CN117049809A - 一种代替海上风电抛石的重质陶粒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种重质陶粒，尤其是低碳、低成本、免烧结及免保湿养护、能大量处置多种固废、密度大的代替海上风电抛石的重质陶粒，包括以下组分：固废基胶凝材料、碳化钢渣粉、市政污水处理污泥，碳化钢渣粉包括以下组分：钢渣粉、水、EDTA‑2Na、茶皂素。通过引入EDTA‑2Na和茶皂素，钢渣粉二氧化碳吸收量极高，可达22％，所得制品低碳环保；重质陶粒的密度可重达2.95g/cm3，且为球形，呈连续级配，防冲刷效果比天然石料要好；原材料均为难以处理的固废材料，可大量处理多种固废，因为免烧结，更为低碳环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种重质陶粒，尤其是低碳、低成本、免烧结及免保湿养护、能大量处置多种固废、密度大的代替海上风电抛石的重质陶粒。
背景技术
海上风电桩基防冲刷抛石防护是传统防护方法，通过机械或人工抛投块石、卵石等天然石料，在指定区域堆砌形成防护结构。通过合理搭配不同粒径级配的石块可达到反滤效果，阻止海床泥沙从块石缝隙流失，增加海床泥沙运移临界流速，从而达到防冲刷的作用。另外，抛石也可增大桩周附近局部糙率，减小水流流速。
其缺点是，由于块石、卵石等天然石料级配不合理，无法达到连续级配，比重不高，易流失，容易形成二次冲刷，维护量大。块石、卵石等天然石料的开采和获取会破坏环境，也不便宜，需要100～130元每吨，一个稍微大点的风电场就需要抛石十几万吨，代价很大。
众所周知，钢渣由于含铁，密度大，钢渣原渣密度为3.2～3.8，而块石、卵石等天然石料密度为2.6，密度相差比较大。而且钢铁行业碳排放量很大，减碳是一个迫在眉睫的需求。钢渣含钙量很大，碳化活性很高，可以用钢厂排放的二氧化碳来碳化钢渣粉。钢渣粉吸收二氧化碳后，密度会进一步增大，稳定性也会大大增强。
中国大百科全书里记录了2个效应：复盐效应+硅四配位同构化效应。
复盐是指由一种以上阴离子或/和一种以上阳离子组成的盐类，即至少含有三种以上的不同离子基团。其重要特征是能通过多种离子基团的组合，使体系内的电子轨道运动状态取得最低的能级。形成过程是体系能态降低的过程，属于放热过程，因此许多活泼离子可以通过复盐的形成，使其在水中的溶解度大幅度下降，从而被固定下来。
常见的复盐矿物
①钙矾石AFt——3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O,在碱性条件下溶度积为10-111.6，
②Friedel’s盐——双层金属氢氧化物,又被称为Ca-Al水滑石，3CaO·Al2O3·CaCl·10H2O，常温Ksp＝10-27.1
③C-S-H(硅酸钙)凝胶xCaO·SiO2·yH2O
④黄钾铁矾——KFe3(OH)6(SO4)2，溶解度为10-93.21
⑤水铝矿石——溶解度为10-94.75
钙矾石复盐形成具有纳米直径的针棒状晶体从而对硬化体具有增强增韧效应。
硅氧四面体在解聚、迁移和再聚合的过程中会使三价或五价离子进入硅氧四面体网络结构，并使其形成具有四个氧配位的四面体，与硅氧四面体以顶角相连。而活泼的一价或二价的阳离子或阴离子则被捕获进入网络体的空隙间平衡电荷而被稳定化。
基于上述2个效应，可用矿渣、钢渣和脱硫石膏粉磨后制成固废基胶凝材料。
污水处理厂从本质上看也是个高耗能产业，曾经一味堆填污泥的形式更是浪费了大量的资源和土地，还对生态环境造成了额外的冲击。即使从碳排放的角度来看，污泥处置的必要性也是存在的，污泥焚烧技术是高能耗高碳排放高成本的工艺。
为了能够大量处置钢渣、污泥等固废，并降低海上风电桩基防冲刷抛石防护费用。有必要制备一种低碳、低成本、免烧结及免保湿养护、能大量处置多种固废、密度大的代替海上风电抛石的重质陶粒。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种代替海上风电抛石的重质陶粒，使用茶皂素、EDTA来进一步提升二氧化碳吸收量，达到提高钢渣粉二氧化碳吸收量，即低碳的目的。
本发明采用的技术方案是：一种代替海上风电抛石的重质陶粒，包括以下重量百分比的组分：
固废基胶凝材料 60％
碳化钢渣粉 20％
市政污水处理污泥 20％。
进一步的，所述的固废基胶凝材料包括以下重量百分比的组分：
矿渣颗粒 60％
钢渣颗粒 28％
脱硫石膏 12％。
制备固废基胶凝材料时，将下面3种固废矿渣颗粒、钢渣颗粒和脱硫石膏用立磨磨细至比表420m2/g，再用管磨磨细至比表580m2/g，制备成固废基胶凝材料。所得的固废基胶凝材料物理力学性能和普通硅酸盐425水泥物理力学性能一致。
进一步的，所述碳化钢渣粉包括以下重量百分比的组分：
制备碳化钢渣粉时，先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，随后加入钙离子强效螯合剂EDTA-2Na和二氧化碳吸收剂茶皂素以提高二氧化碳吸收量，然后用钢厂石灰窑排出的烟气碳化钢渣粉，烟气中二氧化碳浓度为22％，碳化时间为8h。
进一步的，所述的矿渣颗粒和钢渣颗粒均为钢厂炼铁产生的废弃物，钢渣颗粒经过热焖工艺处理；
所述的脱硫石膏为电厂脱硫石膏，含水率为18％，氯离子含量为3000ppm。正常用作建筑脱硫石膏粉的电厂脱硫石膏含水率要求小于12％，氯离子含量小于600ppm。本申请中超高氯离子含量脱硫石膏没法用于建筑脱硫石膏粉，是纯粹的废弃物，一般只能做填埋，难以处理。
进一步的，所述市政污水处理污泥的含水量为65％。
进一步的，所述的矿渣颗粒、钢渣颗粒和脱硫石膏的比表面积为580m2/g。
进一步的，所述钢渣粉的比表面积为380m2/g，密度为3.43g/cm3。
进一步的，所述的EDTA-2Na，化学式为C10H14N2Na2O8，分子量为336.206。EDTA-2Na有六个配位原子，形成的配合物叫做螯合物。对钙、镁及其他金属离子螯合能力极强。
EDTA-2Na具有广泛的配位性能，几乎能与所有的金属离子形成稳定的螯合物，所以，可以用其来螯合大量的钙、镁离子，尤其是钙离子，为钢渣碳酸化反应提高大量钙、镁离子，大幅度提高二氧化碳吸收量，EDTA-2Na螯合物大多数带电荷，故能溶于水，反应迅速，其水溶液呈酸性，也非常利于钢渣发生碳酸化反应，提升二氧化碳吸收量。
茶皂素，是由茶树种子(茶籽、茶叶籽)中提取出来的一类糖苷化合物，是一种性能良好的天然表面活性剂，茶皂素具有较强的吸收二氧化碳能力。
茶皂素本身吸收二氧化碳能力就较强，还能够显著地降低液体表面张力，在浓度为0.001％～1.0％的范围内，其表面张力从76mN/m下降到46mN/m。茶皂素在0.5％左右。在水质硬度为0～28.7的范围内，其表面活性几乎不受影响。同时它对疏水性固体表面具有显著的湿润作用，在浓度为1％时，其接触角为<90度，湿润性能好，所以能够使水更快更深入的润湿钢渣粉，钢渣发生碳酸化反应需要一定水分，茶皂素降低表面张力提升润湿能力的作用可大幅度提升二氧化碳吸收量，而且，茶皂素溶液pH中性偏酸，也非常利于钢渣发生碳酸化反应，提升二氧化碳吸收量。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、通过引入EDTA-2Na和茶皂素，钢渣粉二氧化碳吸收量极高，可达22％，所得制品低碳环保；
2、重质陶粒的密度可重达2.95g/cm3，且为球形，呈连续级配，防冲刷效果比天然石料要好；
3、原材料均为难以处理的固废材料，可大量处理多种固废，因为免烧结，更为低碳环保。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
制备固废基胶凝材料：
按照重量百分比将60％的矿渣颗粒、28％的钢渣颗粒、12％的脱硫石膏，用立磨磨细至比表420m2/g，再用管磨磨细至比表580m2/g，制得固废基胶凝材料；
制备碳化钢渣粉：
先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，按照重量百分比将0.02％的EDTA-2Na和0.02％的茶皂素溶于1.96％的自来水，再和98.00％的钢渣粉混合均匀，再往碳化釜中通入钢厂石灰窑排出的二氧化碳浓度为22％的烟气，碳化8h，制得碳化钢渣粉；
制备重质陶粒：
按照重量百分比将60％的碳化钢渣粉、20％的固废基胶凝材料和20％的含水率为65％的市政污水处理污泥混合，再加入占3种组分总重量10％的自来水，搅拌均匀后，用盘式造粒机进行连续级配造粒，造出来的呈圆球形。免烧结免保湿养护，自然放置3天后，得到一种代替海上风电抛石的优质重质陶粒。
所得重质陶粒的物理力学性能为：颗粒为连续级配，桶压强度3.6Mpa，密度2.88g/cm3，比天然石料高10.77％。
实施例2
与实施例1的区别在于：
制备碳化钢渣粉：
先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，按照重量百分比将0.04％的EDTA-2Na和0.04％的茶皂素溶于1.92％的自来水，再和98.00％的钢渣粉混合均匀，再往碳化釜中通入钢厂石灰窑排出的二氧化碳浓度为22％的烟气，碳化8h，制得碳化钢渣粉。
所得重质陶粒的物理力学性能为：颗粒为连续级配，桶压强度3.8Mpa，密度2.93g/cm3，比天然石料高12.69％。
实施例3
与实施例1的区别在于：
制备碳化钢渣粉：
先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，按照重量百分比将0.06％的EDTA-2Na和0.06％的茶皂素溶于1.88％的自来水，再和98.00％的钢渣粉混合均匀，再往碳化釜中通入钢厂石灰窑排出的二氧化碳浓度为22％的烟气，碳化8h，制得碳化钢渣粉。
所得重质陶粒的物理力学性能为：颗粒为连续级配，桶压强度4.0Mpa，密度2.94g/cm3，比天然石料高13.08％。
实施例4
与实施例1的区别在于：
制备碳化钢渣粉：
先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，按照重量百分比将0.08％的EDTA-2Na和0.08％的茶皂素溶于1.84％的自来水，再和98.00％的钢渣粉混合均匀，再往碳化釜中通入钢厂石灰窑排出的二氧化碳浓度为22％的烟气，碳化8h，制得碳化钢渣粉。
所得重质陶粒的物理力学性能为：颗粒为连续级配，桶压强度4.1Mpa，密度2.95g/cm3，比天然石料高13.46％。
对比例1
与实施例1的区别在于：
制备碳化钢渣粉：
先将钢渣粉磨细至比表为380m2/g，按照重量百分比2.00％的自来水和98.00％的钢渣粉混合均匀，再往碳化釜中通入钢厂石灰窑排出的二氧化碳浓度为22％的烟气，碳化8h，制得碳化钢渣粉。
所得重质陶粒的物理力学性能为：颗粒为连续级配，桶压强度3.1Mpa，密度大于2.72g/cm3，比天然石料高4.62％。
本发明实施例1-实施例4制得的碳化钢渣粉及对比例1制得的碳化钢渣粉的性能如下表1所示：
表1实施例1-实施例4及对比例1制得的碳化钢渣粉的性能参数
从上表中可以看出，显而易见的，实施例1-实施例4所制得的碳化钢渣粉在二氧化碳吸收量远高于对比例，最高的实施例4比对比例1提升了61.18％，密度也比对比例1高很多，最高的实施例4比对比例1提升了7.71％。二氧化碳吸收量越高，制品越低碳。
本发明实施例1-实施例4制得的重质陶粒及天然石料的性能如下表2所示：
表2实施例1-实施例4制得的重质陶粒及天然石料的性能参数
天然石料强度虽然更高，但在抛石防护工程中，强度不需要那么高，最主要的是密度要高，防止被洋流冲走。
固废基胶凝材料原材料加生产成本为100元每吨，碳化钢渣粉原材料及生产成本为90元每吨，重质陶粒搅拌及造粒成本为12元每吨，也就是生产一吨代替海上风电抛石的优质重质陶粒成本为82元。
制备一吨代替海上风电抛石的优质重质陶粒收益为：污泥处置收益为600元每吨，二氧化碳碳价为60元每吨，每吨陶粒出厂价为10元每吨，也就是生产一吨代替海上风电抛石的优质重质陶粒利润为55.2元。随着碳价的进一步上升，本发明制备的重质陶粒经济效益为越来越高。
从上述数据可以看出，本发明制备的代替海上风电抛石的重质陶粒二氧化碳吸收量大，可大量处置难处理固体废弃物，低碳环保，物理力学性能好，利润高，经济和社会效益极为明显。
Claims (8)
1.一种代替海上风电抛石的重质陶粒，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
固废基胶凝材料 60％
碳化钢渣粉 20％
市政污水处理污泥20％。
2.根据权利要求1所述的重质陶粒，其特征在于，所述的固废基胶凝材料包括以下重量百分比的组分：
矿渣颗粒60％
钢渣颗粒28％
脱硫石膏12％。
3.根据权利要求1所述的重质陶粒，其特征在于，所述碳化钢渣粉包括以下重量百分比的组分：
4.根据权利要求2所述的重质陶粒，其特征在于，
所述的矿渣颗粒和钢渣颗粒均为钢厂炼铁产生的废弃物，钢渣颗粒经过热焖工艺处理；
所述的脱硫石膏为电厂脱硫石膏，含水率为18％，氯离子含量为3000ppm。
5.根据权利要求2所述的重质陶粒，其特征在于，所述的矿渣颗粒、钢渣颗粒和脱硫石膏的比表面积为580m2/g。
6.根据权利要求3所述的重质陶粒，其特征在于，所述钢渣粉的比表面积为380m2/g，密度为3.43g/cm3。
7.根据权利要求3所述的重质陶粒，其特征在于，所述的EDTA-2Na，化学式为C10H14N2Na2O8，分子量为336.206。
8.根据权利要求1所述的重质陶粒，其特征在于，所述市政污水处理污泥的含水量为65％。
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|---|---|---|---|
| CN202311023814.2A CN117049809A (zh) | 2023-08-15 | 2023-08-15 | 一种代替海上风电抛石的重质陶粒 |
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| CN117049809A true CN117049809A (zh) | 2023-11-14 |
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