CN103833330A

CN103833330A - 一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法

Info

Publication number: CN103833330A
Application number: CN201410045518.7A
Authority: CN
Inventors: 张作泰; 胡勇; 陈玉清
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-02-08
Filing date: 2014-02-08
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-02-08
Also published as: CN103833330B

Abstract

本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，所述方法包括如下步骤：配料、球磨、出浆与干燥、造粒、陈腐、成型、干燥、烧结，通过选择合适的配料用量比、除铁工艺及各步骤的处理工艺参数，制得了符合国家标准的瓷质砖，可广泛应用于建筑、装修装饰领域，通过粉煤灰的使用而节省了大量的天然粘土原料，实现了高铝粉煤灰的综合利用，提高了其附加值，具有良好的社会、经济和环境效益，具有巨大的工业化应用前景和经济价值。

Description

一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法

技术领域

本发明涉及一种煤炭燃烧残留物的废物利用方法，更具体而言，本发明涉及一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，属于固体废弃物的再加工利用和陶瓷生产领域。

背景技术

粉煤灰是燃煤电厂生产过程中产生的一种固体废弃物，其产量约占燃煤总量的5-20%，因此其产生量巨大。

目前，世界上粉煤灰年排放量约5亿吨，而我国由于长期以来煤炭一直都是能源来源的最主要构成部分，因此每年都产生数量巨大的粉煤灰，目前我国粉煤灰堆放量在15亿吨以上,储灰场占用土地4万多公顷。

长期以来，粉煤灰的综合利用都是环境保护领域的一个重要课题，到现在为止，粉煤灰已经被广泛应用于建材、建工、筑路等领域，但高附加值的利用尚未大规模推广。

由于不同的产煤区域中，构成煤炭的无机矿物和含量高低均有所不同，从而导致了燃烧所产生的粉煤灰在组分构成上也有所不同。其中，我国山西省北部、陕西省及内蒙古自治区等地的粉煤灰中的CaO含量偏低，属于低钙灰，依质量百分含量计，主要由SiO₂(40-60%)、Al₂O₃(30-50%)、Fe₂O₃(2-10%)、CaO(1-10%)和未燃的炭(1-2.6%)组成，此外还有少量的MgO、Na₂O、K₂O、SO₃以及砷、铜、锌等微量元素，其中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO这四者之和占90%以上，属于高铝粉煤灰，这些地区的高铝粉煤灰年产生量超过5000万吨。但与巨大产量相对应的尴尬事实是这些地区的高铝粉煤灰的综合利用率小于30%，且主要是在附加值很低的蒸压砖和砌块等方面，进而导致资源再利用水平不高、经济效益较差。

正是由于高附加值处理手段的匮乏和再利用程度的低下，导致高铝粉煤灰主要以堆存为主，这不仅严重污染了环境，也耗费了大量的土地资源，已经成为这些地区不得不面临并亟需解决的主要问题和难题之一。

对此，众多的科研工作者和生产厂家进行了积极的研究，并开发出了多种使用粉煤灰来制备各种烧结砖或陶瓷制品的方法。

CN1260336A公开了一种高掺量粉煤灰烧结砖的生产工艺，所述工艺是将粉煤灰和粘土经过陈化、成型、干燥后焙烧，从而得到烧结砖。

CN1065650A公开了一种黄土红土质粉煤灰墙地砖的配方，所述配方由粉煤灰、黄土或红土或两者混合物、矿化剂三者以重量比15-80:20-85:0-10组成。

CN1070177A公开了一种用粉煤灰制造陶瓷饰面砖的方法，所述方法主要包括备料、成型和烧结三大步骤，在备料和成型步骤中使用粉煤灰、黄泥粘土和焦宝石为原料，其粉煤灰的含量为30-67%。

CN1410386A公开了一种高掺量粉煤灰瓷质砖及其制备方法，所述瓷质砖由质量百分比为60-70%的粉煤灰、25-40%的超细高岭土和01-0%的长石组成，所述制备方法包括原料预处理、原料配方、配料及制浆、烘干浆料、研磨、掺水造粒、陈腐、压坯、烘坯、烧结、冷却。

CN102701716A公开了一种粉煤灰质陶瓷砖及其制备方法，所述粉煤灰质陶瓷砖由如下质量分数的原料制备而成：4%透辉石、27%莱阳土、23%蒙阴长石、24%莱芜长石、7%生焦、8%高密瓷石和7%水煤浆炉灰。

CN101164962A公开了一种陶瓷墙地砖，所述陶瓷墙地砖由如下百分含量的原料制成：30-40%煤矸石、2-8%粉煤灰、1-3%废玻璃丝、50-58%绿豆岩、2-6%白泥。

如上所述，虽然已经存在使用粉煤灰来制备陶瓷制品的现有技术，但这些技术因种种原因，如处理复杂、强度过低、吸水率过高等诸多缺点而难以推广应用。与此相应，我国长期以来一直都是陶瓷生产和销售大国，市场容量巨大：自1992年起，建筑卫生陶瓷的产量就雄居世界首位，而日用陶瓷和工艺美术陶瓷的产量则连续30年位居世界第一。据估算，2010年中国陶瓷墙地砖产量约为80亿平方米，约占世界60%以上，同年还生产了约1.5亿件卫生陶瓷和约200亿件日用和工艺陶瓷。

同时，随着中国城镇化的进行，各类陶瓷产品特别是建筑卫生陶瓷的需求必将继续增加，陶瓷工业也将继续快速发展。

与巨大的陶瓷产量相对比，我国生产陶瓷墙地砖的粘土等天然矿产资源日趋紧张，同时对于粘土的开采、挖掘、运输等都造成了一定的环境压力和破坏。

因此，找到一种可以替代天然粘土的原料对于目前日趋紧张的原料供应具有重要的现实意义和重大的经济价值，尤其是如何以粉煤灰为原料来制备高品质陶瓷，对于消化粉煤灰、实现废物利用、保护环境、提高附加值等方面具有重要意义，不但符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中将综合治污与废弃物循环利用作为优先主题的需要，同时也符合国家“十二五”中“大力发展废弃物资源化利用将成为从根本上解决废弃物产生量巨大、环境污染严重的重要途径”的客观要求，更是加快构建资源节约型、环境友好型社会的迫切需要，而所有的这些，都也正是本发明得以完成的动力所在和基础所倚。

发明内容

针对如上所述的我国粉煤灰的严峻现实和现有技术中的存在的诸多缺陷，本发明人经过大量的深入研究，在付出了充分的创造性劳动后，开发了一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，从而完成了本发明。

具体而言，本发明提供了一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，所述方法包括如下步骤：

A、配料；B、球磨；C、出浆与干燥；D、造粒；E、陈腐；F、成型；G、干燥；H、烧结。

进一步具体而言，本发明提供了一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，所述方法包括如下步骤：

A、配料

称取原料高铝粉煤灰、粘土、长石和石英，混合均匀，得到配料：

B、球磨

将配料装入球磨机中，并加入水和电解质进行球磨；

C、出浆与干燥

将球磨结束的浆液进行出浆，料浆除铁、干燥；

D、造粒

将步骤C干燥后的物料进行研磨，混合造粒，过筛；

E、陈腐

封装陈腐；

F、成型

采用干压成型；

G、干燥

将成型制品进行干燥；

H、烧结

将干燥后的成型制品进行烧结，得到最终产品瓷质砖。

更具体而言，本发明提供了一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，所述方法包括如下步骤：

A、配料

称取如下质量百分含量的原料，混合均匀，得到配料：

B、球磨

将配料装入球磨机中，并加入水和电解质进行球磨，其中配料、球磨机研磨钵和水的质量比为1:1-2:1.5-3，所加入电解质的质量为配料质量的0.1-0.3%；球磨时间为10-20小时，万孔筛余为0.5-0.8%；

C、出浆与干燥

将球磨结束的浆液进行出浆，料浆除铁，并在80-140℃下干燥，直至其中的水分质量含量为4-6%；

D、造粒

将步骤C干燥后的物料进行研磨，过1-3次100目筛；

E、陈腐

封装陈腐15-30小时；

F、成型

采用干压成型，压力为15-25MPa，保压25-35秒；

G、干燥

将成型制品在90-120℃下干燥3-5小时，得到干坯；

H、烧结

将干坯在1100-1300℃烧结40-100分钟，得到最终产品瓷质砖。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤A中高铝粉煤灰中的氧化铝质量百分含量为30-50%，例如可为30%、35%、40%、45%或50%。例如可为来自山西朔州化学组成如下表1所示的高铝粉煤灰：

表1.粉煤灰、粘土、长石和石英的化学组成

其中：LOI为烧失量，“-”表示不含有。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤A中配料中高铝粉煤灰的的质量百分含量为30-75%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为30%、40%、50%、60%、70%或75%，最优选为64-68%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤A中配料中粘土的质量百分含量为15-50%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%或50%，最优选为16-20%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤A中配料中长石的质量百分含量为5-15%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为5%、10%或15%，最优选为8-13%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤A中配料中石英的质量百分含量为5-20%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为5%、10%、15%或20%，最优选为5-12%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤B中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:1-2:1.5-3，其中球磨机研磨球的“1-2”可为1、1.5或2，水的“1.5-3”可为1、1.5、2、2.5或3。这三者的质量比可在上述范围内进行任意组合。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤B中的电解质为无水碳酸钠，其加入量为配料质量的0.1-0.3%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为0.1%、0.15%、0.2%、0.25%或0.3%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤B中的球磨时间为10-20小时，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为10小时、15小时或20小时。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤B中球磨后的万孔筛余为0.5-0.8%，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如可为0.5%、0.6%、0.7%或0.8%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤C中的料浆除铁的具体方法为用电磁粉料除铁机，磁场强度10000-30000高斯，例如可为10000高斯、20000高斯或30000高斯。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤C中除铁后物料在80-140℃下干燥，干燥温度例如可为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃或140℃，直至其中的水分质量含量为4-6%，例如为4%、5%或6%。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤E中封装陈腐15-30小时，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如15小时、20小时、25小时或30小时。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤F中干压成型的压力为15-25MPa，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如为15MPa、20MPa或25MPa；保压25-35秒，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如为25秒、30秒或35秒。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤G中干燥温度为90-120℃，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如90℃、100℃、110℃或120℃；干燥时间为3-5小时，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如为3小时、4小时或5小时。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤H中干燥后的成型制品的烧结温度为1100-1300℃，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃或1300℃，最优选为1190-1220℃。

在本发明的用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法中，步骤H中干燥后的成型制品的烧结时间为40-100分钟，该范围包括了其中的任何具体范围和具体点值，例如为40分钟、60分钟、80分钟或100分钟。

在本发明中，通过使用上述原料和工艺参数的优化组合，可得到具有优良性能的陶瓷制品。其中，在所述方法中，经过上述原料的选择和工艺参数的组合，所得到的干坯强度大于1MPa，瓷质砖的吸水率小于0.5%、显气孔率小于0.5%，烧成收缩率10-14%，白度为25-40，烧成强度大于35MPa，其各个性能指标参数完全满足陶瓷砖国家标准(GB/T4100-2006)的各项指标规定。

本发明的方法具有如下的优点和特点：

1.实现了高铝粉煤灰的高附加值、高效综合利用，可产生巨大的经济效益和社会价值；

2.减少了固体废弃物总量，保护了环境，从而促进了经济、环境的和谐发展，实现了由资源型社会向循环经济的跨越。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

A、配料：称取如下质量百分含量的上表1中原料：64%高铝粉煤灰、20%粘土、8%长石、8%石英，然后混合均匀，得到配料；

B、球磨：将配料装入球磨机中，并加入水和无水碳酸钠进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:1:1.5，所加入无水碳酸钠的质量为配料质量的0.1%；球磨时间为10小时，万孔筛余为0.5%；

C、出浆与干燥：将球磨结束的浆液进行出浆，将料浆使用电磁粉料除铁机进行除铁，磁场强度10000高斯，然后在80℃下干燥，直至其中的水分质量含量为4%；

D、造粒：将步骤C干燥后的物料进行研磨、混合造粒，过2次100目筛；

E、陈腐：封装陈腐15小时；

F、成型：采用干压成型，压力为15MPa，保压25秒；

G、干燥：将成型制品在90℃下干燥5小时，得到干坯；

H、烧结：将干坯在1190℃烧结100分钟，得到最终产品瓷质砖，将其命名为TC1。

实施例2

A、配料：称取如下质量百分含量的上表1中原料：68%高铝粉煤灰、16%粘土、10%长石、6%石英，然后混合均匀，得到配料：

B、球磨：将配料装入球磨机中，并加入水和无水碳酸钠进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:1.5:2.5，所加入无水碳酸钠的质量为配料质量的0.2%；球磨时间为15小时，万孔筛余为0.7%；

C、出浆与干燥：将球磨结束的浆液进行出浆，将料浆使用电磁粉料除铁机进行除铁，磁场强度20000高斯，然后在100℃下干燥，直至其中的水分质量含量为5%；

D、造粒：将步骤C干燥后的物料进行研磨、混合造粒，过3次100目筛；

E、陈腐：封装陈腐20小时；

F、成型：采用干压成型，压力为20MPa，保压30秒；

G、干燥：将成型制品在110℃下干燥4小时，得到干坯；

H、烧结：将干坯在1220℃烧结60分钟，得到最终产品瓷质砖，将其命名为TC2。

实施例3

A、配料：称取如下质量百分含量的上表1中原料：66%高铝粉煤灰、18%粘土、11%长石、5%石英，然后混合均匀，得到配料：

B、球磨：将配料装入球磨机中，并加入水和无水碳酸钠进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:2:3，所加入无水碳酸钠的质量为配料质量的0.3%；球磨时间为20小时，万孔筛余为0.8%；

C、出浆与干燥：将球磨结束的浆液进行出浆，将料浆使用电磁粉料除铁机进行除铁，磁场强度30000高斯，然后在110℃下干燥，直至其中的水分质量含量为6%；

D、造粒：将步骤C干燥后的物料进行研磨，过2次100目筛；

E、陈腐：封装陈腐30小时；

F、成型：采用干压成型，压力为25MPa，保压35秒；

G、干燥：将成型制品在120℃下干燥3小时，得到干坯；

H、烧结：将干坯在1200℃烧结50分钟，得到最终产品瓷质砖，命名为TC3。

实施例4

A、配料：称取如下质量百分含量的上表1中原料：64%高铝粉煤灰、16%粘土、13%长石、7%石英，然后混合均匀，得到配料：

B、球磨：将配料装入球磨机中，并加入水和无水碳酸钠进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:2:1.5，所加入无水碳酸钠的质量为配料质量的0.1%；球磨时间为10小时，万孔筛余为0.7%；

C、出浆与干燥：将球磨结束的浆液进行出浆，将料浆使用电磁粉料除铁机进行除铁，磁场强度15000高斯，然后在120℃下干燥，直至其中的水分质量含量为4%；

D、造粒：将步骤C干燥后的物料进行研磨，过3次100目筛；

E、陈腐：封装陈腐25小时；

F、成型：采用干压成型，压力为15MPa，保压25秒；

G、干燥：将成型制品在110℃下干燥4小时，得到干坯；

H、烧结：将干坯在1210℃烧结70分钟，得到最终产品瓷质砖，命名为TC4。

实施例5

A、配料：称取如下质量百分含量的上表1中原料：65%高铝粉煤灰、20%粘土、6%长石、9%石英，然后混合均匀，得到配料：

B、球磨：将配料装入球磨机中，并加入水和无水碳酸钠进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:1:3，所加入无水碳酸钠的质量为配料质量的0.3%；球磨时间为18小时，万孔筛余为0.8%；

C、出浆与干燥：将球磨结束的浆液进行出浆，将料浆使用电磁粉料除铁机进行除铁，磁场强度25000高斯，然后在140℃下干燥，直至其中的水分质量含量为5%；

D、造粒：将步骤C干燥后的物料进行研磨，混合造粒，过2次100目筛；

E、陈腐：封装陈腐18小时；

F、成型：采用干压成型，压力为22MPa，保压30秒；

G、干燥：将成型制品在110℃下干燥4小时，得到干坯；

H、烧结：将干坯在1220℃烧结90分钟，得到最终产品瓷质砖，命名为TC5。

实施例6-8

除将配料中各组分的质量百分含量替换如下表2所示含量时，分别以与如下对应实施例相同的方式实施了实施例6-8，分别得到瓷质砖TC6、TC7和TC8：

表2.实施例6-8的对应关系及配料组分质量百分含量

而当高铝粉煤灰的质量百分含量低于64%时，此时需要相应增大其余三种物质的含量，这一方面降低了高铝粉煤灰的使用量，无助于解决巨量粉煤灰的合理利用难题，另一方面增大了其它更高价值成分的使用量，从而导致成本急剧增大，已经失去了工业化利用粉煤灰的经济意义和现实基础，无法实现工业化利用。

实施例9-18

除将步骤H中的烧结温度替换为如下表3所示温度外，分别以与实施例1相同的方式实施了实施例9-18，分别得到瓷质砖TC9-TC18：

表3.实施例9-18的对应关系及烧结温度

实施例19-23

除省略步骤C中的料浆除铁处理外，分别以与实施例1-5相同的方式实施了实施例19-23，分别得到瓷质砖TC19-TC23：

产品性能测定

对上述实施例1-23所得的最终瓷质砖，以及中间过程中所得的干坯进行各种性能参数测定，其中测定了干坯的强度，最终瓷质砖的吸水率、显气孔率、烧成收缩率、白度和烧成强度，结果分别见下表4-6所示。

表4.TC1-TC5与TC6-TC8的性能参数

表5.TC9-18的性能参数

表6.TC19-23的性能参数

由所有上述实施例及性能参数可以看出，当采用本发明的特定原料所混合得到的配料，以及采用特定范围的各个工艺加工参数时，可以得到性能优异、满足行业标准的瓷质砖。而当烧结温度高于1220℃时，其烧成强度和白度反而有所降低，同时导致了能耗的急剧增大，这在工业化生产中极大地增大了生产经营成本，甚至因无法产生足以经营之利润而使得企业失去生产的动力和研发动力。

综上所述，通过使用本发明的所述方法，为高铝粉煤灰的高附加值利用开拓了新的应用领域，并极大地保护了环境，具有良好的社会效益和经济价值。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种利用高铝粉煤灰制备瓷质砖的方法，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、配料

B、球磨

将配料装入球磨机中，并加入水和电解质进行球磨；

C、出浆与干燥

将球磨结束的浆液进行出浆，料浆除铁、干燥；

D、造粒

将步骤C烘干后的物料进行混合造粒，过筛；

E、陈腐

封装陈腐；

F、成型

采用干压成型；

G、干燥

将成型制品进行干燥；

H、烧结

将干燥后的成型制品进行烧结，得到最终产品瓷质砖。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、配料

称取如下质量百分含量的原料，混合均匀，得到配料：

B、球磨

将配料装入球磨机中，并加入水和电解质进行球磨，其中配料、球磨机研磨球和水的质量比为1:1-2:1.5-3，所加入电解质的质量为配料质量的 0.1-0.3%；球磨时间为10-20小时，万孔筛余为0.5-0.8%；

C、出浆与干燥

将球磨结束的浆液进行出浆，料浆除铁，并在80-140℃下干燥，直至其中的水份质量含量为4-6%；

D、造粒

将步骤C烘干后的物料进行研磨，过1-3次100目筛；

E、陈腐

封装陈腐15-30小时；

F、成型

采用干压成型，压力为15-25MPa，保压25-35秒；

G、干燥

将成型制品在90-120℃下干燥3-5小时，得到干坯；

H、烧结

将干坯在1100-1300℃烧结40-100分钟，得到最终产品瓷质砖。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：步骤A配料中高铝粉煤灰的的质量百分含量为64-68%。

5.如权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于：步骤A配料中粘土的质量百分含量为16-20%。

6.如权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于：步骤A配料中长石的质量百分含量为8-13%。

7.如权利要求2-6任一项所述的方法，其特征在于：步骤A配料中石英的质量百分含量为5-12%。

8.如权利要求2-7任一项所述的方法，其特征在于：步骤H干燥后的成型制品的烧结温度为1190-1220℃。

9.如权利要求2-8任一项所述的方法，其特征在于：步骤C中料浆除铁具体为：采用电磁粉料除铁机，磁场强度10000-30000高斯。

10.如权利要求2-9任一项所述的方法，其特征在于：步骤A中高铝粉煤灰中的氧化铝质量百分含量为30-50%。