一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统和方法
技术领域
本发明属于环保领域，尤其涉及一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统和方法。
背景技术
粉煤灰是燃煤过程中(尤其是烟煤燃烧)排出的微小灰粒，其粒径一般在1～100μm之前，属于危险废物。大量的粉煤灰如不加控制或者处理，会排入空气中造成大气污染，进入水体会淤塞河道，其中的某些化学物质对人体及自然生态造成严重影响。燃煤电厂每年会产生大量的粉煤灰，如何以经济环保的方式处理粉煤灰已成为一个严峻问题。
城市污泥是污水处理过程中产生的半固态或固态沉淀物质，其含水量高达99％以上。按照污泥处理的方式不同，可分为初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥等。所有污泥的最大的共同点是含有大量的有机物。目前污泥处理的主要方式是脱水焚烧后，厌氧消化或高温好氧发酵后再进行堆肥、土地填埋、海洋倾倒等。无论哪种对环境都会产生一定影响。和粉煤灰一样，如何以经济环保的方式处理污泥已成为一个严峻问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统和方法，本发明提供的系统和方法能够将粉煤灰和城市污泥制备成多孔轻骨料，实现粉煤灰和城市污泥的资源化处理。
本发明提供了一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统，包括：
物料混合机，其上设置有脱水污泥入口、粉煤灰入口和混合料出口；
与所述混合料出口相连的旋转式烧结炉；
与所述旋转式烧结炉的生球出口相连的生球干燥炉；
与所述生球干燥炉的出料口相连的回转炉；
与所述回转炉的出料口相连的冷却器。
优选的，所述旋转式烧结炉包括第一旋转式烧结炉和第二旋转式烧结炉，所述第二旋转式烧结炉设置有涂层材料加料口；
所述第一旋转式烧结炉的进料口与所述混合料出口相连，所述第一旋转式烧结炉的生球出口与所述第二旋转式烧结炉的进料口相连，所述第二旋转式烧结炉的生球出口与所述生球干燥炉相连。
优选的，所述物料混合机还设置有膨润土加料口。
优选的，还包括污泥脱水设备，其上设置有城市污泥入口和脱水污泥出料口；
所述脱水污泥出料口与所述物料混合机的脱水污泥入口相连。
优选的，还包括设置在所述污泥脱水设备与所述物料混合机之间的污泥破碎设备；
所述污泥破碎设备的进料口与所述污泥脱水设备的脱水污泥出料口相连，所述污泥破碎设备的出料口与所述物料混合机的脱水污泥入口相连。
优选的，还包括用于回收所述回转炉和冷却器外排废热的废热回收系统。
优选的，还包括用于对所述废热回收系统外排废气进行净化的废气清洁处理设备。
本发明提供了一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的方法，包括以下步骤：
a)将脱水城市污泥和粉煤灰在物料混合机中进行混合，得到混合料；
b)将所述混合料在旋转式烧结炉中进行烧结，得到生球；
c)将所述生球在生球干燥炉中进行干燥，得到干燥球；
d)将所述干燥球在回转炉中进行煅烧，之后进入冷却器中进行冷却，得到轻骨料。
优选的，所述步骤b)具体包括：
b1)将所述混合料在第一旋转式烧结炉中进行烧结，得到待涂覆生球；
b2)将所述待涂覆生球在第二旋转式烧结炉中与涂层材料混合并进行烧结，得到包覆有涂层的生球。
优选的，所述涂层材料包括白云石粉、石灰岩粉和水泥粉中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明提供了一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统和方法。本发明提供的系统包括：物料混合机，其上设置有脱水污泥入口、粉煤灰入口和混合料出口；与所述混合料出口相连的旋转式烧结炉；与所述旋转式烧结炉的生球出口相连的生球干燥炉；与所述生球干燥炉的出料口相连的回转炉；与所述回转炉的出料口相连的冷却器。在本发明中，粉煤灰和城市污泥通过在系统中进行混合、烧结、干燥、煅烧和冷却，最终获得了可用于建材领域的多孔球状轻骨料，实现了粉煤灰和城市污泥的资源化处理。而且，本发明提供的系统中的旋转式烧结炉、生球干燥炉和回转炉均是在一定高温条件下运行的，能够有效燃烧粉煤灰和污泥中含有的碳颗粒，降低制品碳含量，因此该系统对所处理的粉煤灰和城市污泥的烧失量没有严格要求，可用于处理任何烧失量参数的粉煤灰和城市污泥，适用范围更广。此外，在本发明的优选方案中，所述系统还设置有废热回收系统，从而可实现对系统中回转炉和冷却器运行过程中产生的废热进行回收，降低整个系统的运行能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的轻骨料制备系统的工艺流程简图；
图2是本发明实施例1提供的轻骨料制备系统的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的系统，包括：
物料混合机，其上设置有脱水污泥入口、粉煤灰入口和混合料出口；
与所述混合料出口相连的旋转式烧结炉；
与所述旋转式烧结炉的生球出口相连的生球干燥炉；
与所述生球干燥炉的出料口相连的回转炉；
与所述回转炉的出料口相连的冷却器。
参见图1，图1是本发明实施例提供的轻骨料制备系统的工艺流程简图。
本发明提供的系统包括物料混合机、旋转式烧结炉、生球干燥炉、回转炉和冷却器。其中，所述物料混合机为粉煤灰和脱水城市污泥的混合设备，其上设置有脱水污泥入口、粉煤灰入口和混合料出口。在本发明提供的一个实施例中，所述物料混合机还设置有膨润土加料口，膨润土可通过所述膨润土加料口添加到物料混合机内，从而增加混合料的粘结性，有助于后续烧结过程中小球的形成。在本发明提供的一个实施例中，所述物料混合机还设置有加水口，水可通过所述加水口添加到物料混合机内，从而条件混合料的含水量。
在本发明提供的系统中，所述旋转式烧结炉用于对粉煤灰和城市污泥的混合料进行旋转烧结形成生球，其上设置有进料口和生球出口，所述旋转式烧结炉的进料口与所述物料混合机的混合料出口相连。在本发明提供的一个实施例中，所述旋转式烧结炉的炉体与水平面的夹角为45～50°，具体可为45°、46°、47°、48°、49°或50°。在本发明提供的一个实施例中，所述旋转式烧结炉包括第一旋转式烧结炉和第二旋转式烧结炉，其中，所述第一旋转式烧结炉用于对粉煤灰和城市污泥的混合料进行旋转烧结形成生球，其上设置有进料口和生球出口；所述第二旋转式烧结炉用于对生球进行再次烧结并裹覆涂层材料，其上设置有进料口、涂层材料加料口和生球出口；所述第一旋转式烧结炉的进料口与所述混合料出口相连，所述第一旋转式烧结炉的生球出口与所述第二旋转式烧结炉的进料口相连，所述第二旋转式烧结炉的生球出口与所述生球干燥炉相连。在本发明中，通过在生球表面裹覆涂层材料可以有效避免在后续回转炉煅烧过程中出现生球粘连的情况。
在本发明提供的系统中，所述生球干燥炉用于对烧结炉制备的生球进行干燥，以进一步降低生球的含水量，其上设置有进料口和出料口，所述生球干燥炉的进料口与所述旋转式烧结炉的生球出口相连。
在本发明提供的系统中，所述回转炉用于对干燥后的生球进行高温煅烧，其上设置有进料口、燃料进口、空气进口、出料口和废气出口，所述回转炉的进料口与所述生球干燥炉的出料口相连。在本发明提供的一个实施例中，所述回转炉的炉体与水平面的夹角为15～30°，具体可为15°、17.5°、20°、22.5°、25°、27.5°或30°。回转炉运行时，干燥后的生球在回转炉内与燃料和空气混合煅烧，生球在回转炉内的高温环境下发生热解和固化，并产生大量的气体，这些气体穿过球体表面形成孔洞，最终得到一种坚硬、低密度的多孔球状材料，即轻骨料。在本发明中，干燥后的生球、燃料和空气在回转炉中的进出方向优选保持一致，从而够大大增加燃烧效率，最大限度的消除球体的碳含量。
在本发明提供的系统中，所述冷却器用于对回转炉煅烧制备的轻骨料进行冷却降温，其上设置有进料口和出料口，所述冷却器的进料口与所述回转炉的出料口相连。在本发明提供的一个实施例中，所述冷却器为水冷器或空冷器。
在本发明提供的一个实施例中，所述系统还包括污泥脱水设备，其上设置有城市污泥入口和脱水污泥出料口，所述脱水污泥出料口与所述物料混合机的脱水污泥入口相连。在本发明中，所述污泥脱水设备用于对城市污泥进行初步脱水，以降低城市污泥的含水率，使得后续脱水后的城市污泥和粉煤灰的混合物的含水量满足烧结要求。在本发明提供的一个实施例中，根据城市污泥的含水量水平，所述污泥脱水设备具体可选择压滤机或干燥机。
在本发明提供的一个实施例中，所述系统还包括污泥破碎设备，所述污泥破碎设备设置在所述污泥脱水设备与所述物料混合机之间，其进料口与所述污泥脱水设备的脱水污泥出料口相连，出料口与所述物料混合机的脱水污泥入口相连。在本发明中，所述污泥破碎设备用于对脱水后的污泥进行破碎，去除在脱水过程中形成的较大结块，减小块状体积，从而利于其后续与粉煤灰的充分混合。
在本发明提供的一个实施例中，所述系统还包括废热回收系统，所述废热回收系统用于对所述回转炉和冷却器的外排废热(回转炉在运行过程中会产生高温废气，冷却器根据冷却方式的不同会产生热气或热水)进行回收，进而实现废热能的重复利用，例如将回收的热能作为生球干燥炉、污泥脱水设备等设备的热源，或者进行废热发电。
在本发明提供的一个实施例中，所述系统还包括废气清洁处理设备，所述废气清洁处理设备用于对所述废热回收系统的外排废气进行净化，从而实现废气的达标排放。
在本发明提供的系统中，粉煤灰和城市污泥通过在系统中进行混合、烧结、干燥、煅烧和冷却，最终获得了可用于建材领域的多孔球状轻骨料，实现了粉煤灰和城市污泥的资源化处理。而且，本发明提供的系统中的旋转式烧结炉、生球干燥炉和回转炉均是在一定高温条件下运行的，能够有效燃烧粉煤灰和污泥中含有的碳颗粒，降低制品碳含量，因此该系统对所处理的粉煤灰和城市污泥的烧失量没有严格要求，可用于处理任何烧失量参数的粉煤灰和城市污泥，适用范围更广。此外，在本发明的优选方案中，通过在系统设置废热回收系统，可实现对系统中回转炉和冷却器运行过程中产生的废热进行回收，降低整个系统的运行能耗。
本发明还提供了一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的方法，包括以下步骤：
a)将脱水城市污泥和粉煤灰在物料混合机中进行混合，得到混合料；
b)将所述混合料在旋转式烧结炉中进行烧结，得到生球；
c)将所述生球在生球干燥炉中进行干燥，得到干燥球；
d)将所述干燥球在回转炉中进行煅烧，之后进入冷却器中进行冷却，得到轻骨料。
在本发明提供的方法中，首先将脱水城市污泥和粉煤灰在物料混合机中进行混合。其中，所述脱水城市污泥优选由城市污泥经过脱水和破碎后获得，所述脱水采用的设备优选为上文介绍的污泥脱水设备，所述破碎采用的设备优选为上文介绍的污泥破碎设备，在此不再赘述。在本发明中，所述脱水城市污泥和粉煤灰的干重比优选为(5～35)：(65～95)，具体可为35:65；所述物料混合机在上文中已经介绍，在此不再赘述；所述混合的过程中优选还添加膨润土，以提升后续的烧结效果，所述膨润土的添加量优选不超过脱水城市污泥和粉煤灰合计干重的20wt％，更优选为2～10wt％，具体可为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％。在本发明提供的一个实施例中，以脱水城市污泥干重、粉煤灰干重和膨润土的合计重量为100重量份数计，以干重计的所述脱水城市污泥为20～50重量份，具体可为20重量份、33.6重量份、33.95重量份、34.5重量份、48重量份或48.5重量份；以干重计的所述粉煤灰为45～80重量份，具体可为48重量份、48.5重量份、62.4重量份、63.05重量份、63.5重量份或77重量份；所述膨润土为2～5重量份，具体可为2重量份、3重量份或4重量份。在本发明中，物料混合均匀后，得到混合料，所述混合料的含水率优选为5～25％，有利于充分混合和后续烧结，具体可为5％、10％、15％、20％或25％。
在本发明提供的方法中，得到混合料后，将所述混合料在旋转式烧结炉中进行烧结，其具体过程优选包括：
b1)将所述混合料在第一旋转式烧结炉中进行烧结，得到待涂覆生球；
b2)将所述待涂覆生球在第二旋转式烧结炉中与涂层材料混合并进行烧结，得到包覆有涂层的生球。
在本发明提供的上述烧结过程中，步骤b1)中，所述第一旋转式烧结炉在上文中已经介绍，在此不再赘述；所述烧结的温度优选为600～1100℃，具体可为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃或1100℃；所述烧结的时间优选为1.5～3h，具体可为1.5h、2h、2.5h或3h；烧结过程中所述第一旋转式烧结炉的运行转速优选为15～20rpm，具体可为15rpm、16rpm、17rpm、18rpm、19rpm或20rpm；所述待涂覆生球的直径优选为1/8英寸～3/4英寸，具体可为1/8英寸、1/4英寸、3/8英寸、1/2英寸、5/8英寸或3/4英寸。
在本发明提供的上述烧结过程中，步骤b2)中，所述涂层材料包括但不限于白云石粉、石灰岩粉和水泥粉中的一种或多种，优选包括白云石粉、石灰岩粉和水泥粉，所述白云石粉、石灰岩粉和水泥粉的质量比优选为3:3:4；所述涂层材料与待涂覆生球的干重比优选为(16.6～23)：100，具体可为17:100、17.5:100、18:100、18.5:100、19:100、19.5:100、20:100、20.5:100、21:100、21.5:100、22:100、22.5:100或23:100；所述第二旋转式烧结炉在上文中已经介绍，在此不再赘述；所述烧结的温度优选为600～1100℃，具体可为600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃或1100℃；所述烧结的时间优选为0.5～2h，具体可为0.5h、1h、1.5h或2h；烧结过程中所述第二旋转式烧结炉的运行转速优选为15～20rpm，具体可为15rpm、16rpm、17rpm、18rpm、19rpm或20rpm。
在本发明提供的方法中，得到生球后，将所述生球在生球干燥炉中进行干燥。其中，所述生球干燥炉在上文中已经介绍，在此不再赘述；所述干燥的温度优选为150～200℃，具体可为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃；所述干燥的时间优选为15～60min，具体可为15min、30min、45min或60min。干燥结束后，得到干燥球，所述干燥球的含水率优选为≤5％。
在本发明提供的方法中，得到干燥球后，将所述干燥球在回转炉中进行煅烧。其中，所述回转炉在上文中已经介绍，在此不再赘述；所述煅烧的温度优选为800～1200℃，具体可为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃或1200℃；更具体来说，所述回转炉的进料口温度优选为820～980℃，具体可为823℃、840℃、854℃、858℃、880℃、952℃、976℃或979℃，所述回转炉的中心区域温度优选为950～1050℃，具体可为956℃、967℃、977℃、982℃、995℃、1007℃、1024℃或1034℃；所述煅烧的时间优选为30～60min，具体可为30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min；煅烧过程中所述回转炉的运行转速优选为2～3.9rpm，具体可为2rpm、2.25rpm、2.5rpm、2.75rpm、3rpm、3.25rpm、3.5rpm或3.75rpm。煅烧过程中，干燥球在回转炉内与燃料和空气混合煅烧，发生热解和固化，并产生大量的气体，这些气体穿过球体表面形成孔洞。煅烧结束后，将煅烧产物送入冷却器中进行冷却，所述冷却器在上文中已经介绍，在此不再赘述，冷却结束后，得到的多孔球状材料制品即为本发明制备的轻骨料。
在本发明提供的方法中，优选还利用上述介绍废热回收系统对回转炉和冷却器外排废热进行回收，并将回收的热能作为生球干燥炉、污泥脱水设备的热源。
本发明提供的方法通过对粉煤灰和城市污泥进行混合、烧结、干燥、煅烧和冷却，最终获得了可用于建材领域的多孔球状轻骨料，实现了粉煤灰和城市污泥的资源化处理。而且，由于烧结、干燥和煅烧均是在一定高温条件下进行的，因此能够有效燃烧粉煤灰和污泥中含有的碳颗粒，降低制品碳含量，所以本发明提供的方法对所处理的粉煤灰和城市污泥的烧失量没有严格要求，可用于处理任何烧失量参数的粉煤灰和城市污泥，适用范围更广。此外，在本发明的优选方案中，通过利用废热回收系统，实现了对回转炉和冷却器运行过程中产生的废热进行回收，从而降低了整个生产过程的能量消耗。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
一种如图2所示的轻骨料制备系统，包括：污泥脱水设备、污泥破碎设备、物料混合机、第一旋转式烧结炉、第二旋转式烧结炉、生球干燥炉、回转炉、冷却器、废热回收系统和废气清洁处理设备。
其中，所述污泥脱水设备设置有城市污泥入口和脱水污泥出料口，根据城市污泥的含水量水平，所述污泥脱水设备具体可选择压滤机或干燥机；
所述污泥破碎设备设置有进料口和出料口，所述污泥破碎设备的进料口与所述污泥脱水设备的脱水污泥出料口相连；
所述物料混合机设置有脱水污泥入口、粉煤灰入口、膨润土加料口和混合料出口，所述物料混合机设置的脱水污泥入口与所述污泥破碎设备的出料口相连；
所述第一旋转式烧结炉设置有进料口和生球出口，所述第一旋转式烧结炉的进料口与所述物料混合机的混合料出口相连，所述第一旋转式烧结炉的炉体直径为100cm，深度为16.5mm，炉体倾斜度与水平面的夹角为45°；
所述第二旋转式烧结炉设置有进料口、涂层材料加料口和生球出口，所述第二旋转式烧结炉的进料口与所述第一旋转式烧结炉的生球出口相连，所述第二旋转式烧结炉的炉体直径为100cm，深度为16.5mm，炉体倾斜度与水平面的夹角为45°；
所述生球干燥炉设置有进料口和出料口，所述生球干燥炉的进料口与所述第二旋转式烧结炉的生球出口相连；
所述回转炉设置有进料口、燃料进口、空气进口、出料口和废气出口，所述回转炉的进料口与所述生球干燥炉的出料口相连；所述回转炉的进料口、燃料进口和空气进口位于回转炉炉体的同一端，出料口和废气出口位于与其相对的另一端，从而使干燥后的生球、燃料和空气在回转炉中的进出方向保持一致；所述回转炉的炉体直径为65cm，深度为4m，炉体倾斜度与水平面的夹角为22.5°；
所述冷却器设置有进料口和出料口，所述冷却器的进料口与所述回转炉的出料口相连；所述冷却器的直径为38cm，深度为3.6m。
所述废热回收系统用于对所述回转炉和冷却器的外排废热进行回收，然后将回收的热能作为生球干燥炉、污泥脱水设备的热源，以及进行废热发电；
所述废气清洁处理设备用于对所述废热回收系统的外排废气进行净化，实现废气的达标排放。
实施例2
一种利用粉煤灰和城市污泥制备轻骨料的方法，在实施例1所述的系统中进行，具体工艺过程如下：
将城市污泥在污泥脱水设备中进行脱水，之后脱水污泥在污泥破碎设备中进行破碎，得到脱水污泥破碎料；
将上述脱水污泥破碎料和粉煤灰在物料混合机中进行混合，混合过程中添加一定量的膨润土(PCaS-3-5，南阳宏发膨润土)，物料混合均匀后，得到含水率介于7～14％的混合料；
将上述混合料在第一旋转式烧结炉中进行烧结，得到待涂覆生球；
将上述待涂覆生球在第二旋转式烧结炉中与涂层材料混合并进行烧结，得到包覆有涂层的生球；
将上述生球在生球干燥炉中进行干燥，得到干燥球；
将上述干燥球在回转炉中与空气和天然气混合煅烧，之后进入冷却器中进行冷却，得到多孔球状材料，即轻骨料；
轻骨料制备过程中，废热回收系统对回转炉和冷却器外排废热进行回收，并将回收的热能作为生球干燥炉、污泥脱水设备的热源，以及进行废热发电；所述废热回收系统中的外排废气送入废气清洁处理设备中进行处理，得到满足外排要求的烟气，并最终通过烟囱排出进入大气环境。
在本实施例中，通过调整粉煤灰、污泥和膨润土的比例，以及涂层材料的用量，能够得到一系列不同指标参数的多孔球状材料产品；所述涂层材料为白云石粉(CAS：7000-29-5，上海奥克化学有限公司)、石灰岩粉(PS540，东润化工)和水泥(42.5/42.5R，鑫塔水泥)的混合物，三者的质量比为3:3:4；各原料的具体用量比例和粉煤灰烧失量如表1所示：
表1原料用量比和粉煤灰烧失量
在本实施例中，所述第一旋转式烧结炉的转速为15～20rpm，烧结温度为900～1100℃，烧结时间为1.5～2.5h，得到的生球直径为2/8～1/2英寸；所述第二旋转式烧结炉的转速为15～20rpm，烧结温度为800～1000℃，烧结时间为1h。
在本实施例中，所述生球干燥炉的干燥温度为150～200℃，干燥时间为20～40min，所述干燥球的含水率＜5％。
在本实施例中，所述干燥球在回转炉中的处理时间为30～60min；对应表1的序号，不同原料用量比条件下的回转炉运行参数如表2所示：
表2回转炉运行参数表
对本实施例制备的一系列多孔球状材料产品(轻骨料)按照《ASTM C 31-2002混凝土砌体用轻骨料规格标准》进行湿抗压强度、干抗压强度、容积密度、含水量、干球烧失量、堆积密度和紧装密度的检测，对应表1的序号，不同原料用量比条件下制备的产品的检测结果如表3所示：
表3多孔球状材料产品的检测结果
对本实施例在制备轻骨料过程中的热能消耗情况进行评价，对比了掺加和不掺加污泥条件下的回转炉热能消耗情况，具体如表4所示：
表4不同工艺条件下的回转炉热能消耗
通过表4数据可以看出，每一小时产出同样单位的产品，粉煤灰和污泥混合料作为原料所需要的天然气燃料比100％粉煤灰作为原料所需要的天然气燃料要减少85％。可见，污泥的掺加大大增加了材料在回转窑中的燃烧值，同时也显著减少了对外部燃料的使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
