CN112552021A - 一种粉煤灰陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶粒制备技术领域，特别涉及一种粉煤灰陶粒及其制备方法。本发明的粉煤灰陶粒由母球和外核熔渗烧结制得；所述母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，所述外核包含粉煤灰和污泥；以重量份数计，所述粉煤灰陶粒包括下述组分：聚乙烯醇5～10份、含钠或含钾化合物3～5份、粉煤灰70～80份、污泥7～15份；所述含钠或含钾化合物为钠或钾的氧化物、氯化物。本发明的粉煤灰陶粒堆积密度在450～750kg/m3，吸水率大幅降低，强度可达8.5MPa，适用范围广。

Description

一种粉煤灰陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于陶粒制备技术领域，特别涉及一种粉煤灰陶粒及其制备方法。
背景技术
粉煤灰和污泥作为产量较大的工业固废，对环境和人类健康的危害越来越大，对其进行无害化处理，尤其是资源化利用，是固废处理领域亟待解决的难题。
利用固废制作陶粒是将其资源化利用的重要手段。粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺入适量辅料，经计量、配料、成型、水化和水热合成反应或自然水硬性反应而制成的一种人造轻骨料。陶粒具有优异的性能，如密度低、筒压强度高、孔隙率高，软化系数高、抗冻性良好、抗碱集料反应性优异等。特别是由于陶粒密度小、内部多孔、形态与成分较均一，且具有一定的强度和坚固性，因而具有质轻、耐腐蚀、抗冻、抗震和良好的隔绝性(保温、隔热、隔音、隔潮)等多功能特点。利用陶粒这些优异的性能，可以将它广泛应用于建材、园艺、食品饮料、耐火保温材料、化工、石油等部门，应用领域越来越广，还在继续扩大。在陶粒发明和生产之初，它主要用于建材领域，由于技术的不断发展和人们对陶粒性能的认识更加深入，陶粒的应用早已超过建材这一传统范围，不断扩大它的应用新领域。陶粒在建材方面的应用，已经由100％下降到80％，在其他方面的应用，已占20％。随着陶粒新用途的不断开发，它在其他方面的比例将会逐渐增大。
例如申请公布号为CN108863432A的中国发明专利申请公开的一种固废空心陶粒及其制备方法。该固废空心陶粒以木屑、污泥制作芯体，在外包裹一层由粉煤灰和污泥组成的外壳，通过烧制得到质轻保温的陶粒。但是该陶粒的致密性差，筒压强度仅为2.0～5.0MPa，1h吸水率达10～30％，不能用做结构材料(例如受力、承重等)，适用环境受限。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉煤灰陶粒及其制备方法，以解决目前由粉煤灰、污泥等固废制作的陶粒致密性差、吸水率较高、强度低的问题，从而扩展粉煤灰陶粒的应用范围。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种粉煤灰陶粒，所述粉煤灰陶粒由母球和外核熔渗烧结制得；所述母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，所述外核包含粉煤灰和污泥；以重量份数计，所述粉煤灰陶粒包括下述组分：聚乙烯醇5～10份、含钠或含钾化合物3～5份、粉煤灰70～80份、污泥7～15份；所述含钠或含钾化合物为钠或钾的氧化物。
优选地，所述母球的粒径为1～3mm。
优选地，所述粉煤灰的细度为：通过45μm筛的筛余量≤30％。
优选地，所述聚乙烯醇的黏度为21.0～33.0mPa·s，水不溶性杂质≤
0.1wt％。
优选地，所述粉煤灰为GB1596-2017中要求的原灰、一级灰、二级灰和超细粉煤灰。
优选地，所述粉煤灰陶粒的筒压强度为6.5～8.5MPa，堆积密度为450～750kg/m3，吸水率为10～20％，软化系数为0.7～0.9。
本发明的粉煤灰陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)取配方量的聚乙烯醇、含钠或含钾化合物与水混合均匀，造粒，得母球；
(2)将配方量的粉煤灰经过粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干，得生料球；
(3)将所述生料球在回转窑中烧结，然后冷却，即得所述粉煤灰陶粒。
优选地，步骤(1)中，所述水的用量为含钠或含钾化合物质量的1～5％。
优选地，步骤(1)中，所述混合均匀采用圆筒混合机。
优选地，步骤(1)中，所述造粒采用圆盘造粒机。
优选地，步骤(2)中，所述水的用量为粉煤灰、污泥总质量的5～15％。
优选地，步骤(3)中，所述烧结的温度为1100～1300℃；
优选地，步骤(3)中，所述冷却为在冷却机中冷却；
优选地，步骤(3)中，所述冷却的速率为20min将所述烧结的温度降至60℃以下。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明的粉煤灰陶粒以熔融温度较低的含钠或含钾化合物作为母球原料之一，并在母球中添加具有粘结性能的有机粘结剂聚乙烯醇，在烧结时，母球中的原料与粉煤灰中的Si、Al等高熔融点的氧化物组成的体系在较低的温度下烧结成型，从而得到空心粉煤灰陶粒。
本发明采用有机粘结剂聚乙烯醇和钠(钾)的化合物，通过高温烧结，渗透进入外层粉煤灰球核，其中的有机粘结剂在高温条件下分解，整个生产过程安全环保，最终形成内部中空，外表致密的粉煤灰陶粒，同时由于液相量的存在，在表面形成玻陶体，吸水率大幅降低，强度可达8.5MPa，适用范围更广。
本发明采用熔渗法和传统烧结法相结合的工艺方法制备粉煤灰陶粒，在1100～1300℃母球能够完全熔融渗入到外核与粉煤灰进行烧结，制备的粉煤灰陶粒致密性良好，强度较高；并且，由于含钠或含钾化合物的熔融温度较低，可以降低陶粒的烧成温度，进而优化烧结工艺，得到堆积密度为450～750kg/m3的粉煤灰陶粒。本发明的粉煤灰陶粒的制备方法，能耗大幅降低，能够显著减少能源的消耗，利于节能减排。
本发明的粉煤灰陶粒不仅可以用于地暖回填、生物过滤、园艺、石油化工等领域，而且还可以应用在轻质石膏板材、预制构件等。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中，所用粉煤灰至少达到GB1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ级灰的技术指标，具体为：
(1)细度(45μm方孔筛筛余量)≤30％；
(2)需水量比≤105％；
(3)烧失量≤8％；
(4)含水量≤1％；
(5)三氧化硫质量分数≤3％；
(6)游离氧化钙质量分数≤1％；
(7)二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁总质量分数≥70％；
(8)安定性≤5.0mm；
(9)强度活性指数≥70％。
本发明的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：聚乙烯醇5～10份(例如5份、6份、7份、8份、9份、10份)、含钠或含钾化合物3～5份(例如3份、3.5份、4份、4.5份、5份)、粉煤灰70～80份(例如70份、72份、74份、76份、78份、80份)、污泥7～15份(例如7份、8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份、15份)；其中，含钠或含钾化合物为钠、钾的氧化物(例如氧化钠、氧化钾、氯化钠、氯化钾)；污泥的重量份以干污泥计。
为保证成品粉煤灰陶粒的表面质量以及强度性能，粉煤灰的细度为：通过45μm筛的筛余量≤30％(例如30％、20％、10％、0)，粉煤灰为GB1596-2017中要求的原灰、一级灰、二级灰和超细粉煤灰。
聚乙烯醇的黏度为21.0～33.0mPa·s(例如21mPa·s、24mPa·s、27mPa·s、31mPa·s、33mPa·s)，水不溶性杂质≤0.1wt％。
为使得所得成品粉煤灰陶粒的空心体积适宜进而保证其强度需求，母球的粒径为1～3mm(例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm)。
污泥可以为任意污泥，例如，污泥为城市污泥、化工污泥、河道污泥、造纸污泥中的一种或两种以上。污泥提供一定的粘结强度。
粉煤灰陶粒的筒压强度为6.5～8.5MPa(例如6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa)，堆积密度为450～750kg/m3(例如450kg/m3、500kg/m3、600kg/m3)，吸水率为10～20％(例如10％、12％、14％、16％、18％、20％)，软化系数为0.7～0.9(例如0.7、0.8、0.9)。
本发明的粉煤灰陶粒制备时通过调节含钠或含钾化合物用量、污泥用量、聚乙烯醇用量、水用量，对粉煤灰进行多组造球试验，确定适宜的造球工艺参数。试验步骤包括原材料的粉磨、计量配料、混匀和制粒：①粉磨：主要为原料粉磨，细度控制45μm筛余小于30％；②计量配料：按照试验内容中的配料方案称取各种原料进行配料；③搅拌混匀：采用圆筒混合机，加水搅拌、混匀；④制粒：采用圆盘造粒机制粒。
本发明的粉煤灰陶粒的制备具体包括以下步骤：
(1)取配方量的有机粘结剂聚乙烯醇、含钠或含钾化合物与水混合均匀，造粒，得母球；
(2)将配方量的粉煤灰、污泥与水制成的浆料包裹在母球表面形成外核，烘干，得生料球；
(3)将生料球在回转窑中烧结，然后冷却，即得粉煤灰陶粒。
步骤(1)中，水的用量以能够形成球体为宜，一般的，水的用量为含钠或含钾化合物质量的1～5％(例如1％、2％、3％、4％、5％)。
步骤(2)中，水的用量以能够包裹母球形成球体为宜，一般的，水的用量为粉煤灰、污泥总质量的5～15％(例如5％、7％、10％、11％、12％、13％、14％、15％)。
步骤(3)中，烧结的温度为1100～1300℃(例如1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃)。
步骤(3)中，冷却为在冷却机中冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下。
实施例1
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥15份、氧化钠5份、粉煤灰70份、聚乙烯醇10份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氧化钠与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氧化钠质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与黏土总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1100℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
实施例2
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥10份、氧化钠5份、粉煤灰75份、聚乙烯醇10份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氧化钠与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氧化钠钠质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与污泥总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1200℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
实施例3
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥7份、氧化钾3份、粉煤灰80份、聚乙烯醇10份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氧化钾与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氧化钾质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与污泥总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1300℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
实施例4
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥15份、氯化钠5份、粉煤灰75份、聚乙烯醇5份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氯化钠与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氯化钠质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与污泥总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1100℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
实施例5
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥12份、氯化钠5份、粉煤灰75份、聚乙烯醇8份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氯化钠与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氯化钠质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与污泥总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1200℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
实施例6
本实施例的粉煤灰陶粒，由母球和外核熔渗烧结制得；母球包含有机粘结剂聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，外核包含粉煤灰和污泥，以重量份数计，粉煤灰陶粒包括下述组分：污泥7份、氯化钠3份、粉煤灰80份、聚乙烯醇10份。
本实施例的粉煤灰陶粒的体制备方法具体如下：
(1)取配方量的聚乙烯醇、氯化钠与水混合均匀，通过圆盘造粒机制成1～3mm的球体，得母球，作为粉煤灰陶粒的内核，其中水的用量为氯化钠质量的2％；
(2)将配方量的粉煤灰经粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干水分形成生料球，其中水的用量为粉煤灰与污泥总质量的5％；
(3)将生料球在回转窑中、1300℃下烧结，烧成后进入冷却机中进行冷却，冷却的速率为20min将烧结的温度降至60℃以下，即得粉煤灰陶粒，将成品陶粒进行筛分并分类包装即可。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：外核中使用相同重量份的黏土替代污泥，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：母球中使用相同重量份的三乙醇胺替代聚乙烯醇，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于：污泥的用量为20份，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于：氧化钠的用量为10份，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于：聚乙烯醇的用量为3份，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于：母球粒径为4mm，其他均与实施例1中的相同，不再赘述。
实验例
对以上实施例1～6及对比例1～6中的陶粒进行性能测试，结果如下表1所示。
表1实施例1～3及对比例1～6中陶粒的性能对比
筒压强度/MPa 堆积密度/kg/m<sup>3</sup> 1h吸水率/％ 软化系数
实施例1 7.2 590 14.9 0.8
实施例2 6.6 554 12.1 0.9
实施例3 8.5 651 12.8 0.9
实施例4 7.8 588 16.1 0.8
实施例5 7.3 654 15.4 0.8
实施例6 6.9 681 13.3 0.9
对比例1 5.8 609 15.5 0.8
对比例2 5.2 555 17.8 0.8
对比例3 5.6 568 19.8 0.7
对比例4 5.8 641 14.3 0.9
对比例5 5.4 524 19.6 0.7
对比例6 5.1 486 18.5 0.7
通过以上对比可知，本发明的粉煤灰陶粒堆积密度在450～750kg/m3，吸水率大幅降低，强度可达8.5MPa，适用范围广。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉煤灰陶粒，其特征在于，所述粉煤灰陶粒由母球和外核熔渗烧结制得；
所述母球包含聚乙烯醇和含钠或含钾化合物，所述外核包含粉煤灰和污泥；以重量份数计，所述粉煤灰陶粒包括下述组分：聚乙烯醇5～10份、含钠或含钾化合物3～5份、粉煤灰70～80份、污泥7～15份；
所述含钠或含钾化合物为钠或钾的氧化物、氯化物。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰陶粒，其特征在于，所述母球的粒径为1～3mm。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰陶粒，其特征在于，所述粉煤灰的细度为：通过45μm筛的筛余量≤30％。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰陶粒，其特征在于，所述聚乙烯醇的黏度为21.0～33.0mPa·s，水不溶性杂质≤0.1wt％。
5.根据权利要求1所述的粉煤灰陶粒，其特征在于，所述粉煤灰为GB1596-2017中要求的原灰、一级灰、二级灰和超细粉煤灰。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的粉煤灰陶粒，其特征在于，所述粉煤灰陶粒的筒压强度为6.5～8.5MPa，堆积密度为450～750kg/m3，吸水率为10～20％，软化系数为0.7～0.9。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取配方量的聚乙烯醇、含钠或含钾化合物与水混合均匀，造粒，得母球；
(2)将配方量的粉煤灰经过粉磨后与污泥、水制成浆料并包裹在母球表面形成外核，烘干，得生料球；
(3)将所述生料球在回转窑中烧结，然后冷却，即得所述粉煤灰陶粒。
8.根据权利要求7所述的粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水的用量为含钠或含钾化合物质量的1～5％；
优选地，步骤(1)中，所述混合均匀采用圆筒混合机；
优选地，步骤(1)中，所述造粒采用圆盘造粒机。
9.根据权利要求7所述的粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水的用量为粉煤灰、污泥总质量的5～15％。
10.根据权利要求7所述的粉煤灰陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述烧结的温度为1100～1300℃；
优选地，所述冷却为在冷却机中冷却；
优选地，所述冷却的速率为20min将所述烧结的温度降至60℃以下。
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