煤气化炉渣机制砂的资源化利用方法，该方法与实施例1大致相同，不同之处在于，直接将步骤2)所得预处理玻化炉渣砂料作为机制砂成品。
将实施例1和对比例1所得砂料和粉料制备的混凝土分别与采用常规机制砂、原始玻化炉渣和常规粉煤灰的制备的混凝土进行对比，具体配方条件见表2，在采用的集料级配条件和制备工艺相同的条件下，所得混凝土的性能测试结果见表3。其中采用的粉煤灰为燃煤电厂烟道灰，其比表面积为600m2/kg，活性指数见表1；机制砂为玄武岩机制砂，其压碎值为23.2％，机制砂与各组玻化炉渣均符合2区级配；采用的水泥为P.O425水泥，粗集料为5-31.5mm的连续级配的石灰石碎石，且符合Ⅱ类碎石标准，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂(山西黄腾化工有限公司提供)，其减水率为25％。
表1实施例1所得玻化炉渣粉和对比例采用粉煤灰的活性指数测试结果(％)
样品 3d 7d 28d 90d
粉煤灰 67 71 82 89
玻化炉渣粉 75 82 90 96
表2采用不同细集料和矿物掺合料条件的混凝土配合比
Figure BDA0003557003770000041
表3采用不同细集料和矿物掺合料所得混凝土的性能测试结果
Figure BDA0003557003770000042
上述结果表明，将本发明所得玻化炉渣粉料和玻化炉渣机制砂应用于制备混凝土，可有效兼顾良好的工作性能和力学性能；有效解决玻化煤气化炉渣引入混凝土体系造成的凝结时间较长、易离析泌水以及强度不足等问题；同时可显著提升工业废弃物玻化煤气化炉渣在混凝土中的资源化利用率，具有显著的经济和环境效益。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种玻化煤气化炉渣的资源化利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对玻化煤气化炉渣进行筛分，得到粒径小于3.0mm的低压碎值炉渣和粒径大于3.0mm的高压碎值炉渣；
2)将经步骤1)筛分所得高压碎值炉渣进行破碎至3.0mm以下，筛分得到粒径小于0.075mm的玻化炉渣粉料和粒径为0.075-3.0mm的砂料，并将0.075-3.0mm的砂料与步骤1)所得低压碎值炉渣混合，得预处理玻化炉渣砂料；
3)收集步骤2)所得玻化炉渣粉料，将其作为混凝土的矿物掺合料；
4)将步骤2)所得预处理玻化炉渣砂料置于高温碱性雾气中进行表面侵蚀处理，冷却，然后置于硅烷偶联剂溶液中进行浸泡，沥去溶液，干燥，得玻化炉渣机制砂，将其作为混凝土的细集料。
2.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述玻化煤气化炉渣的原始粒径为0-10mm，表观密度为2400-2800kg/m3，吸水率为10％以下，压碎值为20％以上。
3.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述玻化煤气化炉渣中主要化学成分及其所占质量百分比包括：SiO2 40-50％，Al2O3 20-30％，CaO 3-12％，Fe2O3 3-8％，SO3 0-3％，MgO 0-2％，K2O 0-2％，Na2O 0-2；烧失量5-15％。
4.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述高温碱性雾气通过将碱液进行雾化处理，再升温调控其温度而成；其温度为40-100℃。
5.根据权利要求4所述的资源化利用方法，其特征在于，所述碱液采用的碱源为硅酸钠、硅酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种；其浓度为1-10wt％。
6.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述表面侵蚀处理时间为2-48h。
7.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂溶液由硅烷偶联剂与有机溶剂配制而成；其中硅烷偶联剂的浓度为0.1-5wt％。
8.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH550、KH570、A151、A171、A172中的一种或几种；有机溶剂为无水乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，步骤4)所述浸泡温度为20-70℃，时间为2-48h。
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