CN113121139A

CN113121139A - 一种含高掺量污泥的核壳轻集料及其制备方法

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Publication number: CN113121139A
Application number: CN202110478732.1A
Authority: CN
Inventors: 蹇守卫; 雷宇婷; 高文斌; 李相国; 谭洪波; 黄健; 吕阳; 马保国; 杨欣; 高欣; 李宝栋; 成诚; 王威振
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: CN113121139B

Abstract

本发明公开了一种含高掺量污泥的核壳轻集料及其制备方法。该核壳轻集料，包括内核与外壳，内核和外壳的质量比为2:1～3:1；其中：按质量百分数计，内核包括以下组分：85～95％的干化污泥，3～7％的针铁矿，2～8％的类水滑石；外壳包括以下组分：70～85％的淤泥，10～15％的干化污泥，4～10％的光纤微粉，1～5％的钢渣。通过将外壳粉料包覆在内核胚体表面后在转速为2.5～3r/min的回转窑中1120～1200℃下烧结8～12min制备得到。该核壳轻集料的内核原料以污泥为主，污泥掺量高，且具有致密的外壳结构，强度高，吸水率低，制备工艺简单，原料成本低，易应用于实际生产和快速推广。

Description

一种含高掺量污泥的核壳轻集料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种含高掺量污泥的核壳轻集料及其制备方法。

背景技术

随着国家的发展，城市化进程也越来越快，作为城市化生活副产物的污泥产量相应的也越来越大，这些污泥含水率高、强度低，并且往往含有病原菌、重金属和有毒有害难降解有机物等有害成分。对其进行填埋、焚烧等方式极易造成二次污染，如产生对环境极其不友好的二噁英等有害物质，故需对其进行资源化利用。

目前，污泥的资源化利用途径主要有堆肥、制作化工原料、制作建筑材料等。污泥制备轻集料作为资源化利用污泥的途径之一，自Nakouzi S.等提出污泥烧制陶粒技术以来，已经受到了广泛关注。例如，吴清仁等对污泥配料烧制陶粒的配方进行了试验研究，结果表明：用不同污水处理厂的生物污泥代替部分黏土能够烧制出符合国家标准的轻质陶粒，且密度随污泥掺量的增加而增大。万琼等利用40％～60％的给水污泥辅以粉煤灰、黏土和玻璃粉，可制备得到堆积密度为0.7636g·cm^-3，吸水率为23.65％的陶粒轻集料，但所用给水污泥中的SiO₂含量偏低，仅为27.30％，需掺入其他Si含量高的物质以弥补给水污泥中Si含量的不足。曲烈等以75％的城市污泥为原料，配以玻璃粉为辅料，制备出吸水率为9.7％，筒压强度为6.8MPa的陶粒轻集料，但其所用城市污泥的含水率高达85％，其热重损失达到了45％，污泥的实际掺量并不高，污泥实际掺入量为30％～45％。

目前关于利用污泥制备陶粒轻集料的技术虽然已经比较成熟，但是能够成功制备出符合国家标准的轻集料的污泥掺量较低。当污泥掺量过高时，由于污泥含量较大和液相减少，导致其内部气体太多而无法被包裹住，从而气体溢出使得料球表面形成较多裂纹，料球的吸水率也急剧增大。此外，目前对烧结污泥制备轻集料的技术中，鲜有提到对污染物如二噁英等的控制手段；研究表明，焚烧温度保持在850℃以上(最好是900℃以上),使二噁英完全分解，另有炉温1000℃,烟气滞留时间1s条件下，99.99％以上的二噁英能被分解。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种含高掺量污泥的核壳轻集料及其制备方法。该核壳轻集料的内核原料以污泥为主，污泥掺量高，且具有致密的外壳结构，强度高，吸水率低，制备工艺简单，原料成本低，易应用于实际生产和快速推广。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种含高掺量污泥的核壳轻集料，包括内核与外壳，内核和外壳的质量比为2:1～3:1；其中：

按质量百分数计，内核包括以下组分：85％～95％的干化污泥，3％～7％的针铁矿，2％～8％的类水滑石；

按质量百分数计，外壳包括以下组分：70％～85％的淤泥，10％～15％的干化污泥，4％～10％的光纤微粉，1％～5％的钢渣。

按上述方案，所述干化污泥为污泥添加絮凝剂处理至含水率为15％～30％后再烘干至完全脱水得到；所述干化污泥的有机质含量为60％～70％。

按上述方案，所述淤泥的细度为0.074～0.080mm；按质量百分数计，所述淤泥中氧化硅含量为60％～70％，氧化铝含量为10％～20％，氧化钙和氧化镁的总含量为1～10％。

按上述方案，所述光纤微粉为硅酸盐类白色粉末，平均粒径为小于2.5μm；所述针铁矿细度为0.01～0.1mm；所述钢渣的细度为0.01～0.1mm；所述类水滑石利用烟气脱硫废渣制备得到，细度为0.01～0.1mm。

按上述方案，所述含高掺量污泥的核壳轻集料通过在回转窑中1120～1200℃烧结8～12min制备得到，其中回转窑转速为2.5～3r/min。

按上述方案，所述核壳轻集料的筒压强度：6～16MPa，吸水率：6％～13％。

提供一种含高掺量污泥的核壳轻集料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将干化污泥、针铁矿、类水滑石和水混合，然后造粒，得到内核坯体；

(2)将淤泥、干化污泥、光纤微粉、钢渣和水混合，得到外壳粉料；

(3)将步骤(2)所得外壳粉料包覆在步骤(1)所得内核坯体表面，然后在回转窑中烧结，制得含高掺量污泥的核壳轻集料，其中回转窑转速为2.5～3r/min，烧结工艺为1120～1200℃条件下烧结8～12min。

按上述方案，所述步骤(1)中，造粒工艺为：将混合后的干化污泥、针铁矿、类水滑石和水在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下造粒成球。

按上述方案，所述步骤(3)中，回转窑包括预热区和烧成区，在预热区中进行烘干和预热，停留时间为42～68min；在烧成区进行烧结。

按上述方案，所述步骤(3)中，将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面工艺为：将所述外壳粉料在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下包覆在所述内核坯体表面。

按上述方案，所述步骤(1)中，按质量百分比计，水占内核坯体质量的25％～35％；所述步骤(2)中，按质量百分比计，水占外壳粉料质量的30％～40％。

本发明在焙烧核壳轻集料时通过回转窑采用高温快速烧结工艺，烧结温度为1120℃～1200℃，回转窑转速为2.5～3r/min，停留时间约为8～12min。其中，外壳组分中钢渣含有的铁类物质具有高温流化特性，在回转窑的快速转动下使得外壳结构能够均匀的包覆在内核上，填充了其他组分在高温烧结时可能产生的裂纹，形成致密的外壳，相应的烧结时间缩短则在内核组分大量发生反应前阻断了氧气的进入，内部产生的气体量大幅减少，降低了裂纹生成的可能性，从而达到大掺量使用高有机质的污泥制备核壳轻集料而料球却不会出现开裂或熔融的现象。此外，这种高温快速烧结工艺烧制的核壳轻集料由于具有致密的外壳结构，不仅能够将污泥中的有害成分重金属离子等充分固化在材料内部，而且避免了在高温焚烧污泥时产生污染物二噁英，实现了对污染物的控制，有效提高环境安全性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明提供一种含高掺量污泥的核壳轻集料，其中内核以污泥为主，掺量高达85％以上，辅以针铁矿和类水滑石来有助于将污泥中的重金属离子固定在核壳结构内部；外壳以淤泥为主并加入烧结助剂光纤微粉、钢渣和污泥，结构致密对内核包覆性好，能够将污泥中的有害成分重金属离子等充分固化在材料内部；该核壳轻集料污泥掺量高，强度大，吸水率低，符合GB17431.1-2010核壳轻集料及其试验方法标准，实现了对污泥的大规模利用。

2.本发明提供一种核壳轻集料的制备方法，在回转窑中高转速高温烧结；在内核原料中加入针铁矿和类水滑石有助于将污泥中的重金属离子固定在核壳结构内部，避免在高温烧结过程中产生二次污染；在外壳原料中加入的钢渣含有较大数量的铁，能够在高温下生成尖晶石，有助于将污泥在高温烧结时释放出的有害物质和重金属离子等固化在料球内部，而加入污泥和烧结助剂光纤微粉在高温下能够形成液相熔融态物质，有助于料球的外壳形成特定玻璃相，更好的包覆住内核，这种微晶质结构使得所制集料在大掺量污泥、高温快速烧结条件下满足轻质高强的性能要求；制备工艺简单，原料成本低，易应用于实际生产和快速推广。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

以下实施例中所用原料指标如下：

干化污泥为来自自来水厂的污泥经过添加絮凝剂处理至含水率为15％～30％后再烘干至完全脱水得到，干化污泥的有机质含量为65％，未加絮凝剂处理前的含水率为80～95％；可在内核形成过程中提供骨架支撑作用，并提供良好的孔隙结构，以控制内部营养成分的释放。

淤泥来自冶金厂搬迁后原厂所在地的地表土壤，其细度为0.074～0.080mm，且按质量百分数计，淤泥中氧化硅含量为64％，氧化铝含量为14％，氧化钙含量为2％、氧化镁含量为1％；主要用于形成具有一定强度的外壳，并延缓内核所含物质向外扩散的速度。

光纤微粉为废弃玻璃质光纤磨细得到的硅酸盐白色粉末，平均粒径小于2.5μm；其可提高用于形成外壳的材料在高温烧结时的粘度，防止由内核和外壳形成核壳结构时发生破裂或变形。

类水滑石为利用烟气脱硫废渣制备得到的，细度为0.01～0.1mm。

针铁矿为市售针铁矿，细度为0.01～0.1mm。

钢渣为市售钢渣，细度为0.01～0.1mm。

实施例1

提供一种含高掺量污泥的核壳轻集料，包括内核和外壳；内核和外壳的质量比为2:1；

按质量百分数计，内核包括以下组分：85％的干化污泥，7％的针铁矿，8％的类水滑石。

按质量百分数计，外壳包括以下组分：75％的淤泥，10％的干化污泥，10％的光纤微粉，5％的钢渣。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(1)按照上述原料比例，将干化污泥与针铁矿、类水滑石和水搅拌，以混合均匀，然后通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体，其中掺入水量为内核坯体总质量的27％；

(2)按照上述原料比例，将淤泥、干化污泥、光纤微粉、钢渣和水混合均匀，得到外壳粉料，其中掺入水量为外壳粉料总质量的32％；

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为2.7r/min的回转窑中，在预热区段停留约50min进行干燥预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1120～1180℃烧结10min，结束后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为8.53MPa，吸水率为12.15％。

实施例2

按质量百分数计，内核包括以下组分：90％的干化污泥，6％的针铁矿，4％的类水滑石。

按质量百分数计，外壳包括以下组分：75％的淤泥，12％的干化污泥，8％的光纤微粉，5％的钢渣。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(1)按照上述原料比例，将干化污泥与针铁矿、类水滑石和水搅拌，以混合均匀，然后通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体，其中掺入水量为内核坯体总质量的32％；

(2)按照上述原料比例，将淤泥、干化污泥、光纤微粉、钢渣和水混合均匀，得到外壳粉料，其中掺入水量为外壳坯体总质量的35％；

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为2.7r/min的回转窑中，在预热区段停留约50min进行干燥预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1120～1140℃烧结10min后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为9.13MPa，吸水率为10.63％。

实施例3

按质量百分数计，内核包括以下组分：88％的干化污泥，6％的针铁矿，4％的类水滑石。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(1)按照上述原料比例，将干化污泥与针铁矿、类水滑石和水搅拌，以混合均匀，然后通过成球机造粒成球，造粒过程中，成球机转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°，得到内核坯体，其中掺入水量为内核坯体总质量的28％；

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为2.8r/min的回转窑中，在预热区段停留约49min进行预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1130～1150℃烧结9min后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为13.56MPa，吸水率为8.32％。

实施例4

按质量百分数计，内核包括以下组分：90％的干化污泥，4％的针铁矿，6％的类水滑石。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为2.7r/min的回转窑中，在预热区段停留约50min进行预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1140～1160℃烧结10min后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为10.21MPa，吸水率为9.17％。

实施例5

按质量百分数计，内核包括以下组分：90％的干化污泥，5％的针铁矿，5％的类水滑石。

按质量百分数计，外壳包括以下组分：75％的淤泥，11％的干化污泥，10％的光纤微粉，4％的钢渣。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为2.9r/min的回转窑中，在预热区段停留约48min进行预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1180～1200℃烧结8min后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为14.43MPa，吸水率为7.93％。

实施例6

按质量百分数计，外壳包括以下组分：75％的淤泥，12％的干化污泥，10％的光纤微粉，3％的钢渣。

制备上述核壳轻集料的方法，其具体包括以下步骤：

(3)采用成球机在转速为35r/min，圆盘旋转倾角为45°的条件下将外壳粉料包覆在内核坯体表面，然后将料球送入转速为3r/min的回转窑中，在预热区段停留约46min进行预热后，再在烧成区中进行烧结，烧结工艺为1180～1200℃烧结8min后冷却至室温，制得核壳轻集料。

对本实施例的核壳轻集料的性能进行测试。

经测试可知，本实施例的核壳轻集料的筒压强度为15.21MPa，吸水率为6.41％。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但本发明并不局限于本文所述出的实施例方案，不应作为筛除其他实施例后的结果，而可用于其他条件下的组合实施，并能够在本发明的构想范围内根据相关领域的技术或知识作出改动。本领域研究人员对本发明作出的改动都应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims

1.一种含高掺量污泥的核壳轻集料，其特征在于，包括内核与外壳，内核和外壳的质量比为2:1～3:1；其中：

2.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述干化污泥为污泥添加絮凝剂处理至含水率为15％～30％后再烘干至完全脱水得到；所述干化污泥的有机质含量为60％～70％。

3.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述淤泥的细度为0.074～0.080mm；按质量百分数计，所述淤泥中氧化硅含量为60％～70％，氧化铝含量为10％～20％，氧化钙和氧化镁的总含量为1～10％。

4.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述光纤微粉为硅酸盐类白色粉末，平均粒径小于2.5μm；所述针铁矿细度为0.01～0.1mm；所述钢渣的细度为0.01～0.1mm；所述类水滑石利用烟气脱硫废渣制备得到，细度为0.01～0.1mm。

5.根据权利要求1所述的核壳轻集料，其特征在于，所述含高掺量污泥的核壳轻集料通过在回转窑中1120～1200℃烧结8～12min制备得到，其中回转窑转速为2.5～3r/min。

6.一种权利要求1-5任一项所述的含高掺量污泥的核壳轻集料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)将步骤(2)所得外壳粉料包覆在步骤(1)所得内核坯体表面，然后在回转窑中烧结，制得含高掺量污泥的核壳轻集料，其中回转窑转速为2.5～3r/min，烧结工艺为1120～1200℃下烧结8～12min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，造粒工艺为：将混合后的干化污泥、针铁矿、类水滑石和水在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下造粒成球。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，回转窑包括预热区和烧成区，在所述预热区中进行烘干和预热，停留时间为42～68min；在所述烧成区进行烧结。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将所述外壳粉料包覆在所述内核坯体表面工艺为：将所述外壳粉料在转速为30～40r/min，旋转倾角为45°～60°的条件下包覆在所述内核坯体表面。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，按质量百分比计，水占内核坯体质量的25％～35％；所述步骤(2)中，按质量百分比计，水占外壳粉料质量的30％～40％。