CN115448676A - 一种流化床固硫灰渣人造轻骨料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流化床固硫灰渣人造轻骨料。该人造轻骨料以重量百分数计，所述原料包括75%固硫灰渣和25%混合水泥，其中，混合水泥由硅酸盐水泥和铝酸盐水泥组成，固硫灰渣中SO3与铝酸盐水泥中Al2O3的摩尔比为3:1.5~5。其经计量、消化、混合搅拌、造粒成球，成球颗粒经过自然养护即得到人造轻骨料。本发明将固硫灰渣用于人造轻骨料的制备，经自然养护后筒压强度可达6.5~15MPa，1h吸水率≥3%，本发明能够处理利用硫含量12%以下的固硫灰渣，该人造轻骨料采用快凝快硬的铝酸盐水泥，提供了早期强度，通过铝酸盐水泥与固硫灰渣中硬石膏充分反应形成钙矾石，对固硫灰渣SO3进行固化，避免了后期固硫灰渣中的硬石膏参与反应形成钙矾石的危害。

Description

一种流化床固硫灰渣人造轻骨料
技术领域
本发明涉及一种流化床固硫灰渣人造轻骨料及其制备方法，属于人造轻集料技术领域。
背景技术
循环流化床燃烧技术是是一项近二十年来迅速发展起来的新一代高效、低污染清洁燃煤技术，成为发电厂和热电厂优选技术之一。可使用劣质煤或高硫煤发电，脱硫效率高，有效减少含硫气体、含氮气体的排放。但是循化流化床燃烧技术带来一个新难题是其燃烧产物固硫灰渣(从锅炉底部排出)和固硫灰(从尾部烟道收集)的排放量比一般的粉煤锅炉高约20％甚至50％-100％。目前我国每年因流化床燃烧技术而产生的固硫灰渣在8000万吨左右，并且这个数字每年迅速增加。
循环流化床燃煤技术为达到固硫目的，燃煤过程中加入大量石灰石，石灰石与SO2直接反应的速度太慢，所以直接反应吸收的SO2很少。石灰石煅烧后CO2析出，扩大石灰石的孔隙，为接下来的CaO固硫反应提供了更大的反应表面。固硫反应生成的CaSO4摩尔体积是CaO的3倍，生成的CaSO4完好覆盖在石灰表面，导致有部分未完全反应的石灰存在于固硫灰渣中。因此，固硫灰渣含有比较高的SO3含量和f-CaO，而把它作为混合材掺入水泥中很容易就会超过国家标准中规定的SO3限值，更关键的是的是会在水泥中引入高的硫酸盐含量，生成大量钙矾石引起水泥体系的膨胀开裂。另外，固硫灰渣中的无水石膏有着独特的溶解特性，溶解速率慢，溶解度高，后期参与水泥水化会破坏水泥安定性。固硫灰渣的颗粒表面结构疏松多孔且含有烧粘土性物质导致其标准净浆稠度需水量约为粉煤灰的1.5-2倍，会在水泥体系中引入大量水，对水泥基体强度产生不利影响。基于以上几点原因，固硫灰渣的利用存在阻碍，目前大多数固硫灰渣处于堆积待处理状态
发明内容
为了解决固硫灰渣制品膨胀开裂的问题，本发明是提供了一种利用流化床固硫灰渣为原材料制备的人造轻骨料及其方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种流化床固硫灰渣人造轻骨料，以重量百分数计，所述原料包括75％固硫灰渣和25％混合水泥(硅酸盐水泥和铝酸盐水泥组成)，其中，固硫灰渣中SO3与铝酸盐水泥中Al2O3的摩尔比为3:1.5～5，优选摩尔比为3:3。
进一步的，固硫灰渣为循环流化床燃煤锅炉炉底产生的废渣，并对其进行球磨，球磨后的炉渣细度为200目筛余小于10％。
进一步的，所述硅酸盐水泥采用硅酸盐水泥，水泥标号为PⅡ52.5级。
进一步的，所述铝酸盐水泥采用高铝水泥，水泥标号包括但不限于CA-50级、CA-60级、CA-80级。根据计算固硫灰渣SO3与铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:1.5～5的结果确定铝酸盐水泥参加量。
上述流化床固硫灰渣人造轻骨料的制备方法，包括：
第一步：对固硫灰渣喷洒其重量10％的水，搅拌均匀后消化4h以上备用；
第二步：将消化后的固硫灰渣与混合水泥一起置于搅拌机中混合均匀，加入物料总重25％的水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒占干物料2.5～10.5％的水造粒成球，料球粒径控制在2～20mm，第一步和第二步中的总水量与物料质量比为0.35～0.43；
第三步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
与现有技术相比，本发明具有的以下优点：
(1)本发明制作的人造轻骨料原料中固硫灰渣质量占比达到75％，能够有效解决固硫灰渣利用难处理问题，可促进环境的可持续发展。
(2)本发明制备的人造轻骨料堆积密度0.9～1.1g/cm3、表观密度1.56～1.91g/cm3，满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》对轻集料的规定(堆积密度小于1.2g/cm3，表观密度小于2g/cm3)。筒压强度6.5～15MPa，人造轻骨料表面光滑，结构致密完整，可作结构混凝土粗骨料使用。(3)本发明制备工艺简单、生产设备成熟、适合大规模推广使用。
附图说明
图1为本发明所述人造轻骨料的制备工艺图。
图2为实施例3制备的人造轻骨XRD表征图谱(a)和SEM微观表征图(b)。
图3为实施例3制备的人造轻骨料体式显微镜表征图(a)和表面局部放大图(b)。
图4为对照例制备的人造陶粒开裂照片。
具体实施方式
下面结合实例和附图进一步说明本发明的制备过程。
本发明的原理是：
固硫灰渣中在850～900℃温度下燃烧生成的，其中劣质煤含有的粘土矿物在此温度下均以无定形态形式存在，有活性SiO2和活性Al2O3，因此赋予了固硫灰渣火山灰活性。加入硅酸盐水泥能够激发其火山灰活性，硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)2与固硫灰渣中活性SiO2组分反应生成CSH凝胶，反应式如下：
xCa(OH)2+ySiO2+nH2O→CSH-gel(1)
固硫灰渣中的SO3含量高，在6％～12％之间，主要以硬石膏的形式存在。相对过高的硫含量使得水泥制品开裂膨胀，且固硫灰渣中的硬石膏溶解速度慢，溶解度大，后期在混凝土内部生成延迟性钙矾石，导致制品开裂，同样对制品安定性不利。
本发明引入铝酸盐水泥，通过铝酸盐水泥与硬石膏反应形成钙矾石(ettringite)相实现硬石膏的固定，控制SO3在混凝土中的膨胀，能够处理利用SO3含量在12％以下固硫灰渣。
本发明实施例所用的原材料中的固硫灰渣来自山西晋城，硅酸盐水泥采用市售的PⅡ52.5，铝酸盐水泥采用市售的CA-50，成分如下表1：
表1：原材料成分表
材料 SO<sub>3</sub> f-CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO 烧失量
固硫灰渣 7.6％ 9.0％ 38.7％ 19.5％ 7.9％ 23.56％ 4.03％
CA-50 - - - 56.29％ - 42.34％ 1.12％
根据表1原材料成分中固硫灰渣SO3含量，CA-50中的Al2O3的含量，以固硫灰渣中SO3与铝酸盐水泥中Al2O3的摩尔比为3:1.5～5确定原料质量百分配比为固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝(75)：(6.4～21.4):(18.6～3.6)。
实施例1：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料的制备方法为：
第一步：根据固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:1.5，原料总重按100kg计，确定原料配合比为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：6.4kg：18.6kg。然后分别称重三种物料。
第二步对固硫灰渣喷洒7.5kg的水，搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒2.5kg水造粒成球，水固比(总用量与原料质量比)为0.35，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
获得的人造轻骨料堆积密度0.9g/cm3，表观密度1.56g/cm3，1h吸水率8.6％，筒压强度6.5MPa。
实施例2：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料及其制备方法为：
第一步：设计混合料中固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:2。
配合比以质量百分比表示为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：8.6kg：16.4kg，然后分别称重三种物料。
第二步对其中的固硫灰渣外掺7.5kg喷洒水搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒2.5kg水造粒成球，水固比为0.35，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
获得的人造轻骨料堆积密度1.13g/cm3，表观密度1.89g/cm3，1h吸水率2.9％，筒压强度13.3MPa。
实施例3：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料及其制备方法为：
第一步：设计混合料中固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:3。配合比以质量百分比表示为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：12.8kg：12.2kg，然后分别称重三种物料。
第二步对其中的固硫灰渣外掺7.5kg喷洒水搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒5.5kg的水造粒成球，水固比比为0.38，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
获得的人造轻骨料堆积密度1.08g/cm3，表观密度1.85g/cm3，1h吸水率4.3％，筒压强度14.5MPa。
对实施例3制得的人造轻骨料进行X射线衍射检测、扫面电镜检测和体视显微镜观察，结果如图2a，图2b，图3a，图3b中所示。从图2a看出人造轻集料主要物相是钙矾石，石英，C-S-H凝胶。从图2b微观样貌中看出，有大量的针状钙矾石生成，致密度提高。从图3a、图3b人造轻集料表面样貌照片中看出，人造轻骨料表面光滑，结构完整致密。
实施例4：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料及其制备方法为：
第一步：设计混合料中固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:4。配合比以质量百分比表示为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：17.1kg：7.9kg，然后分别称重三种物料。
第二步对其中的固硫灰渣外掺7.5kg喷洒水搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒10.5kg水造粒成球，水固比为0.43，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
获得的人造轻骨料堆积密度1.02g/cm3，表观密度1.8g/cm3，1h吸水率4.3％，筒压强度11.3MPa。
实施例5：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料及其制备方法为：
第一步：设计混合料中固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:5。配合比以质量百分比表示为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：21.4kg：3.6kg，然后分别称重三种物料。
第二步对其中的固硫灰渣外掺7.5kg喷洒水搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒10.5kg水造粒成球，水固比为0.43，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
获得的人造轻骨料堆积密度1.01g/cm3，表观密度1.73g/cm3，1h吸水率6.4％，筒压强度9.5MPa。
对照例：
结合图1，本发明一种流化床固硫灰渣人造轻骨料的制备方法为：
第一步：根据固硫灰渣SO3：铝酸盐水泥Al2O3的摩尔比为3:1，原料总重按100kg计，确定原料配合比为：固硫灰渣：铝酸盐水泥：硅酸盐水泥＝75kg：4.3kg：20.7kg。然后分别称重三种物料。
第二步对固硫灰渣喷洒7.5kg的水，搅拌均匀然后消化4h以上备用。
第三步：将消解后的固硫灰渣与计量的铝酸盐水泥和硅酸盐水泥一起置于搅拌机中混合搅拌均匀，加入25kg水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒少量水造粒成球，水固比(总用量与原料质量比)为0.35，料球粒径控制在2～20mm。
第四步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48～72小时，随后转移到料仓堆场，获得的人造陶粒在养护第三天便开裂。其实物照片如图4所示。
应用例：
将实施例3陶粒与石子分别制备成混凝土，水泥使用标号PⅡ42.5的硅酸盐水泥。配合比数据如表2，混凝土性能表征数据如表3。
表2混凝土配合比
编号 水泥(kg/m<sup>3</sup>) 矿粉(kg/m<sup>3</sup>) 石子(kg/m<sup>3</sup>) 砂子(kg/m<sup>3</sup>) 减水剂(kg/m<sup>3</sup>) 水(kg/m<sup>3</sup>)
A 200 100 1040 1022.5 1.5 105
水泥(kg/m<sup>3</sup>) 矿粉(kg/m<sup>3</sup>) 陶粒(kg/m<sup>3</sup>) 砂子(kg/m<sup>3</sup>) 减水剂(kg/m<sup>3</sup>) 水(kg/m<sup>3</sup>)
B 200 100 740 1022.5 1.5 105
表3混凝土性能表征
Figure BDA0003884925360000061
由表3看出，本发明所述陶粒制备的B混凝土有较高的早强性，且比石子制备的A混凝土28天抗压强度高出45％。说明本专利制备的陶粒在混凝土领域具有实际应用的可行性。

Claims (8)

1.一种流化床固硫灰渣人造轻骨料，其特征在于，以重量百分数计，所述原料包括75%固硫灰渣和25%混合水泥，其中，混合水泥由硅酸盐水泥和铝酸盐水泥组成，固硫灰渣中SO3与铝酸盐水泥中Al2O3的摩尔比为3:1.5~5。
2.如权利要求1所述的人造轻骨料，其特征在于，固硫灰渣中SO3与铝酸盐水泥中Al2O3的摩尔比为3：3。
3.如权利要求1所述的人造轻骨料，其特征在于，固硫灰渣为循环流化床燃煤锅炉炉底产生的废渣，球磨后的炉渣细度为200目筛余小于10%。
4.如权利要求1所述的人造轻骨料，其特征在于，所述硅酸盐水泥采用水泥标号为PⅡ52.5级的硅酸盐水泥。
5.如权利要求1所述的人造轻骨料，其特征在于，所述铝酸盐水泥采用水泥标号为CA-50级、CA-60级或CA-80级的高铝水泥。
6.如权利要求1-5任一所述的人造轻骨料的制备方法，其特征在于，包括：
第一步：对固硫灰渣喷洒其重量10%的水，搅拌均匀后消化4h以上备用；
第二步：将消化后的固硫灰渣与混合水泥一起置于搅拌机中混合均匀，加入物料总重25%的水保持潮湿状态，再放入成球盘中，依据料球状态喷洒少量水2.5~10.5%造粒成球；
第三步：将料球在室温下保持潮湿状态进行自然堆放48~72小时，随后转移到料仓堆场，保湿养护28天后出厂。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一步和第二步中的总水量与物料质量比为0.35~0.43。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，料球粒径控制在2~20 mm。
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