CN106396551A - 一种生物质灰渣砖及其制备方法与应用 - Google Patents

一种生物质灰渣砖及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质灰渣砖及其制备方法与应用，以生物质灰渣为原料，通过不同粒径的生物质灰渣和水泥，采用一定的配比混合搅拌，成型，养护后得到生物质灰渣砖。解决目前生物质电厂灰渣利用率低下，造成资源浪费和环境污染的问题，为电厂生物质灰渣提供可行的资源化利用途径，同时该生物质灰渣砖采用免烧结技术进行制备，具有免烧结、免高温高压、处理周期短、处理效果好等优点。本发明生物质灰渣砖抗压强度可达到GBT17431.1‑2010中的要求；同时均满足GB 5085.3‑2007标准，重金属浸出性极低，生物质灰渣砖无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。

Description

一种生物质灰渣砖及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于固体废弃物综合治理和资源化利用领域，具体涉及一种具有一定抗压强度和环境友好的生物质灰渣砖材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着化石燃料的短缺及环境污染的日益严重，可再生能源尤其是生物质能的开发利用逐渐受到人们的重视，生物质燃烧技术已在电厂中得到广泛的应用。我国是农业大国，生物质储量非常丰富，仅秸秆一项就多达7亿吨，近期的开发潜力约为5亿吨标准煤，远期潜为可达到10亿吨标准煤。随着2012年发布的《“十二五”规划》的实施，到2015年，我国生物质能发电装机容量规模已超过1300万千瓦，生物质发电在未来我国的可再生能源结构中将占有重要的地位。生物质灰渣是生物质电厂燃烧秸秆、木材等生物质燃料所产生的灰渣，是目前我国生物质电厂发电过程中所产生的主要废弃物。生物质直燃发电的快速发展的同时，产生了大量的灰渣，其处理和利用等问题尚未得到有效解决。
生物质灰渣由于性质单一，在我国已有不少利用，既有制备超级活性炭（CN103771407 A）、SiO2介孔分子筛（CN 102557047 A）和陶瓷粉末（CN 103626500 A），又有用于制备土壤调理剂（CN 102424639 A）和育苗基质（CN 101889532 A）等。然而，这也仅仅解决了生物质电厂少量的固体废物，由于灰渣缺乏有效利用途径和销售市场，大多数情况下，一般用于填埋等初级处理，或随意堆放，这样粗放的处理方式不但没有任何效益、占用土地资源，导致植物生长所必须的营养元素生态链发生断裂，而且还制约生物质发电的发展，同时也日益成为经济和环境的负担。生物质灰渣的处理是一个亟待解决的问题，其合理利用对于生物质直燃的可持续发展有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种生物质灰渣砖的制备方法，实现生物质灰渣的有效资源化利用，同时本方法具有无需烧结，节省能耗，避免造成二次污染的优势。
为实现上述目的，本发明的方案步骤为：
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括以下步骤：
（1）将初生物质灰渣进行筛分，得到粒径为0.5-30mm的生物质灰渣；
（2）利用自来水对步骤（1）的生物质灰渣进行清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干，得到清洗生物质灰渣；
（3）按质量比10∶3混合步骤（2）的清洗生物质灰渣和水泥，于室温条件下，首次搅拌3-4分钟，然后加入自来水；再次搅拌1-1.5分钟，得到混合物；
（4）将模具置于振动台上，振动下，将步骤（3）的混合物浇铸于模具中，填满模具；所述振动振幅为1-4mm，振动时间为2-5分钟；浇铸完成后脱模，得到试制块；所述制试块喷水养护7-28天，得生物质灰渣砖。
上述技术方案中，步骤（1）中，生物质灰渣的粒径选用1号灰渣（10-30mm）、2号灰渣（5-10mm）、3号灰渣（0.5-0.8mm）中的一种或几种作为生物质灰渣砖的原料，对不同粒径的生物质灰渣进行有针对性的利用，以实现不同粒径的生物质灰渣最优化利用途径；初生物质灰渣来自生物质燃烧。
上述技术方案中，步骤（2）中，清洗为两次清洗，第一次清洗15-25min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，除去杂质，保证生物质灰砖的性能。
上述技术方案中，步骤（3）中，水泥优选用强度等级大于等于42.5 MPa的水泥，比如P.O 42.5水泥，可以在获得较好力学性能的同时与灰渣相容性好。
上述技术方案中，步骤（3）中，首次搅拌转速为115-125 r/min；再次搅拌转速为60-70 r/min，以达到灰渣颗粒和水泥的充分混合均匀。
上述技术方案中，步骤（3）中，首次搅拌1分钟后加入自来水，灰渣和水泥混合均匀后再加入水以利于水泥的水化反应均匀包裹灰渣颗粒，从而使灰渣砖性能均一。
上述技术方案中，步骤（3）中，混合物中，水固比为0.3-0.4，水固比是成型材料性能的重要影响因素，本发明条件下得到的灰渣砖性能优异；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。
优选的，步骤（3）中，以粒径为0.5-30mm的清洗生物质灰渣和P.O 42.5水泥制备底料混合物；以粒径为0.5-0.8mm的清洗生物质灰渣和P.O 42.5水泥制备面料混合物。底料和面料是针对步骤（4）浇铸到模具中而言，位于模具底部的为底料，上部的为面料；底料目的在于增加灰渣砖强度，面料目的在于增加灰渣砖材料的规整度和美观性，同时底料和面料均具有透水和吸附性能。
本发明还公开了根据上述方法制备的生物质灰渣砖，平均抗压强度达到7.56MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。根据《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）和《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300-2007），对随机选取的生物质灰渣砖进行重金属浸出实验，各样品仅有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断本发明的生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。因此本发明的生物质灰渣转可作为建筑材料，代替现有部分建筑用材，所以本发明还公开了上述生物质灰渣转在制备建筑材料中的应用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用生物质电厂废弃物生物质灰渣作为原料，实现了生物质电厂废弃物资源化，合理有效地利用了生物质灰渣，同时，在工业生产实践中不会对环境造成危害或产生副产物；
2、本发明采用采用免烧结技术进行制备，具有无需烧结，节省能耗，避免造成二次污染、处理周期短、处理效果好等优点；
3、本发明中，水泥的水化反应会生成Ca(OH)2等水化产物，Ca2+等会与灰渣上结合的Na+、K+离子进行交换吸附，置换出低价的Na+或K+，可以减少电荷吸附水膜的厚度，使灰渣和水泥的结合力更强，成型材料变得更密实；
4、本发明中，两次拌合灰渣与水泥，并在中间加入水，水泥的水化反应中游离的Ca(OH)2等水化产物能吸收水和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应能进一步的增强灰渣砖的强度；
5、本发明制备的生物质灰渣转重金属浸出浓度低，水泥的水解水化反应产生凝胶化合物包裹生物质灰渣的颗粒，同时水泥的高pH值促使重金属生成沉淀，水泥水化产物中含有的大量钙离子可以与重金属离子发生离子交换，大大降低重金属的浸出；
6、本发明制备的机械强度好，生物质灰渣和水泥制得生物质灰渣砖，经过水泥固化后，灰渣和水泥之间的结合效果良好，达到了较高的无侧限抗压强度，密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。
附图说明
图1为实施例一生物质灰渣砖主视图；
图2为实施例一生物质灰渣砖侧视图；
图3为实施例二生物质灰渣砖主视图；
图4为实施例二生物质灰渣砖侧视图。
具体实施方式
实施例一
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括如下步骤：
（1）将生物质灰渣进行筛分，得到2号（有效粒径为5-10mm）和3号（有效粒径为0.5-0.8mm）生物质灰渣；
（2）利用自来水对上述两种生物质灰渣进行清洗，第一次清洗20min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干；
（3）将7Kg的2号灰渣、3Kg的3号灰渣和3Kg的P.O 42.5水泥混合，于室温条件下采用搅拌器先以120 r/min的速度搅拌3min，搅拌至1min时加入3.9 L的自来水，再以70 r/min的速度搅拌1.5min得到底料；同时，将10Kg的3号灰渣与3Kg的P.O 42.5水泥按上述同样步骤混合均匀，得到面料；
（4）将模具置于振动台上，振幅为3mm，混合均匀的底料和面料依次浇铸于模具中，机械振动至填满模具，振动时间为4min，浇铸完成后脱模，所制试块喷水养护7天，制得生物质灰渣砖。附图1、附图2分别为其主视图与侧视图， 3号灰渣的面料层较为平整，2号和3号灰渣的底料层可以看到细小颗粒。
根据测试，上述生物质灰渣转养护7天后的平均抗压强度达到7.56 MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。
根据《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）和《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300-2007），对随机选取的生物质灰渣砖进行重金属浸出实验，结果如表1所示。
表1 生物质灰渣砖浸出性和相关国家标准 mg/L
重金属 砷 钡 铍 镉 总铬 铜 汞 镍 铅 锌
HJ/T 299-2007 – 0.02 – – – 0.01 – 0.01 – –
HJ/T 300-2007 – 0.02 – – – – – 0.01 – –
GB 5085.3-2007 5 100 0.02 1 15 100 0.1 5 5 100
注：–：表示检测不出
浸出毒性检测结果中，各样品仅有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
实施例二
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括如下步骤：
（1）将生物质灰渣进行筛分，得到1号（有效粒径为10-30mm），2号（有效粒径为5-10mm）和3号（有效粒径为0.5-0.8mm）生物质灰渣；
（2）利用自来水对三种生物质灰渣进行清洗，第一次清洗20min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干；
（3）将3Kg的1号灰渣、4Kg的2号灰渣、3Kg的3号灰渣和3Kg的P.O 42.5水泥混合，于室温条件下采用搅拌器先以120 r/min的速度搅拌3min，搅拌至1min时加入3.9 L的自来水，再以70 r/min的速度搅拌1.5min得到底料；同时，将10Kg的3号灰渣与3Kg的P.O 42.5水泥按上述同样步骤混合均匀，得到面料；
（4）将模具置于振动台上，振幅为3mm，混合均匀的底料和面料依次浇铸于模具中，机械振动至填满模具，振动时间为4min，浇铸完成后脱模，所制试块喷水养护7天，制得生物质灰渣砖。附图3、附图4分别为其主视图与侧视图，可明显的看出1号、2号和3号灰渣的底料层较实施例一中的底料层粗糙。
根据实验：生物质灰渣转养护7天后的平均抗压强度达到4.86 MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。
根据《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）和《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300-2007），对随机选取的生物质灰渣砖进行重金属浸出实验，结果如表2所示。
表2 生物质灰渣砖浸出性和相关国家标准 mg/L
重金属 砷 钡 铍 镉 总铬 铜 汞 镍 铅 锌
HJ/T 299-2007 – 0.04 – – 0.36 – – 0.01 – –
HJ/T 300-2007 – 0.03 – – 0.27 0.01 – 0.01 – –
GB 5085.3-2007 5 100 0.02 1 15 100 0.1 5 5 100
注：–：表示检测不出
浸出毒性检测结果中，各样品虽有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
实施例三
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括如下步骤：
（1）将生物质灰渣进行筛分，得到2号（有效粒径为5-10mm）和3号（有效粒径为0.5-0.8mm）生物质灰渣；
（2）利用自来水对三种生物质灰渣进行清洗，第一次清洗20min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干；
（3）将7Kg的2号灰渣、3Kg的3号灰渣和3Kg的P.O 42.5水泥混合，于室温条件下采用搅拌器先以120r/min的速度搅拌3min，搅拌至1min时加入4.2 L的自来水，再以70 r/min的速度搅拌1.5min得到底料；同时，将10Kg的3号灰渣与3Kg的P.O 42.5水泥按上述同样步骤混合均匀，得到面料；
（4）将模具置于振动台上，振幅为3mm，混合均匀的底料和面料依次浇铸于模具中，机械振动至填满模具，振动时间为4min，浇铸完成后脱模，所制试块喷水养护7天，制得生物质灰渣砖；平均抗压强度达到7.25MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。浸出毒性检测结果中，各样品虽有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
实施例四
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括如下步骤：
（1）将生物质灰渣进行筛分，得到1号（有效粒径为10-30mm），2号（有效粒径为5-10mm）和3号（有效粒径为0.5-0.8mm）生物质灰渣；
（2）利用自来水对三种生物质灰渣进行清洗，第一次清洗20min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干；
（3）将2Kg的1号灰渣、4Kg的2号灰渣、4Kg的3号灰渣和3Kg的P.O 42.5水泥混合，于室温条件下采用搅拌器先以120r/min的速度搅拌3min，搅拌至1min时加入3.9 L的自来水，再以70 r/min的速度搅拌1.5min得到底料；同时，将10Kg的3号灰渣与3Kg的P.O 42.5水泥按上述同样步骤混合均匀，得到面料；
（4）将模具置于振动台上，振幅为3mm，混合均匀的底料和面料依次浇铸于模具中，机械振动至填满模具，振动时间为4min，浇铸完成后脱模，所制试块喷水养护7天，制得生物质灰渣砖；平均抗压强度达到5.02MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。浸出毒性检测结果中，各样品虽有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。
实施例五
一种生物质灰渣砖的制备方法，包括如下步骤：
（1）将生物质灰渣进行筛分，得到1号（有效粒径为10-30mm），2号（有效粒径为5-10mm）和3号（有效粒径为0.5-0.8mm）生物质灰渣；
（2）利用自来水对三种生物质灰渣进行清洗，第一次清洗20min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干；
（3）将3Kg的1号灰渣、2Kg的2号灰渣、5Kg的3号灰渣和3Kg的P.O 42.5水泥混合，于室温条件下采用搅拌器先以120r/min的速度搅拌3min，搅拌至1min时加入3.9 L的自来水，再以70 r/min的速度搅拌1.5min得到底料；同时，将10Kg的3号灰渣与3Kg的P.O 42.5水泥按上述同样步骤混合均匀，得到面料；
（4）将模具置于振动台上，振幅为3mm，混合均匀的底料和面料依次浇铸于模具中，机械振动至填满模具，振动时间为4min，浇铸完成后脱模，所制试块喷水养护7天，制得生物质灰渣砖；平均抗压强度达到4.96 MPa；生物质灰渣砖的密度等级、抗压强度等均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法-第1部分：轻集料》中的要求。浸出毒性检测结果中，各样品虽有部分毒性元素被检出，但所有样品检出元素含量均远远低于《国家危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》（GB5085.3-2007）所规定标准值，据此可判断生物质灰渣砖材料无有害元素，无生态风险，属于环境友好型产品。

Claims (10)

1.一种生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将初生物质灰渣进行筛分，得到粒径为0.5-30mm的生物质灰渣；
（2）利用自来水对步骤（1）的生物质灰渣进行清洗，将清洗后的灰渣在自然条件下风化晾干，得到清洗生物质灰渣；
（3）按质量比10∶3混合步骤（2）的清洗生物质灰渣和水泥，于室温条件下，首次搅拌3-4分钟，然后加入自来水；再次搅拌1-1.5分钟，得到混合物；
（4）将模具置于振动台上，振动下，将步骤（3）的混合物浇铸于模具中，填满模具；所述振动振幅为1-4mm，振动时间为2-5分钟；浇铸完成后脱模，得到试制块；所述制试块喷水养护7-28天，得生物质灰渣砖。
2.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，生物质灰渣的粒径为0.5-0.8mm、5-10mm、10-30mm中的一种或几种；所述水泥为强度等级大于等于42.5的水泥。
3.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，清洗为两次清洗，第一次清洗15-25min后更换自来水，第二次浸泡10min后再清洗。
4.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，首次搅拌转速为115-125 r/min；再次搅拌转速为60-70 r/min。
5.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，首次搅拌1分钟后加入自来水；混合物中，水固比为0.3-0.4。
6.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，以粒径为0.5-30mm的清洗生物质灰渣和P.O 42.5水泥制备底料混合物；以粒径为0.5-0.8mm的清洗生物质灰渣和P.O 42.5水泥制备面料混合物。
7.根据权利要求6所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，依次将步骤（3）的底料混合物、面料混合物浇铸于模具中。
8.根据权利要求6所述生物质灰渣砖的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，底料和面料厚度比为（15-20）∶1。
9.根据权利要求1所述生物质灰渣砖的制备方法制备的生物质灰渣转。
10.权利要求9所述生物质灰渣砖在制备建筑材料中的应用。
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