申請(qǐng)日2015.07.10
公開(公告)日2015.11.04
IPC分類號(hào)C04B33/132; C04B33/138; C04B33/32; C04B33/18; C04B33/13
摘要
本發(fā)明屬于建筑材料類，提供一種利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法。包括有以下步驟：1)按照以下組分及含量取料，重量百分比計(jì)：干化污泥40%-45%，高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖40%-45%，鋇渣12%-18%，磷酸二氫鋁0.5%-0.8%，硼砂0.5%-1%;2)將各組分混合均勻后采用靜壓力成型法在成球模具中壓制成型，成型壓力為8Mpa-12Mpa，成型后在80±20℃環(huán)境中烘干，經(jīng)預(yù)熱，升溫，燒結(jié)后緩慢降溫即可。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：具有較好的固廢利用效果;具有很好的節(jié)能效果;具有較高的減排效果。綜上所述從而實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
權(quán)利要求書
1.利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法，包括有以下步驟：
1)按照以下組分及含量取料，重量百分比計(jì)：干化污泥40%-45%，高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖 40%-45%，鋇渣12%-18%，磷酸二氫鋁0.5%-0.8%，硼砂0.5%-1%;
2)將各組分混合均勻后采用靜壓力成型法在成球模具中壓制成型，成型壓力為 8Mpa-12Mpa，成型后在80±20℃環(huán)境中烘干，經(jīng)預(yù)熱，升溫，燒結(jié)后緩慢降溫即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法，其特征在于所述的干化污 泥為由水廠污泥經(jīng)脫水、烘干獲得的含水率不高于10%，經(jīng)球磨至粒徑為0.015-0.03mm的污 泥;所述的高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖的粒度要求為≤0.05mm;所述的鋇渣為粉磨處理至粒度≤0.05mm; 所述的磷酸二氫鋁的純度為≥33%;所述的硼砂為市售五水硼砂，純度為>80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法，其特征在于預(yù)熱是以2-3 ℃/min的速度升溫至預(yù)熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫15min-20min后，升溫是 再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫保持15min-20min，燒結(jié)是 以4-8℃/min的溫度升溫至1000℃-1050℃，在該溫度范圍內(nèi)燒結(jié)30-40min。
說(shuō)明書
利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于建筑材料類，提供一種利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法。
背景技術(shù)
近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的大力發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的大力發(fā)展，但在這急速發(fā)展的過(guò)程中，逐漸暴露了較多問(wèn)題：如我國(guó)建筑行業(yè)資源消耗量大，資源循環(huán)利用率低，建筑能耗在全社會(huì)總能耗中所占的比例逐漸升高，并且預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到全社會(huì)總能耗的三分之一以上。面對(duì)這一系列越來(lái)越嚴(yán)峻的問(wèn)題，如何降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)向綠色、節(jié)能方向發(fā)展，成為未來(lái)建筑行業(yè)所必須選擇要走的路。
作為建筑材料中重要的一種類型，輕骨料混凝土因其輕質(zhì)、高強(qiáng)和保溫性能良好在近幾年得到了極大的關(guān)注，并且也得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在輕骨料原料體系當(dāng)中，陶粒作為輕骨料的主要原料種類，能否大面積的開發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用就成為了輕骨料混凝土能否大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
另一方面，隨著我國(guó)這些年大面積的城鎮(zhèn)化建設(shè)，城市污水處理廠的數(shù)量也越來(lái)越多，并且隨著人民生活水平的提高和大眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)加強(qiáng)，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理量逐年增加，但伴隨而來(lái)的問(wèn)題就是污水處理所帶來(lái)的殘留物污泥也會(huì)越來(lái)越多。據(jù)估算，目前我國(guó)城市污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為3000多萬(wàn)噸，預(yù)測(cè)到2020年我國(guó)污泥排放量將突破6000萬(wàn)噸。如何妥善處理處置如此大量的污泥、化害為利、變廢為寶、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，已成為我們當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。
如何合理有效的利用污泥已成為十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。在已有的文獻(xiàn)中，對(duì)利用污泥制備建筑材料已經(jīng)有了一定的研究報(bào)道，其中有一定量的關(guān)于污泥制備燒結(jié)陶粒，分析這些文獻(xiàn)，主要包括以下內(nèi)容：
1.關(guān)于陶粒燒脹的實(shí)現(xiàn)途徑。在現(xiàn)有的研究當(dāng)中，常用途徑是通過(guò)提高燒結(jié)溫度和燒結(jié)保溫時(shí)間，或在一定的條件下?lián)饺胍欢康臒泟﹣?lái)實(shí)現(xiàn)。但隨著燒結(jié)溫度和燒結(jié)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)破壞原有陶粒內(nèi)部良好的微孔，燒結(jié)溫度越高，陶粒越致密，吸水率越低，密度越大，從而影響到陶�；炷恋妮p質(zhì)、保溫性能。且隨著燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)，其所消耗的能源也越多，不符合現(xiàn)階段國(guó)家節(jié)能減排的總體要求。
2.關(guān)于污泥制備陶粒的環(huán)境評(píng)估：在現(xiàn)有的關(guān)于污泥資源化利用的研究報(bào)道中，利用污泥制備建筑材料的研究方向主要集中在原材料的配比優(yōu)化、燒結(jié)溫度制度的選擇和燒結(jié)試樣的性能探討這幾個(gè)方面。而隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，利用污泥燒結(jié)陶粒對(duì)環(huán)境的 影響卻還未被得到足夠的重視，而這卻已成為污泥利用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，而大大限制了污泥制備陶粒等技術(shù)的應(yīng)用，如污泥陶粒燒制過(guò)程中產(chǎn)生的二噁英、硫氧化物等污染氣體的控制，理應(yīng)對(duì)其進(jìn)行更加深入的探究并嚴(yán)格控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法，解決了如何大摻量利用污泥，能在低溫條件下燒結(jié)且環(huán)境污染小的陶粒制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，利用污泥低溫?zé)Y(jié)制備陶粒的方法，包括有以下步驟：
1)按照以下組分及含量取料，重量百分比計(jì)：干化污泥40%-45%，高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖40%-45%，鋇渣12%-18%，磷酸二氫鋁0.5%-0.8%，硼砂0.5%-1%;
2)將各組分混合均勻后采用靜壓力成型法在成球模具中壓制成型，成型壓力為8Mpa-12Mpa，成型后在80±20℃環(huán)境中烘干，經(jīng)預(yù)熱，升溫，燒結(jié)后緩慢降溫即可。
按上述方案，所述的干化污泥為由水廠污泥經(jīng)脫水、烘干獲得的含水率不高于10%，經(jīng)球磨至粒徑為0.015-0.03mm的污泥;所述的高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖的粒度要求為≤0.05mm;所述的鋇渣為粉磨處理至粒度≤0.05mm;所述的磷酸二氫鋁的純度為≥33%;所述的硼砂為市售五水硼砂，純度為>80%。
按上述方案，預(yù)熱是以2-3℃/min的速度升溫至預(yù)熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫15min-20min后，升溫是再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫保持15min-20min，燒結(jié)是以4-8℃/min的溫度升溫至1000℃-1050℃，在該溫度范圍內(nèi)燒結(jié)30-40min。
采用上述原材料和方法制備性能良好的陶粒的技術(shù)原理主要如下：
1.關(guān)于陶粒的原料要求：首先，陶粒的生料球?qū)μ樟５臒少|(zhì)量有較大的影響，要求其具有一定的強(qiáng)度和不變形的能力，這就要求原料有一定的塑性要求，原料的塑性取決于原料當(dāng)中粘土礦物的含量，但污泥本身具有較多的有機(jī)質(zhì)雜質(zhì)，經(jīng)干化粉磨過(guò)后，有機(jī)質(zhì)雜質(zhì)作為瘠性料存在且破壞粘土類原料-水之間的相互作用，造成原料塑性急劇降低，因而在原料當(dāng)中加入頁(yè)巖即是為提供粘土類礦物，有利于胚料早期成型和燒結(jié)所需塑性需求，在這過(guò)程中需嚴(yán)格控制好倆者的摻入比例。其次污泥由于其成分比較不穩(wěn)定，且里面有機(jī)雜質(zhì)含量較多。不能穩(wěn)定提供燒結(jié)陶粒所需一定量的化學(xué)成分SiO2和Al2O3，而SiO2和Al2O3可在950℃-1050℃可形成熔融礦物，這是陶粒形成強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，這兩種化學(xué)成分的缺失會(huì)造成燒結(jié)出的陶粒達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。因而在本發(fā)明中，引入了比例較高的高堿鈣質(zhì) 頁(yè)巖，其中含有較高的SiO2、Al2O3和鈣氧化物含量。經(jīng)研究表明，增加SiO2的含量會(huì)讓陶粒表面形成具有瓷釉光澤的玻璃質(zhì)，且不易發(fā)生過(guò)火現(xiàn)象，還能避免陶粒燒制中出現(xiàn)團(tuán)結(jié)，增加適量的Al2O3還能提高陶粒強(qiáng)度。鈣氧化物主要是指碳酸鈣和氧化鈣的含量，碳酸鈣在高溫下可以分解產(chǎn)生氣體起到燒脹作用，氧化鈣作為堿土金屬氧化物可以作為助熔劑，起到降低燒結(jié)溫度的效果。但堿性物質(zhì)的引入也會(huì)有一定的負(fù)面效果，燒結(jié)后試樣較易出現(xiàn)泛堿和石灰爆裂現(xiàn)象。因而本發(fā)明中通過(guò)降低原料粒度的方法來(lái)調(diào)控石灰爆裂的可能性，且通過(guò)增加一定量的助熔劑來(lái)實(shí)現(xiàn)較多液相的生成，從而可以一定程度上抑制泛堿的發(fā)生。再次，本發(fā)明原料體系中引入了一定摻量的鋇渣，由于污泥燒結(jié)陶粒會(huì)生成一定量的二噁英和硫氧化物氣體，鋇渣的加入一方面是作為固化劑起到固化硫氧化物氣體的作用，另一方面還能實(shí)現(xiàn)鋇渣固體廢棄物的無(wú)害化處理。除此之外，在本發(fā)明的原料體系中，加入一定量的磷酸二氫鋁主要是作為高溫粘結(jié)劑，在原料胚料加工成型過(guò)程中，主要是靠粘土類礦物-水相互作用提供粘結(jié)性，但隨著溫度的升高，原料體系中的自由水隨之蒸發(fā)，從而造成成型后的原料粘結(jié)性能降低，磷酸二氫鋁其在200℃-600℃溫度范圍內(nèi)會(huì)內(nèi)部發(fā)生縮水聚合反應(yīng)，生成大分子聚合物，從而提高了燒結(jié)過(guò)程中的物料粘結(jié)性能，并且還能在一定程度上能夠保存住胚料內(nèi)部產(chǎn)生的水蒸氣和其他氣體，為后期陶粒燒脹提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，同時(shí)防止原料胚料開裂而造成陶粒質(zhì)量的損傷。最后，原料當(dāng)中還加入了一定量的硼砂，硼砂作為助熔劑加入可以擴(kuò)大陶粒的燒結(jié)溫度范圍，同時(shí)增加燒結(jié)產(chǎn)生的液相量，在一定程度上起到降低燒結(jié)溫度和防止泛霜的作用。
2.關(guān)于二噁英等污染氣體的排放，是利用污泥制備陶粒的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本發(fā)明中給出以下措施對(duì)其進(jìn)行處理：二噁英作為污泥處理主要研究的污染氣體，其主要來(lái)源為污泥中的含氯物質(zhì)在燒結(jié)溫度低于800℃的情況下不完全燃燒生成，因而在原料體系引入的頁(yè)巖種類為高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖，其引入的堿性物質(zhì)能夠減少Cl-的溢出，從而消除了二噁英的生成的一部分物質(zhì)來(lái)源;其次是本發(fā)明中燒結(jié)方式雖為低溫?zé)Y(jié)，但燒結(jié)溫度仍達(dá)到1000℃-1050℃，遠(yuǎn)高于二噁英生成的溫度條件;除此之外所選用的干化污泥和高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)粉磨后細(xì)度較低，從而比表面積越大，越容易使內(nèi)部物料燒結(jié)充分，降低了不完全燒結(jié)情況的產(chǎn)生;最后污泥經(jīng)過(guò)干化處理且其中燒失量較高，可以被認(rèn)定是內(nèi)燃料加入到燒結(jié)陶粒中，而坯體物料在一定溫度下能夠生成一定量的液相對(duì)生成氣體進(jìn)行包裹，從而減少了一定量的污染氣體排放量。
3.關(guān)于陶粒燒脹要求：陶粒燒脹主要具有兩點(diǎn)要求，其一是原料加熱到高溫后必須生成一定黏性的玻璃相，能夠?qū)?nèi)部氣體密封，其二是高溫下物料體系當(dāng)中必須有氣體生成，坯體內(nèi)部原料發(fā)生反應(yīng)生成氣體產(chǎn)生壓力，而生料球表面生成黏性液相包裹住內(nèi)部氣體，兩者 共同作用從而生成燒脹陶粒。在本發(fā)明的原料體系當(dāng)中，黏性玻璃相主要取決于SiO2和Al2O3，而引入的高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖其主要成分則是Al2O3和SiO2，能夠滿足玻璃液相所需的SiO2和Al2O3要求，另外還含有較高量的碳酸鈣和氧化鈣和一些堿性物質(zhì)，其中的堿性氧化物還能起到助熔的作用。其次在本發(fā)明中，加入了一定硼砂，硼砂的作用在于可以在一定程度上擴(kuò)大燒結(jié)范圍而降低熔點(diǎn)，由于陶粒燒結(jié)要求表面有一層一定厚度的黏性玻璃相，但溫度越高，熔融液相的黏度越低，因而，降低了熔點(diǎn)后即可在較低的燒結(jié)溫度下，形成黏度更高的熔融液相。在此之外，陶粒要求配料內(nèi)部產(chǎn)生氣體形成氣壓，內(nèi)部氣體形成來(lái)源于三個(gè)方面：其一為水分的蒸發(fā);其二為原料中碳粒的燃燒;其三為原料體系中鹽類的分解;為滿足該條件，原料體系中引入的干化污泥中含有大量的有機(jī)雜質(zhì)，會(huì)在500℃左右會(huì)受熱分解產(chǎn)生CO2;并且各種原料都會(huì)引入了一定量的碳，在溫度400℃-800℃范圍內(nèi)，根據(jù)反應(yīng)條件也會(huì)生成一定量的CO或CO2氣體;在850℃-900℃，原料體系中由干化污泥或者高堿鈣質(zhì)頁(yè)巖引入的碳酸鈣鹽會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)生成CO2氣體;除此之外，干化污泥中都含有較多的Fe2O3，其在1000℃-1300℃溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生分解與還原反應(yīng)從而生成CO或CO2氣體;因而，從原理上分析，只要在1100℃左右，配料表面能夠形成黏度合適的一定厚度的玻璃相，坯體內(nèi)部就能生出足夠的氣體使其陶粒燒脹。
4.關(guān)于燒結(jié)制度的要求：本發(fā)明要求，以2-3℃/min的速度升溫至預(yù)熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫15min-20min，這是由于原料體系中還含有一定量的結(jié)合水，在該溫度內(nèi)保溫是防止溫度升溫太快，結(jié)合水蒸發(fā)太快影響早期胚料粘結(jié)性，而在胚料上造成裂縫。再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內(nèi)恒溫保持15min-20min，是由于本發(fā)明原理中含有大量的干化污泥，而干化污泥中又有超過(guò)40%的物質(zhì)為有機(jī)物雜質(zhì)，其在這一溫度范圍內(nèi)會(huì)大量分解產(chǎn)生氣體，升溫速度太快會(huì)造成內(nèi)部氣壓瞬間壓力過(guò)大溢出產(chǎn)生裂縫，影響陶粒質(zhì)量。最后以4-8℃/min的溫度升溫至1000-1050℃，在該溫度范圍內(nèi)燒結(jié)30-40min后緩慢降溫即可，這是由于該原料體系的熔融溫度約在1100℃左右，其中加入了一定的硼砂擴(kuò)寬了燒結(jié)溫度，若在較高溫度下，內(nèi)部氣體氣壓較大而玻璃液相黏度較低從而阻力較低，容易造成內(nèi)部膨脹氣體溢出;若燒結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則內(nèi)部微孔將破壞形成宏孔，再考慮到燒結(jié)能源的消耗，因而確定了這燒結(jié)溫度制度。
采用上述原材料和方法制備的陶粒，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果：首先，其固體廢棄物的利用率較高，在原料體系中固廢的占比達(dá)到了52%-65%，具有較好的固廢利用效果;其次干化污泥由于其燒失量較高，可以作為內(nèi)燃料加入到燒結(jié)試樣中，而根據(jù)燒結(jié)方面的經(jīng)驗(yàn)，1kg的內(nèi)燃料可以等同于3kg外燃料的使用效果，節(jié)省了一定量燒結(jié)所需的燃料，且本次燒結(jié)采 用低溫?zé)Y(jié)方式，因而在燒結(jié)過(guò)程中具有很好的節(jié)能效果;再次，燒結(jié)過(guò)程中采取了一系列措施降低了燒結(jié)過(guò)程中污染氣體的排放量，具有較高的減排效果。綜上所述從而實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
