CN115650687B - 一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，公开了一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒及其制备方法。首先对生物质灰渣进行水洗预处理，得到预处理生物质灰渣；随后将预处理生物质灰渣与生活垃圾焚烧炉渣、水泥、偏高岭土混合，得到混合浆料；再向混合浆料中加入激发剂和粘结剂，挤压造粒得到陶粒生球；最后对陶粒生球进行静停养护和蒸压养护，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。本发明利用生物质灰渣、生活垃圾焚烧炉渣等固体废弃物，制备的陶粒整体性完好，筒压强度高，密度小，且经济环保，达到了低成本和高性能的要求，拥有很广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒及其制备方法。
背景技术
近年来，生物质发电产业发展迅速，相比传统的燃煤电厂来说，利用这种燃料资源可实现清洁环保。截至2020年，中国生物质发电量累计达到1326亿千瓦时，同比增长19.4％。然而，生物质的大规模燃烧势必会产生大量的生物质灰渣，对环境产生了很大的负担。据统计，我国每年用于能源生产的生物质达6亿吨，按照6.8％的灰分产生量来看，每年灰渣的产量可以达到4000多万吨。
生物质灰渣是一种组分复杂可变的有机无机混合物，根据燃料来源不同以及燃烧技术不同，从而具有不同的理化性质，但其主要组分是基本相同的，主要成分有SiO2、Al2O3等，同时还含有K、Na、Mg等多种元素。根据生物质灰渣的主要成分可以看出生物质灰渣具有与粉煤灰类似的火山灰活性，可以替代粉煤灰用于建筑建材，但因为其有较高的有机碳含量和K+、Na+、Cl-离子含量，用于建材中会导致材料的耐久性变差、机械性能下降、钢筋锈蚀等问题。
目前生物质灰渣在建筑材料方面的利用主要是用于制备混凝土制品。专利CN108793912A公开了一种生物质灰渣混凝土砌块及其制备方法，以生物质灰渣、石灰、粉煤灰、水泥、脱硫石膏、铝粉和外加剂为原材料，经过混合制浆、浇筑成型、发气预养、脱模切割和蒸压养护得到混凝土砌块；专利CN105314738A公开了一种生物质灰渣基净化水体的材料及制备方法，以生物质灰渣、水泥、沙子、碎石子和芽孢杆菌为原材料，通过芽孢杆菌造粒、原料混合、压制成型得到生物质净化砖；专利CN113716919A公开了一种生物质灰渣基免蒸养轻质泡沫混凝土及其制备方法，以水泥、生物质灰渣、减水剂、发泡剂、乳胶粉等为原材料，通过浇筑成型、养护得到泡沫混凝土制品。以上生物质灰渣的资源化利用过程中均没考虑到有机碳对制品的影响，其存在会造成需水量过大、影响产品后期力学性能等问题；另一方面生物质灰渣中K+、Na+离子含量较高，直接应用可能后期会溶出，影响净化砖中的微生物活性并且对水体造成二次污染，高碱含量也会引起严重的碱性硅石反应和水泥体积膨胀。
除了混凝土，陶粒也是建筑材料领域被广泛使用的材料，将生物质灰渣用于制备陶粒还未见报道。陶粒是一种轻质骨料，根据制备工艺的不同，可以分为焙烧陶粒和免烧陶粒。焙烧陶粒具有良好的性能，但焙烧工艺能耗高；免烧陶粒工艺简单，但其性能较差，主要体现在强度低、密度大。因此，若将生物质灰渣用于制备陶粒，不仅面临着其成分中有机碳含量和K+、Na+、Cl-离子含量较高的困难，还存在平衡成本和性能的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒及其制备方法，利用生物质灰渣、生活垃圾焚烧炉渣等固体废弃物，制备的陶粒整体性完好，筒压强度高，密度小，且经济环保。
为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将生物质灰和生物质渣与发泡剂混合，再与水混合进行搅拌洗涤，静置，保留沉积在底部的固体，控制含水率，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与生活垃圾焚烧炉渣、水泥、偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入激发剂和粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)对陶粒生球先进行静停养护，再进行蒸压养护，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
上述方案中，各原料的质量份数为：生物质灰20-30份、生物质渣20-30份、生活垃圾焚烧炉渣5-10份、水泥5-10份、偏高岭土10-15份、激发剂2-2.5份、粘结剂3-5份，发泡剂0.4-0.8份。
上述方案中，所述生物质灰为生物质燃烧产生的飞灰，生物质渣为生物质燃烧后的底渣，生物质灰和生物质渣的粒径为40-100μm，烧失量≤20％。
上述方案中，所述生物质灰的CaO含量≥30％。
上述方案中，所述生物质渣的SiO2含量≥50％。
上述方案中，所述生活垃圾焚烧炉渣的粒径为40-100μm，单质Al含量≥5％，CaO含量≥35％。
上述方案中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5以上。
上述方案中，所述偏高岭土的粒径为40-100μm，Al2O3含量≥40％，。
上述方案中，所述激发剂为水玻璃，模数为3.1-3.4。
上述方案中，所述粘结剂为硅溶胶，SiO2含量为14-22％，pH为6-8。
上述方案中，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠。
上述方案中，步骤1)中，水与生物质渣的质量比为1：(6-8)，水温为40-70℃。
上述方案中，步骤1)中，搅拌速率为1200-1500r/min，洗涤时间为20-30min。
上述方案中，所述预处理生物质灰渣的含水率控制在25-30％。
上述方案中，所述静停养护的条件为：温度40-50℃，湿度≥95％，养护时间4-5h。
上述方案中，所述蒸压养护的条件为：压力1.1-1.5MPa，温度180-200℃，养护时间8-12h。
本发明还提供一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒，它是按上述方法制备得到的。
上述方案中，所述高掺量生物质灰渣免烧陶粒的粒径为7-15mm，堆积密度950-1000kg/m3，筒压强度11-16MPa，1h吸水率2-5％。
本发明的技术构思为：
针对我国生物质灰渣大量产出却因为高碳含量、高K+、Na+、Cl-离子含量和高碱度而无法大量建材化利用的问题，本发明考虑用生物质灰渣与生活垃圾焚烧炉渣、水泥、高岭土和外加剂等制备免烧陶粒。首先对生物质灰渣进行水洗预处理，在水洗过程中，轻质有机碳粒以及大部分K+、Na+和Cl-离子粘附在发泡剂产生的泡沫上，随泡沫上浮至水面而去除；而偏高岭土在碱性环境和水玻璃的共同作用下反应生成一种具有Si-O-Si链和Al-O-Si链彼此互相缠绕以及交互形成的无定形和半结晶的三维硅铝酸盐结构，通过与体系中的负电荷相互平衡，能够很好的固化剩余的K+、Na+；在生物质灰渣和水泥共碱性的作用下，生活垃圾焚烧炉渣中的单质Al会反应释放气体，降低陶粒的密度；陶粒在蒸压养护过程中可以加快内部和表面水化，得到优异的力学性能，减少了水泥的用量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过对生物质灰渣进行预处理，去除其中的有机碳和K+、Na+、Cl-离子，避免对陶粒性能产生不利影响；再利用生物质灰渣高碱性的特点，在不外加碱溶液的情况下，激发偏高岭土形成地聚物，既提高了陶粒的早期强度，又有固化碱金属离子的作用；再利用生活垃圾焚烧炉渣中的单质Al释放气体降低陶粒的密度，采用蒸压养护制度进一步提升陶粒的强度；因此，制备的陶粒整体性完好，具有筒压强度高、密度小等优异性能。
2)本发明使用生物质灰渣制备免烧陶粒，既解决了生物质灰渣的综合利用难题，与粉煤灰等原料相比也节约了成本，并且在制备工艺方面，改变了传统陶粒制备的高温焙烧制度，减少了能源消耗，节能又环保，拥有很广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备高掺量生物质灰渣免烧陶粒的工艺流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合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，采用的生物质灰和生物质渣的性质见表1；采用的生活垃圾焚烧炉渣粒径为80μm，单质Al含量为5％，CaO含量为36％；采用的水泥为PO42.5级普通硅酸盐水泥；采用的偏高岭土Al2O3含量为47％，粒径为80μm；采用的激发剂为水玻璃，模数为3.2；采用的粘结剂为硅溶胶，SiO2含量为18％，pH为8；采用的发泡剂为十二烷基硫酸钠。
以下实施例中，烧失量的测试方法为，将烘干样品在高温条件下灼烧2h，记录灼烧前后的质量，样品失去的质量占原始样品质量的百分比即为烧失量；堆积密度、筒压强度和吸水率按照GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》进行测试。
表1
| 原料 | 粒径 | 烧失量 | CaO含量 | SiO2含量 |
| 生物质灰A | 50μm | 12.93％ | 38％ | 24％ |
| 生物质灰B | 60μm | 9.52％ | 32％ | 15％ |
| 生物质渣A | 80μm | 2.5％ | 3％ | 65％ |
| 生物质渣B | 100μm | 3.89％ | 12％ | 54％ |
实施例1
一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将30份生物质灰A和30份生物质渣B与0.4份发泡剂混合，再与240份水混合，水温维持40℃，在1200r/min的搅拌速率下洗涤30min，静置，保留沉积在底部的固体颗粒，将其风干至含水率25％，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与5份生活垃圾焚烧炉渣、5份水泥、15份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入2份激发剂和4份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)将陶粒生球先在温度50℃、湿度≥95％的条件下静停养护5h；再在压力1.1MPa、温度180℃的条件下蒸压养护8h，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
经测试，本实施例得到的预处理生物质灰渣的烧失量为6.24％，较预处理前的烧失量降低了25.8％，烧失量由有机碳燃烧和碳酸盐分解两阶段构成，有机碳粒质量很轻，烧失量占比不大，少量的烧失量降低就可证明有机碳的有效去除，因此能够说明预处理达到了脱碳的效果。
经测试，本实施例制备所得高掺量生物质灰渣免烧陶粒的平均粒径为7.9mm，堆积密度998kg/m3，筒压强度11.7MPa，1h吸水率2.46％。陶粒整体性完好，粒径均匀，没有偏差较大的残次品；陶粒堆积密度低，筒压强度高，说明陶粒内部孔隙均匀分布，同时拥有很好的吸水效果，达到了产品轻质高强的要求。
实施例2
一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份生物质灰A和20份生物质渣A与0.4份发泡剂混合，再与120份水混合，水温维持40℃，在1300r/min的搅拌速率下洗涤20min，静置，保留沉积在底部的固体颗粒，将其风干至含水率26％，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与10份生活垃圾焚烧炉渣、10份水泥、10份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入2.5份激发剂和3份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)将陶粒生球先在温度50℃、湿度≥95％的条件下静停养护4h；再在压力1.2MPa、温度180℃的条件下蒸压养护10h，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
经测试，本实施例得到的预处理生物质灰渣的烧失量为5.41％，较预处理前的烧失量降低了29.88％，预处理达到了脱碳的效果。
经测试，本实施例制备所得高掺量生物质灰渣免烧陶粒的平均粒径为8.6mm，堆积密度981kg/m3，筒压强度14.3MPa，1h吸水率3.71％，具有筒压强度高、密度小、吸水率高等优异性能。
实施例3
一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份生物质灰B和30份生物质渣B与0.6份发泡剂混合，再与180份水混合，水温维持40℃，在1400r/min的搅拌速率下洗涤20min，静置，保留沉积在底部的固体颗粒，将其风干至含水率26％，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与10份生活垃圾焚烧炉渣、10份水泥、15份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入2.2份激发剂和3份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)将陶粒生球先在温度40℃、湿度≥95％的条件下静停养护5h；再在压力1.1MPa、温度200℃的条件下蒸压养护8h，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
经测试，本实施例得到的预处理生物质灰渣的烧失量为4.82％，较预处理前的烧失量降低了21.52％，预处理达到了脱碳的效果。
经测试，本实施例制备所得高掺量生物质灰渣免烧陶粒的平均粒径为12.7mm，堆积密度962kg/m3，筒压强度13.6MPa，1h吸水率3.34％，具有筒压强度高、密度小、吸水率高等优异性能。
实施例4
一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将30份生物质灰A和25份生物质渣A与0.6份发泡剂混合，再与175份水混合，水温维持50℃，在1500r/min的搅拌速率下洗涤25min，静置，保留沉积在底部的固体颗粒，将其风干至含水率30％，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与10份生活垃圾焚烧炉渣、5份水泥、15份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入2.2份激发剂和5份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)将陶粒生球先在温度40℃、湿度≥95％的条件下静停养护5h；再在压力1.5MPa、温度180℃的条件下蒸压养护8h，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
经测试，本实施例得到的预处理生物质灰渣的烧失量为4.98％，较预处理前的烧失量降低了39.19％，预处理达到了脱碳的效果。
经测试，本实施例制备所得高掺量生物质灰渣免烧陶粒的平均粒径为14.5mm，堆积密度967kg/m3，筒压强度11.3MPa，1h吸水率3.65％，具有筒压强度高、密度小、吸水率高等优异性能。
实施例5
一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)将25份生物质灰B和25份生物质渣A与0.8份发泡剂混合，再与200份水混合，水温维持60℃，在1500r/min的搅拌速率下洗涤25min，静置，保留沉积在底部的固体颗粒，将其风干至含水率28％，得到预处理生物质灰渣；
2)将预处理生物质灰渣与10份生活垃圾焚烧炉渣、10份水泥、10份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；
3)向混合浆料中加入2.5份激发剂和4份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4)将陶粒生球先在温度50℃、湿度≥95％的条件下静停养护5h；再在压力1.5MPa、温度200℃的条件下蒸压养护12h，得到高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
经测试，本实施例得到的预处理生物质灰渣的烧失量为3.91％，较预处理前的烧失量降低了34.94％，预处理达到了脱碳的效果。
经测试，本实施例制备所得高掺量生物质灰渣免烧陶粒的平均粒径为10.8mm，堆积密度983kg/m3，筒压强度15.4MPa，1h吸水率2.77％，具有筒压强度高、密度小、吸水率高等优异性能。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将20-30质量份生物质灰和20-30质量份生物质渣与0.4-0.8质量份十二烷基硫酸钠混合，再与水混合，在1200-1500r/min的搅拌速率下搅拌洗涤，静置，保留沉积在底部的固体，控制含水率为25-30%，得到预处理生物质灰渣；其中，生物质灰为生物质燃烧产生的飞灰，其CaO含量≥30%；生物质渣为生物质燃烧后的底渣，其SiO2含量≥50%；生物质灰和生物质渣的粒径为40-100μm，烧失量≤20%；
2）将预处理生物质灰渣与5-10质量份生活垃圾焚烧炉渣、5-10质量份水泥、10-15质量份偏高岭土混合均匀，得到混合浆料；其中，生活垃圾焚烧炉渣的粒径为40-100μm，单质Al含量≥5%，CaO含量≥35%；
3）向混合浆料中加入2-2.5质量份激发剂和3-5质量份粘结剂，混合均匀后进行挤压造粒，得到陶粒生球；
4）对陶粒生球先进行静停养护，静停养护的条件为：温度40-50℃，湿度≥95%，养护时间4-5h；再进行蒸压养护，蒸压养护的条件为：压力1.1-1.5MPa，温度180-200℃，养护时间8-12h；得到筒压强度11-16MPa的高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
2.根据权利要求1所述的高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，其特征在于，所述偏高岭土的粒径为40-100μm，Al2O3含量≥40%。
3.根据权利要求1所述的高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，其特征在于，所述激发剂为水玻璃，模数为3.1-3.4；所述粘结剂为硅溶胶，SiO2含量为14-22%，pH为6-8。
4.根据权利要求1所述的高掺量生物质灰渣免烧陶粒的制备方法，其特征在于，步骤1）中，水与生物质渣的质量比为1：（6-8），水温为40-70℃，洗涤时间为20-30min。
5.一种由权利要求1-4中任一项所述的方法制备得到的高掺量生物质灰渣免烧陶粒。
6.根据权利要求5所述的高掺量生物质灰渣免烧陶粒，其特征在于，所述高掺量生物质灰渣免烧陶粒的粒径为7-15mm，堆积密度950-1000kg/m3，1h吸水率2-5%。
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