CN115745649B

CN115745649B - 一种高强陶粒及其制备方法和应用

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Publication number: CN115745649B
Application number: CN202211419565.4A
Authority: CN
Inventors: 秦育红; 王旭旭; 王继蕊; 贺冲; 卫月星
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2042-11-14
Also published as: CN115745649A

Abstract

本发明公开了一种利用循环流化床粉煤灰烧结制备高强陶粒的方法及其应用，属于固体废弃物利用技术领域。所述高强陶粒是将难以回收利用的循环流化床粉煤灰按照一定的配比，在控制烧失量的条件下得到混合料，然后将其烧结成陶粒，实现其资源化利用。本发明的方法在实现粉煤灰资源化利用的同时，最大程度地避免了环境污染，获得的高强度陶粒既可以用作水处理滤料，又能够作为建筑材料，替代高强混凝土制品中的砂石，减少砂石资源的开采，降低生产成本。

Description

一种高强陶粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于固体废弃物利用技术领域，特别是涉及一种利用循环流化床粉煤灰烧结陶粒的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，循环流化床(Circulating FluidizedBed，简称CFB)燃烧技术以其独有的优势在低热值燃料的利用中发挥着重要作用，成为发电厂与热电厂的首选技术。循环流化床粉煤灰(CFB灰)是循环流化床锅炉以煤矸石、中煤、煤泥等低热值煤为燃料，在燃烧的同时通常向炉内喷入一定量固硫剂(通常是石灰石)所生成的副产物。据估计，燃煤1t，大约产生200～300kg粉煤灰，循环流化床锅炉产灰多30～40％，我国CFB灰的年均产生量已经高达0.8～1.5亿t，而山西省的年均产量则近4000万t，位居全国之首。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。因此，实现对固体废弃物的资源化利用是我们建设美丽中国的必经之路。2019年全国粉煤灰综合利用率76.70％，其中山西、宁夏、内蒙古等西部煤炭大省的粉煤灰利用率还远低于全国平均水平，因此我们要加快实现对粉煤灰的规模化、高值化利用。

目前，煤粉炉粉煤灰(PC灰)的利用较为成熟，可用在建材、农业、环保、化工等方面。而由于CFB锅炉发展较晚，国内对CFB灰的研究仍处于初步探索阶段，尚未建立起完善的理论和实现大规模资源化利用。与煤粉炉粉煤灰的生产过程不同，PC灰是在较低的燃烧温度及炉内脱硫工艺下生成，导致CFB灰中含有CaCO₃、CaSO₄和f-CaO，若直接应用在水泥、混凝土中，就会使得制备的建筑材料具有膨胀性，导致建筑材料后期强度和施工性能降低，极大地限制了其在建材方面的大规模利用。

粉煤灰基高强陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量粘结剂(如黏土)和固体燃料(如煤粉)以及极少量附加剂，经混合成球、高温烧结而制成的一种满足建材应用需求的人造轻集料。目前市场上的粉煤灰基高强陶粒大多数需要额外添加多种组分和添加剂，且制备过程较为复杂，所得陶粒一般在水处理行业中用作水处理的滤料以及作为轻集料应用于一些对强度要求不高的建筑中，在强度要求比较高的高强度混凝土中的应用极少。

发明内容

本发明针对现有技术中循环流化床粉煤灰难以大规模资源化利用的技术问题，旨在提供一种利用循环流化床粉煤灰制备高强陶粒的方法以及该方法制备的高强陶粒，通过工艺的优化设计和方法创新，实现对难以处理的循环流化床粉煤灰的资源化利用。

本发明采用了如下的技术方案。

一种高强陶粒，由一种循环流化床粉煤灰或多种循环流化床粉煤灰混合后烧结制得，其特征在于烧结前物料或者混合物料的烧失量需要控制在5％～8％的范围，且物料或者混合物料中SiO₂含量为39％～49％、Al₂O₃含量为30％～36％、CaO含量为8％～11％；所述高强陶粒的堆积密度为900kg/m³～1100kg/m³，随机颗粒抗压强度的正态分布和频率分布统计图中7MPa-13MPa的高强陶粒数目＞90％。

进一步地，所述高强陶粒的形状为球形或椭球形，从而便于制备，节约陶粒的生产成本。

进一步地，所述高强陶粒为内部结构致密多孔的粒径5mm～15mm的球形或椭球形颗粒。陶粒的粒径过小时，由于陶粒内部用于承受力的物料过少，而无法承受大的压力，而当陶粒的粒径过大时，陶粒的内部容易形成小孔，会降低陶粒的力学性能，因此陶粒的粒径优选为5mm～15mm。

本发明创新性地在原材料中使用了难以回收利用的循环流化床粉煤灰，将其烧结成陶粒，实现其资源化再利用。相比于传统的煤粉炉粉煤灰，循环流化床粉煤灰粉质更细，在初期成球阶段通过制备工艺优化改进，在不额外添加粘结剂的情况下即可形成陶粒生料球，由于减少粘结剂的添加，使制得的陶粒性质更为单一稳定，成本更低。与现有技术相比，本发明仅采用了循环流化床粉煤灰为原料制备陶粒，所用原料简单易得，不需要多种物质进行复杂的配合。

本发明的高强陶粒由一种循环流化床粉煤灰或者多种循环流化床粉煤灰混合后烧结制得，其制备方法包括以下步骤：

(1)将粉煤灰物料烘干处理，经筛分后将细度控制在160目≥90％；

(2)控制粉煤灰物料或者混合物料的烧失量为5％～8％的范围，并由此确定粉煤灰物料或者粉煤灰混合物料的配比，称量、混合均匀；

(3)将步骤(2)中的粉煤灰物料或者粉煤灰混合物料置于圆盘成球机中，边转动边加水进行造粒，得到粒径范围5mm～15mm的陶粒生料球；

(4)将步骤(3)得到的陶粒生料球转入高温设备内烧结处理，得到高强陶粒。

优选地，造粒过程中，加入水的质量占混合物料总质量的30％～35％。

优选地，所述的圆盘成球机的倾斜角度设置为40°～50°，转速设置为20-40r/min。

优选地，所述的陶粒生料球表面无明显裂纹且近似球形。

优选地，所述的陶粒生料球转入高温设备内烧结处理前，还包括将陶粒生料球于常温下静置一段时间，使其进行水化反应的步骤。通过对陶粒生料进行静置处理，能够使得陶粒内部充分发生水化反应，从而使循环流化床粉煤灰中活性成分SiO₂、Al₂O₃与CaO生成大量的水化硅酸凝胶，从而提高陶粒的初期强度。

优选地，烧结处理的步骤为：将所述高温设备从室温升至500～700℃预热，恒温处理15～30min；继续升温至1240℃～1260℃，恒温处理30～45min；保持陶粒在高温设备内冷却至室温，即得到符合技术要求高强陶粒。

本发明制得的高强陶粒可以作为滤料应用于水处理领域，以及作为建筑材料应用于装配式建筑领域，如作为砂石替代材料应用于混凝土掺合料中。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)循环流化床粉煤灰是循环流化床锅炉以煤矸石、中煤、煤泥等低热值煤为燃料，在燃烧的同时通常向炉内喷入一定量固硫剂(通常是石灰石)所生成的副产物，炉内燃烧温度较低和脱硫工艺导致其烧失量较高且CaO和CaSO₄含量较多，长久以来一直难以处理。本发明将其烧结成陶粒，实现其资源化再利用。本发明采用这种难以处理的循环流化床粉煤灰作为原料，粉煤灰消纳量大，能够高效地实现循环流化床粉煤灰的资源化利用。

(2)本发明中的循环流化床粉煤灰不需要经过球磨处理，CFB灰自身的物理化学性质有利于造粒时物料的粘结和陶粒强度的形成；考虑到循环流化床粉煤灰物料中较高的CaO含量，将陶粒生料球经过1至3天的静置处理，可以充分利用水化反应进一步增加陶粒的初期强度。

(3)发明人发现，以粉煤灰物料或者混合物料烧失量5％～8％作为指导，通过计算来精确控制其质量配比，然后经筛分混合、水化反应、程序升温烧结等工艺手段处理，可以获得一种堆积密度为900kg/m³～1100kg/m³、颗粒抗压强度5MPa-13MPa的高强陶粒，为粉煤灰的工业化规模应用提供了全新的思路，在降低生产成本的同时，对解决大面积粉煤灰堆存而导致的环境问题和粉煤灰在建材领域中的应用也具有重要的战略意义。

综上，本发明选择产量较大且难以资源化利用的循环流化床粉煤灰作为原料烧结制备高强陶粒，无需额外添加任何组分的添加剂，就可实现循环流化床粉煤灰的全部资源化利用。同时，本发明创新性地以烧失量作为粉煤灰烧结陶粒的质量控制指标，通过对陶粒生料球内水化反应和烧结工艺的控制显著提高了陶粒的物理性能和力学性能，制得的高强陶粒，既能够用作水处理滤料，又能够作为混凝土的优质骨料，具有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为实施例1制得的高强陶粒颗粒抗压强度测试结果的频率分布和正态分布图。

图2为实施例1制得的高强陶粒的应力-变形示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加通俗易懂，以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

以循环流化床粉煤灰A(以下简称“粉煤灰A”)和循环流化床粉煤灰B(以下简称“粉煤灰B”)两种循环流化床粉煤灰为原料，制备高强陶粒。制备方法的具体步骤如下：

(1)通过灼烧差减法测定出粉煤灰A与粉煤灰B的烧失量分别为27.9％、3.66％，以5％的混合料烧失量作为指导，通过计算确定原料的质量配比为：粉煤灰A:粉煤灰B＝1:17。

(2)将两种循环流化床粉煤灰烘干后过160目筛，按照步骤(1)中确定的原料质量配比，分别称取对应质量的粉煤灰A和粉煤灰B，混合均匀，投入圆盘成球机。

(3)步骤(2)将原料投入圆盘成球机，圆盘成球机的直径为1.5m，倾角45°，角速度30r/min，在成球的区域内均匀洒水，加入的所述水的质量占所述混合料总质量的30％～35％，运转至粒径范围达到5mm～15mm出料。

(4)将步骤(3)中得到的陶粒生料球转置到高温设备内，以5℃/min的升温速率将高温设备的温度从室温升至700℃，后恒温处理15min；再以10℃/min的升温速度将所述高温设备的温度从700℃升至1250℃，后恒温处理45min；将陶粒在高温设备内冷却至室温，得到高强陶粒产品。检测结果表明，实施例制得的高强陶粒的堆积密度为1058.30kg/m³，吸水率为6.79％，平均颗粒抗压强度为9.29MPa。

采用HYD-500KG单柱电脑式压力机，在0.5mm/min的测试速度下，随机对陶粒进行了抽样测试，测试结果见表1。

表1实施例1循环流化床粉煤灰基高强陶粒颗粒抗压强度测试结果

序号	最大力(N)	最大变形(mm)	抗压强度(MPa)	外径(mm)
					1	415.66	0.77	10.29	6.00
2	428.82	0.77	12.19	5.60
					3	261.41	0.51	5.69	6.40
4	347.00	0.58	6.31	7.00
					5	360.61	0.54	8.11	6.30
6	564.15	0.91	11.90	6.50
					7	417.05	0.78	10.33	6.00
8	477.51	0.78	8.69	7.00
					9	413.88	0.72	9.30	6.30
10	407.66	0.71	10.09	6.00

表1中陶粒的颗粒抗压强度通过公式(1)计算：

S＝2.8Pc/(πD²) (1)

式中，S：单个陶粒的抗压强度(MPa)；D：顶部和底部压头之间的距离(mm)；Pc：陶粒的破坏载荷(N)。

图1是根据陶粒颗粒抗压强度的测量数据所作的陶粒单颗粒抗压强度频率分布和正态分布图。由图1可以看出，本发明方法制得的高强陶粒的颗粒抗压强度分布在5MPa-13MPa，完全满足国标对于陶粒的颗粒抗压强度要求。由图1可以看出，在正态分布统计图中，颗粒抗压强度7MPa-13MPa的陶粒＞90％，即，本发明方法制得的高强陶粒的颗粒抗压强度基本集中在10MPa附近。

图2为实施例1制备的高强陶粒的应力-变形示意图。结合表1中数据，可知原料烧失量控制在5％且未经过静置处理时，烧结得到的高强陶粒的颗粒抗压强度基本集中在10MPa左右。

实施例2

所采用原料同实施例1，制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(3)与步骤(5)之间，增加将步骤(3)得到的生料球在常温下静置3天，使陶粒生料球水化反应完全，从而提高陶粒初期强度的处理步骤。

由上述的方法制备得到的高强陶粒，其堆积密度为1067.52kg/m³，其吸水率为6.66％，平均颗粒抗压强度为11.60MPa。

实施例3

所采用原料同实施例1、2，制备方法与实施例2的不同处在于，以8％的混合料烧失量作为指导，其余步骤与实施例2完全相同。

由上述的方法制备得到的高强陶粒，其堆积密度为1025.54kg/m³，其吸水率为8.48％，其平均颗粒抗压强度为10.68MPa。

发明人发现，经过静置处理可以进一步提高陶粒强度。这在实施例2中平均颗粒抗压强度为11.60MPa、实施例3中平均颗粒抗压强度为10.68MPa的实验结果得到了验证。其原因在于，通过对陶粒生料进行静置处理，能够使陶粒内部充分发生水化反应，促使循环流化床粉煤灰中活性成分SiO₂、Al₂O₃与CaO生成水化硅酸凝胶，从而提高了陶粒的强度。

对比例1

采用实施例1至3中粉煤灰A和粉煤灰B为原料，制备陶粒。陶粒的制备方法与实施例1至3的不同处在于，以20％的混合料烧失量作为指导，从而粉煤灰A与粉煤灰B的原料质量配比为2:1。其余步骤与实施例2、3完全相同。

由上述的方法制备得到的陶粒，其堆积密度为910.24kg/m³，其吸水率为13.37％，其平均颗粒抗压强度为8.05MPa。

对比例2

采用实施例1中粉煤灰A为原料，制备陶粒。制备方法与实施例1至3的不同处在于，是以27.9％的混合料烧失量作为指导，其余步骤与实施例2、3完全相同。

由上述的方法制备得到的陶粒，其堆积密度为923.96kg/m³，其吸水率为6.52％，其平均颗粒抗压强度为5.66MPa。

在对比例1和对比例2中，当粉煤灰物料或者混合物料的烧失量大于20％时，部分陶粒出现熔融现象，其颗粒抗压强度明显下降。因此，本发明的技术方案中，将原料的烧失量控制在5％～8％的范围，目的是获得性能最优的高强陶粒。

本发明提供的高强陶粒，其堆积密度为900kg/m³～1100kg/m³，随机颗粒抗压强度的正态分布和频率分布统计图中7MPa-13MPa的高强陶粒数目＞90％，不仅能够作为优质的混凝土骨料应用于建筑行业，还能够作为水中滤料应用于污废水处理中，具有显著的经济和社会效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的精神，在本发明技术方案的基础上所作的任何简单修改、等同变化或改进，均落入本发明技术方案的保护范畴。

Claims

1.一种高强陶粒，由一种循环流化床粉煤灰或者多种循环流化床粉煤灰混合后烧结制得，其特征在于烧结前物料或者混合物料的烧失量需要控制在5％～8％的范围，且物料或者混合物料中SiO₂含量为39％～49％、Al₂O₃含量为30％～36％、CaO含量为8％～11％；所述高强陶粒的堆积密度为900kg/m³～1100kg/m³，随机颗粒抗压强度的正态分布和频率分布统计图中7MPa-13MPa的高强陶粒数目＞90％；

所述的高强陶粒的制备方法包括以下步骤：

(2)控制粉煤灰物料或者混合物料的烧失量在5％～8％的范围，并由此确定粉煤灰物料或者粉煤灰混合物料的配比，称量、混合均匀；

(4)将步骤(3)得到的陶粒生料球转入高温设备内烧结处理，获得高强陶粒。

2.根据权利要求1所述的高强陶粒，其特征在于，所述高强陶粒形状为球形或椭球形。

3.根据权利要求2所述的高强陶粒，其特征在于，所述高强陶粒为内部结构致密的粒径5mm～15mm的球形或椭球形颗粒。

4.根据权利要求1所述的高强陶粒，其特征在于，造粒过程中，加入水的质量占混合物料总质量的30％～35％。

5.根据权利要求1所述的高强陶粒，其特征在于，所述的圆盘成球机的倾斜角度设置为40°～50°，转速设置为20-40r/min。

6.根据权利要求1所述的高强陶粒，其特征在于，陶粒生料球转入高温设备内烧结处理前，还包括将陶粒生料球于常温下静置一段时间，使其进行水化反应的步骤。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的高强陶粒作为滤料在水处理领域的应用。

8.一种权利要求1至6中任一项所述的高强陶粒作为建筑材料在装配式建筑领域的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的高强陶粒作为砂石替代材料应用于混凝土掺合料中。