申請日2015.07.10

　　公開(公告)日2015.11.04

　　IPC分類號C04B33/132; C04B33/138; C04B33/32; C04B33/18; C04B33/13

　　摘要

　　本發明屬于建筑材料類，提供一種利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法。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：干化污泥40%-45%，高堿鈣質頁巖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℃環境中烘干，經預熱，升溫，燒結后緩慢降溫即可。本發明的優點：具有較好的固廢利用效果;具有很好的節能效果;具有較高的減排效果。綜上所述從而實現了良好的經濟效果。

　　權利要求書

　　1.利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法，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：干化污泥40%-45%，高堿鈣質頁巖 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℃環境中烘干，經預熱，升溫，燒結后緩慢降溫即可。

　　2.根據權利要求1所述的利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法，其特征在于所述的干化污 泥為由水廠污泥經脫水、烘干獲得的含水率不高于10%，經球磨至粒徑為0.015-0.03mm的污 泥;所述的高堿鈣質頁巖的粒度要求為≤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.根據權利要求1所述的利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法，其特征在于預熱是以2-3 ℃/min的速度升溫至預熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內恒溫15min-20min后，升溫是 再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內恒溫保持15min-20min，燒結是 以4-8℃/min的溫度升溫至1000℃-1050℃，在該溫度范圍內燒結30-40min。

　　說明書

　　利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法

　　技術領域

　　本發明屬于建筑材料類，提供一種利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法。

　　背景技術

　　近年來，隨著我國經濟建設和社會的大力發展，帶動了我國建筑行業的大力發展，但在這急速發展的過程中，逐漸暴露了較多問題：如我國建筑行業資源消耗量大，資源循環利用率低，建筑能耗在全社會總能耗中所占的比例逐漸升高，并且預計到2020年將達到全社會總能耗的三分之一以上。面對這一系列越來越嚴峻的問題，如何降低建筑能耗，實現建筑行業向綠色、節能方向發展，成為未來建筑行業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、高強和保溫性能良好在近幾年得到了極大的關注，并且也得到了前所未有的發展機遇。在輕骨料原料體系當中，陶粒作為輕骨料的主要原料種類，能否大面積的開發生產應用就成為了輕骨料混凝土能否大面積推廣應用的關鍵。

　　另一方面，隨著我國這些年大面積的城鎮化建設，城市污水處理廠的數量也越來越多，并且隨著人民生活水平的提高和大眾對環境保護的意識加強，我國城鎮污水處理量逐年增加，但伴隨而來的問題就是污水處理所帶來的殘留物污泥也會越來越多。據估算，目前我國城市污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為3000多萬噸，預測到2020年我國污泥排放量將突破6000萬噸。如何妥善處理處置如此大量的污泥、化害為利、變廢為寶、保護環境、實現污泥的資源化利用，已成為我們當前急需解決的問題。

　　如何合理有效的利用污泥已成為十分嚴峻的問題。在已有的文獻中，對利用污泥制備建筑材料已經有了一定的研究報道，其中有一定量的關于污泥制備燒結陶粒，分析這些文獻，主要包括以下內容：

　　1.關于陶粒燒脹的實現途徑。在現有的研究當中，常用途徑是通過提高燒結溫度和燒結保溫時間，或在一定的條件下摻入一定量的燒脹劑來實現。但隨著燒結溫度和燒結保溫時間的延長，會破壞原有陶粒內部良好的微孔，燒結溫度越高，陶粒越致密，吸水率越低，密度越大，從而影響到陶粒混凝土的輕質、保溫性能。且隨著燒結溫度和燒結時間的增長，其所消耗的能源也越多，不符合現階段國家節能減排的總體要求。

　　2.關于污泥制備陶粒的環境評估：在現有的關于污泥資源化利用的研究報道中，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化、燒結溫度制度的選擇和燒結試樣的性能探討這幾個方面。而隨著國家和社會對環境保護的重視，利用污泥燒結陶粒對環境的 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鍵技術瓶頸，而大大限制了污泥制備陶粒等技術的應用，如污泥陶粒燒制過程中產生的二噁英、硫氧化物等污染氣體的控制，理應對其進行更加深入的探究并嚴格控制。

　　發明內容

　　本發明的目的在于實現一種利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法，解決了如何大摻量利用污泥，能在低溫條件下燒結且環境污染小的陶粒制備方法。

　　本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是，利用污泥低溫燒結制備陶粒的方法，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：干化污泥40%-45%，高堿鈣質頁巖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℃環境中烘干，經預熱，升溫，燒結后緩慢降溫即可。

　　按上述方案，所述的干化污泥為由水廠污泥經脫水、烘干獲得的含水率不高于10%，經球磨至粒徑為0.015-0.03mm的污泥;所述的高堿鈣質頁巖的粒度要求為≤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，預熱是以2-3℃/min的速度升溫至預熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內恒溫15min-20min后，升溫是再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內恒溫保持15min-20min，燒結是以4-8℃/min的溫度升溫至1000℃-1050℃，在該溫度范圍內燒結30-40min。

　　采用上述原材料和方法制備性能良好的陶粒的技術原理主要如下：

　　1.關于陶粒的原料要求：首先，陶粒的生料球對陶粒的燒成質量有較大的影響，要求其具有一定的強度和不變形的能力，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中粘土礦物的含量，但污泥本身具有較多的有機質雜質，經干化粉磨過后，有機質雜質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，因而在原料當中加入頁巖即是為提供粘土類礦物，有利于胚料早期成型和燒結所需塑性需求，在這過程中需嚴格控制好倆者的摻入比例。其次污泥由于其成分比較不穩定，且里面有機雜質含量較多。不能穩定提供燒結陶粒所需一定量的化學成分SiO2和Al2O3，而SiO2和Al2O3可在950℃-1050℃可形成熔融礦物，這是陶粒形成強度和結構的主要物質基礎，這兩種化學成分的缺失會造成燒結出的陶粒達不到標準要求。因而在本發明中，引入了比例較高的高堿鈣質 頁巖，其中含有較高的SiO2、Al2O3和鈣氧化物含量。經研究表明，增加SiO2的含量會讓陶粒表面形成具有瓷釉光澤的玻璃質，且不易發生過火現象，還能避免陶粒燒制中出現團結，增加適量的Al2O3還能提高陶粒強度。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，起到降低燒結溫度的效果。但堿性物質的引入也會有一定的負面效果，燒結后試樣較易出現泛堿和石灰爆裂現象。因而本發明中通過降低原料粒度的方法來調控石灰爆裂的可能性，且通過增加一定量的助熔劑來實現較多液相的生成，從而可以一定程度上抑制泛堿的發生。再次，本發明原料體系中引入了一定摻量的鋇渣，由于污泥燒結陶粒會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，另一方面還能實現鋇渣固體廢棄物的無害化處理。除此之外，在本發明的原料體系中，加入一定量的磷酸二氫鋁主要是作為高溫粘結劑，在原料胚料加工成型過程中，主要是靠粘土類礦物-水相互作用提供粘結性，但隨著溫度的升高，原料體系中的自由水隨之蒸發，從而造成成型后的原料粘結性能降低，磷酸二氫鋁其在200℃-600℃溫度范圍內會內部發生縮水聚合反應，生成大分子聚合物，從而提高了燒結過程中的物料粘結性能，并且還能在一定程度上能夠保存住胚料內部產生的水蒸氣和其他氣體，為后期陶粒燒脹提供結構基礎，同時防止原料胚料開裂而造成陶粒質量的損傷。最后，原料當中還加入了一定量的硼砂，硼砂作為助熔劑加入可以擴大陶粒的燒結溫度范圍，同時增加燒結產生的液相量，在一定程度上起到降低燒結溫度和防止泛霜的作用。

　　2.關于二噁英等污染氣體的排放，是利用污泥制備陶粒的關鍵技術瓶頸。本發明中給出以下措施對其進行處理：二噁英作為污泥處理主要研究的污染氣體，其主要來源為污泥中的含氯物質在燒結溫度低于800℃的情況下不完全燃燒生成，因而在原料體系引入的頁巖種類為高堿鈣質頁巖，其引入的堿性物質能夠減少Cl-的溢出，從而消除了二噁英的生成的一部分物質來源;其次是本發明中燒結方式雖為低溫燒結，但燒結溫度仍達到1000℃-1050℃，遠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頁巖經粉磨后細度較低，從而比表面積越大，越容易使內部物料燒結充分，降低了不完全燒結情況的產生;最后污泥經過干化處理且其中燒失量較高，可以被認定是內燃料加入到燒結陶粒中，而坯體物料在一定溫度下能夠生成一定量的液相對生成氣體進行包裹，從而減少了一定量的污染氣體排放量。

　　3.關于陶粒燒脹要求：陶粒燒脹主要具有兩點要求，其一是原料加熱到高溫后必須生成一定黏性的玻璃相，能夠將內部氣體密封，其二是高溫下物料體系當中必須有氣體生成，坯體內部原料發生反應生成氣體產生壓力，而生料球表面生成黏性液相包裹住內部氣體，兩者 共同作用從而生成燒脹陶粒。在本發明的原料體系當中，黏性玻璃相主要取決于SiO2和Al2O3，而引入的高堿鈣質頁巖其主要成分則是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，其中的堿性氧化物還能起到助熔的作用。其次在本發明中，加入了一定硼砂，硼砂的作用在于可以在一定程度上擴大燒結范圍而降低熔點，由于陶粒燒結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，降低了熔點后即可在較低的燒結溫度下，形成黏度更高的熔融液相。在此之外，陶粒要求配料內部產生氣體形成氣壓，內部氣體形成來源于三個方面：其一為水分的蒸發;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雜質，會在500℃左右會受熱分解產生CO2;并且各種原料都會引入了一定量的碳，在溫度400℃-800℃范圍內，根據反應條件也會生成一定量的CO或CO2氣體;在850℃-900℃，原料體系中由干化污泥或者高堿鈣質頁巖引入的碳酸鈣鹽會發生分解反應生成CO2氣體;除此之外，干化污泥中都含有較多的Fe2O3，其在1000℃-1300℃溫度范圍內會發生分解與還原反應從而生成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，坯體內部就能生出足夠的氣體使其陶粒燒脹。

　　4.關于燒結制度的要求：本發明要求，以2-3℃/min的速度升溫至預熱溫度200℃±20℃，在該溫度范圍內恒溫15min-20min，這是由于原料體系中還含有一定量的結合水，在該溫度內保溫是防止溫度升溫太快，結合水蒸發太快影響早期胚料粘結性，而在胚料上造成裂縫。再以3-5℃/min的速度升溫至500℃-550℃，在該溫度范圍內恒溫保持15min-20min，是由于本發明原理中含有大量的干化污泥，而干化污泥中又有超過40%的物質為有機物雜質，其在這一溫度范圍內會大量分解產生氣體，升溫速度太快會造成內部氣壓瞬間壓力過大溢出產生裂縫，影響陶粒質量。最后以4-8℃/min的溫度升溫至1000-1050℃，在該溫度范圍內燒結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寬了燒結溫度，若在較高溫度下，內部氣體氣壓較大而玻璃液相黏度較低從而阻力較低，容易造成內部膨脹氣體溢出;若燒結時間過長，則內部微孔將破壞形成宏孔，再考慮到燒結能源的消耗，因而確定了這燒結溫度制度。

　　采用上述原材料和方法制備的陶粒，具有良好的技術經濟效果：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，可以作為內燃料加入到燒結試樣中，而根據燒結方面的經驗，1kg的內燃料可以等同于3kg外燃料的使用效果，節省了一定量燒結所需的燃料，且本次燒結采 用低溫燒結方式，因而在燒結過程中具有很好的節能效果;再次，燒結過程中采取了一系列措施降低了燒結過程中污染氣體的排放量，具有較高的減排效果。綜上所述從而實現了良好的經濟效果。