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用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖及其制备方法

2021-02-16 17:03:40

用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖及其制备方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种，尤其是涉及一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖及其制备方法。

　　背景技术

　　垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧过程中产生的二次污染物(下文中简称飞灰)，其产生率一般为2-5％。飞灰中富集了较多的重金属、二恶英和溶解盐等有害物质，被许多国家列为一种危险废物，需要经过预处理后方可进行填埋处置或再利用。

　　目前国内对飞灰主要的安全处理处置方法有两种，一是，先进行固化/稳定化处理再进入危险废物填埋场填埋；二是，通过预处理满足更苛刻的浸出指标(生活垃圾填埋场污染控制标准(GB168892-2008))后可送卫生填埋场填埋。这两种方法在短时间内避免了飞灰中重金属由于浸出对环境造成的危害，但尚存在一些问题。首先，危险废物填埋场填埋费用相当高，飞灰若均在危险废物填埋场填埋处置，年填埋费用可达数亿元；2008年后虽规定飞灰可进入卫生填埋场处置，但之前的预处理费用较高。其次，飞灰填埋占用大量土地资源，填入填埋场的飞灰固化体不能够资源化利用；而且，飞灰填埋并不能销毁二恶英和彻底阻断重金属浸出，具有造成二次污染的潜在可能性。由此，寻找更经济合理且安全的处理处置方法或资源化方法迫在眉睫。

　　中国专利CN 102775130 A公开了一种用生活垃圾焚烧飞灰和磷矿尾矿制成烧结砖及其制备方法，所述的用生活垃圾焚烧飞灰和磷矿尾矿制成烧结砖，其原料组分按质量百分比计算，由20～30％的生活垃圾焚烧飞灰、25～30％的粘土和40～50％的磷矿尾矿组成，其制备方法包括原料粉碎前预处理、原料的粉碎、原料的陈化、原料的成型、坯体干燥及烧结成砖等6个步骤，最终得到一种用生活垃圾焚烧飞灰和磷矿尾矿制成烧结砖。不仅实现了生活垃圾焚烧飞灰和磷矿尾矿资源化利用问题，而且其煅烧过程可销毁飞灰中的二恶英，所得的成品致密的结构又能固化飞灰中的重金属，从而达到飞灰无害化的目的。该专利利用了磷矿尾矿，磷矿尾矿是磷矿原矿经过磨碎、采用不同选矿技术对磷进行富集后残留的物质，其主要成分为SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3。我国开采的磷矿80％为中低品位矿，每生产1t磷精矿将产生w(P2O5)为5％～7％的磷矿尾矿0.44t，每年可产生磷矿尾矿7 000kt。因此，需要为磷矿尾矿寻找资源化途径。基于此及城市可持续发展，本申请人的在先专利将飞灰与磷矿尾矿用作主要原料研制烧结砖旨在对飞灰无害化处理处置的同时实现飞灰与磷矿尾矿的资源化。利用飞灰与磷矿尾矿研制烧结砖，不仅能降低烧成过程中的能耗促进低碳发展、有望改善其性能，使其具有一定的潜在市场。更重要的是，可节省大量的飞灰安全填埋处置费用和土地资源并且实现了磷矿尾矿的资源化，具有较高的经济意义。烧结砖焙烧过程能稳定/固化飞灰中的重金属，且有望销毁二恶英，实现飞灰的无害化，由此可避免飞灰在填埋过程中的潜在二次污染，具有深远的社会意义。但这种处理方法存在耗能高等的缺点。

　　国内外研究现状及发展动态

　　飞灰处理方式很多，目前常用的主要有固化/稳定化、酸或其它溶剂提取和高温热处理。其中，热处理主要包括烧结和熔融/玻璃化，高温热处理一般能有效破坏飞灰中99％以上的二恶英污染物，所得固化体中重金属浸出毒性大大降低，是能有效实现飞灰无害化处理的一种方法。

　　飞灰烧结处理所需温度通常低些，它是在低于熔融温度下通过使固体颗粒获得扩散能量将大部分甚至全部气孔从晶体中排除，从而变成致密且坚硬的烧结体的过程。其能耗比飞灰熔融/玻璃化处理低些，且在一定程度上减少了重金属在高温下的挥发；同时，其致密烧结体对重金属起到较好固化作用，且烧结产物通常稳定性高可被资源化利用，近年来成为国内外研究的热点。Mangialardi，将飞灰水洗后压制成底面直径为15mm，高为20mm的小圆柱形坯体，然后在1,140℃的高温下煅烧60min，烧结固化体的抗压强度达到2.8MPa。Wang等在1,100℃与1,140℃下将飞灰进行烧结处理，获得抗压强度分别为6-8MPa与12MPa的烧结产物。Polettini等在飞灰中添加了碎玻璃以及一些矿石等添加剂激发飞灰的活性，在1,100-1,150℃进行煅烧，所得飞灰烧结固化体性能可满足混凝土粗集料的要求。Huang等将含有重金属的污泥、采矿废弃物与飞灰混合在1,150℃下进行煅烧，所得烧结固化体中重金属固化率与熔融处理相比有所提高。

　　以上烧结所得的固化体通常作为粗集料使用，价值较低，不能补偿处理过程中的较高成本，尚需寻找价值更高的烧结体出路。施惠生等利用飞灰烧制阿利尼特水泥熟料，为飞灰的资源化利用提供了新途径，但仍须解决在高达1400℃左右的高温下重金属的挥发等问题。国内外尚未见其它学者将飞灰用作主要原料研制陶瓷砖的报道。

　　发明内容

　　本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的生活垃圾焚烧飞灰无害化与资源化以及淤泥资源化利用的技术问题而提供一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖及其制备方法。

　　本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

　　一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖，该烧结砖包括以下重量份含量的组分：

　　进一步地，所述生活垃圾焚烧飞灰包括以下重量份含量的组分：

　　所述陶土包括以下重量份含量的组分：

　　所述淤泥包括以下重量份含量的组分：

　　所述高岭土包括以下重量份含量的组分：

　　更进一步地，所述生活垃圾焚烧飞灰包括以下重量份含量的组分：

　　所述陶土包括以下重量份含量的组分：

　　所述淤泥包括以下重量份含量的组分：

　　所述高岭土包括以下重量份含量的组分：

　　本发明还提供了上述烧结砖的制备方法，包括以下步骤：

　　(1)原料粉碎前预处理

　　将生活垃圾焚烧飞灰、淤泥、陶土和高岭土通风干燥；

　　(2)原料的粉磨

　　将步骤(1)得到的原料进行破碎、粉磨得到原料粉料；

　　(3)原料的陈化

　　将步骤(2)得到的原料粉料在搅拌机中加水搅拌，然后在室温下静置陈化，陈化后过筛；

　　(4)原料成型

　　将步骤(3)经陈化过筛后的原料在制砖成型机上进行压力成型；

　　(5)坯体干燥

　　将步骤(4)所得的成型坯体在干燥窑中干燥；

　　(6)烧结成砖

　　将步骤(5)经干燥后的坯体入熔炉进行煅烧得到所述烧结砖。

　　进一步地，步骤(1)中，所述的通风干燥的条件为在15～25℃条件下通风干燥36～48小时。

　　进一步地，步骤(2)中，所述的破碎、粉磨在组合粉磨设备中进行，控制出料细度55％～70％在200～250目之间；所述的组合粉磨设备包括颚式破碎机与雷蒙磨。

　　进一步地，步骤(3)中，所述搅拌机中控制100kg物料的加水量为5～8L，搅拌3～5分钟；静置陈化的时间为12～24小时；陈化后过筛目数为50～100。

　　进一步地，步骤(4)中，原料在制砖成型机上进行两次加压后坯体成型，控制第一次压力240～420kg/cm2，第二次压力400～700kg/cm2。

　　进一步地，步骤(5)中，所述干燥的条件为在50～100℃条件下干燥10～15小时。

　　进一步地，步骤(6)中，所述煅烧的条件为1000～1100℃条件下煅烧17±2小时。

　　与现有技术相比，本发明具有以下优点：

　　(1)本发明实现了淤泥的资源化利用，淤泥属于硅酸盐类原料，具有良好的可加工性能，在水泥、陶瓷等方面，都显示出其化学成分及矿物成分的优越性。从矿物组成看，淤泥主要由石英、粘土类矿物(伊利石、高岭石、蒙脱石)、长石类矿物组成，另含少量的碳酸盐，微量的硫酸盐、磷酸盐及有机物。因此从矿物成分上可以看出，淤泥是生产建筑制品的较好原料之一；用淤泥研制烧结砖既可以解决长江泥沙淤积所造成的环境危害，又可以产生一定的经济效益。将长江口淤泥和飞灰共处置研制出烧结砖，旨在资源化利用长江口淤泥和飞灰的同时达到安全处置的目的。

　　(2)本发明实现了飞灰无害化处理，随着垃圾焚烧技术的快速发展所产生的飞灰日益增多，飞灰因含有二恶英及大量重金属，是一种公认的危险废物，其二恶英与重金属是处理过程中的难点。然而，飞灰中含有较多的硅酸盐及铝硅酸盐，是一种有用的材料，可资源化利用。用飞灰研制烧结砖不仅实现了废物的资源化利用，而且其煅烧过程可销毁飞灰中的二恶英，所得成品致密的结构又能固化飞灰中的重金属，从而达到飞灰无害化的目的。

　　(3)本发明相比于现有技术的经济效益更佳，现有的飞灰一般经固化处理后在卫生填埋场进行填埋处置，不仅占用大片土地而且处理费极高(填埋场管理费2700元/吨)，我国每年仅飞灰处理费就高达几十亿。飞灰制成烧结砖节省了巨额的飞灰处理费用，且飞灰制品可作为商品带来一定的经济利益，具有较好的经济效益。

　　(4)飞灰填埋场处理不能销毁二恶英，其中的重金属也不能降解，一旦发生泄漏将对社会造成极大的危害，因此具有一定的隐患；飞灰填埋场封场后不能再利用，造成资源的大量浪费。将飞灰制成可利用的安全产品不仅保证了可持续性发展而且也减少了对社会的潜在危害，具有一定的社会意义。

　　附图说明

　　图1为本发明的制备过程流程框图。

　　具体实施方式

　　下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

　　一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖，该烧结砖的组分主要包括生活垃圾焚烧飞灰、淤泥、陶土、高岭土。

　　1.原材料分析

　　(1-1)生活垃圾焚烧飞灰

　　实验用生活垃圾焚烧飞灰取自上海江桥生活垃圾焚烧发电厂，主要化学成分如表1所示。飞灰主要化学组成为SiO2、Al2O3、CaO，飞灰中重金属含量由高到低依次为Zn>Pb>Cu>Cr>As>Ni、Cd、Hg。实验中掺加量为15-30重量份。

　　表1实验用生活垃圾焚烧飞灰的主要化学成分(％)

　　(1-2)淤泥

　　采用长江口淤泥，其具体化学成分见表2，实验中掺加量为30-50份。

　　(1-3)陶土

　　采用浙江丁家桥的陶土，其主要化学成分如表2所示，粘土中Fe2O3的含量比较高，它的氧化铁成分使得其成品显红色。粘土主要的矿物组成是石英、白云母和高岭石。实验中陶土掺加量为30-50份。

　　(1-4)高岭土

　　取自苏州浒墅关，其具体化学成分见表2，实验中掺加量为10-18份。

　　表2实验用原材料的化学成分(份)

　　2.烧结砖制备方法

　　飞灰烧结砖的制作工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

　　(2-1)物料制备与成型

　　物料在粉磨前需在干燥室(20±5℃)通风干燥36～48小时，然后进行粉磨，粉磨所用设备是建陶厂专用组合粉磨设备，主要包括颚式破碎机与雷蒙磨两部分。物料首先在颚式破碎机内进行一级破碎；经破碎的物料再由斗式提升机运送到磨头仓，随后进入雷蒙磨进行二级破碎；最后粒径小于100目的颗粒经旋风筒在物料仓中收集；出料细度55％～70％在200～250目之间。

　　物料经过粉磨后在搅拌机中加水搅拌，每100kg物料的加水量为5～8L，搅拌3～5分钟，之后在室温下静置12～24小时使其陈化。陈化后的物料再过筛(50～100目)，目的是促进物料的均化和胶团的形成。

　　陈化过筛后的物料，在制砖成型机上进行压力成型，成型压力为400～700kg/cm2。成型过程通过两次加压完成，第一次加压240～420kg/cm2，第二次满负荷加压。

　　成型所得坯体在干燥窑中(50～100℃)干燥12±2h。

　　(1-2)飞灰烧结砖的烧成

　　干燥后的坯体入熔炉进行煅烧17±2h，熔炉的烧成温度控制在1000～1100℃。

　　以下为本发明的具体实施过程：

　　实施例1

　　一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖。

　　1.原材料

　　本实施的烧结装的原材料包含以下质量百分比组成：

　　飞灰 20份；

　　淤泥 40份；

　　陶土 30份；

　　高岭土 10份；

　　各个组分的化学成分如表3所示。

　　表3实验用原材料的化学成分(份)

　　2.制备方法

　　物料首先在干燥室(15℃)通风干燥48小时，然后在专用粉磨设备中粉磨，出料颗粒级配如表4所示。

　　表4出料颗粒级配(％)

　　物料经过粉磨后在搅拌机中加水搅拌，每100kg物料的加水量为5L，搅拌5分钟，之后在室温下静置24小时使其陈化。陈化后的物料再过筛(50目)，目的是促进物料的均化和胶团的形成。

　　陈化过筛后的物料，在制砖成型机上进行压力成型，成型机的型号为TC2680，电机功率为7.5KW，成型压力为700kg/cm2，第一次成型压力为400kg/cm2，第二次成型压力为700kg/cm2。

　　成型所得坯体在干燥窑中(60℃)干燥13h。干燥后的坯体入熔炉进行煅烧，烧成温度控制在1050℃。

　　3.飞灰烧结砖宏观性能

　　飞灰烧结砖的尺寸偏差达到GB5101-2003中优等烧结砖的要求；表观质量达到了GB5101-2003中对特等品与一等品的要求；强度等级达到MU20强度等级；吸水率最大值<12％，并且平均饱和系数<0.80，最大饱和系数<0.9，制品完全达到GB5101-2003中对抗风化能力的要求；制品完全满足抗冻性能的要求；石灰爆裂达到一等或优等品的要求；泛霜达到优等品或一等品的要求；抗化学腐蚀能力为A级。

　　实施例2

　　一种用生活垃圾焚烧飞灰和淤泥制成的烧结砖。

　　1.原材料

　　本实施的烧结装的原材料包含以下质量百分比组成：

　　飞灰 15份；

　　淤泥 30份；

　　陶土 30份；

　　高岭土 10份；

　　各个组分的化学成分如表5所示。

　　表5实验用原材料的化学成分(％)

　　2.制备方法

　　物料首先在干燥室(19℃)通风干燥41小时，然后在专用粉磨设备中粉磨，出料颗粒级配如表6所示。