CN112805260A - 一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产轻质陶瓷砂，用作建筑材料和工业废料开采页岩气用中等强度轻质砂。更具体地，本发明涉及一种直接将潮湿铝土矿废渣饼和粉煤灰作为二次原料生产烧结合成轻质陶瓷砂颗粒的新型工艺。所述合成轻质陶瓷砂可用作建筑材料。在使用水力压裂法开采页岩气时，所述合成砂还可作为轻质砂使用。本发明的新特征是在高产量下生产低成本轻质砂，以便与快速损耗的天然砂和压裂砂竞争。

Description

一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种轻质陶瓷砂的生产方法。本发明特别涉及一种直接将潮湿铝土矿废渣饼和粉煤灰作为二次原料生产烧结合成轻质陶瓷砂颗粒的新型方法。所述合成轻质陶瓷砂可用作建筑材料。在使用水力压裂法开采页岩气时，所述合成砂还可作为轻质砂使用。本发明的新特征是在高产量下生产低成本轻质砂，以便与快速损耗的天然砂和压裂砂竞争。
背景技术
为了符合环境要求，氧化铝厂需要将氧化铝生产成本的5-10%投入到铝土矿废渣的可持续处置中。使用拜耳法，将铝土矿矿石转化成氧化铝，产生了铝土矿废渣。目前，全世界共产生了大约1亿2500万吨铝土矿废渣。平均不到3%的铝土矿废渣得到利用，而其余97%的铝土矿废渣大部分被倒入泥池（水塘），增加了对当地环境的威胁。由于铝土矿废渣占地面积大，这些土地既不能用于建造建筑物也不能耕种，即使这些土地干燥后也不能用于建造建筑物和耕种，因此如何处理铝土矿废渣成为摆在我们面前的一大难题。妥善解决铝土矿废渣的存放和处置问题需要投入大量费用。随着附加环境立法和行业限制的发展，妥善解决存放和处置问题所需的成本继续增加。
粉煤灰是燃煤电站燃煤得到的副产品。目前，全世界大约产生11亿吨粉煤灰。在产生的粉煤灰中，平均约有55%得到利用，而其余45%的粉煤灰多数被倒入灰池（水塘）和干堆，增加了对当地环境的威胁。在尝试尽量降低粉煤灰作为废物产生所造成的环境影响的同时，考虑粉煤灰的各种利用方法，既可以帮助处置粉煤灰，又可以从中获得一些切实可行的效用和经济收益。
全球建筑业等行业对优质砂的需求增加，天然砂来源日益减少。砂的年产量和消耗量比自然的产砂能力高出两倍。砂等颗粒物属于大量消耗的建筑材料，同时也是建筑业的基本原料。目前，全世界的砂消耗量为400亿吨，其中300亿吨用于生产混凝土和砂浆。随着城市化进程加快，生态环境一般较为脆弱，增加了天然砂矿床供应的压力。天然砂需要几百万年才能形成，而现在天然砂的消耗也在加快。极高的砂消耗量已经危及到海岸线，东南亚有30座岛屿消失。
目前急需解决铝土矿废渣和粉煤灰的处置问题。同时，由于建筑活动的不断增长，存在大量天然砂需求，因此我们正面临着天然砂极度匮乏的问题，迫使研发人员找到一种合适的替代品。
其中一种可取的替代品就是将铝土矿废渣饼转化为陶瓷砂，可用作天然砂、人工砂、细骨料和轻质细骨料的替代品，用来生产混凝土、砂浆、灰泥、砖、砌块和瓷砖。另一种可取的替代品是将铝土矿废渣饼转化为中强度轻质砂，在水力压裂法中作为压裂砂的替代品，以提高气体开采质量。水力压裂法采用压裂砂，使裂隙或裂缝保持张开，使页岩中的石油向上流向地表。
赞成使用该方法的理由是：（1）铝土矿废渣占合成颗粒物总重量的50～95 wt%，粉煤灰占50～5 wt%；（2）自然资源（如砂和细骨料）正在迅速消耗；（3）生态绿色产品需求继续增长；（4）满足对自然资源和循环经济可持续管理的需要。
本发明的主要组成部分是废物副产品，即铝土矿废渣和粉煤灰，原材料价格低廉，使人造陶瓷砂具有竞争力，从而有助于缓解废物处置的问题。因此，利用铝土矿废渣饼和粉煤灰的混合物，以符合经济效益的方式成功地生产出颗粒物，不仅会降低铝土矿废渣和粉煤灰处置对环境的影响，而且还能带来巨大的经济效益。
本发明涉及用工业废物混合物生产轻质陶瓷砂。所述生产工艺是一种新型工艺，用于生产合成轻质陶瓷砂。用两种不同的工业废物，即铝土矿废渣和粉煤灰生产的轻质陶瓷砂代替天然砂，可以对天然砂产地的保护提供支持。
专利CN 101575503 A中介绍了另一种尝试，即将红泥作为起始物料生产推进剂。在本文中，选用数量百分比为1～20 wt%的红泥与其他废物组分，如与陶瓷辊棒废料或粉煤灰进行组合。
Tian X.等人在CN 101085914 A和“用红泥制备耐酸压裂推进剂初探”（荷兰阿姆斯特丹爱思唯尔出版的《危害性材料学报》2008年12月30日（2008-12-30）第160期第2-3号，第589页-第593页）中，提出用红泥制备推进剂。除了红泥，其数量百分比介于20～60%之间，还选用耐火材料废料，以增加最终产品的铝含量。此外，还选用其他必需的添加剂，如高岭土和碳酸钡或氟化钙，以获得所需的推进剂性能。
在专利CN 103396784 A中，尝试用红泥（40～70wt%）、粉煤灰（0～30wt%）、铝土矿（5～30wt%）和辅助添加剂（1～15wt%）的混合物，制备低密度、高强度支撑剂。使用铝土矿和辅助添加剂的目的在于，用最小闭合压力7500 psi（52MPa），实现高强度支撑剂。在本文中，为了实现均匀混合，在与其他成分混合之前，先要将红泥烘干，最终混合物细磨至325目，然后进行制粒。红泥干燥处理不仅在操作上存在难度，而且成本较高，不具备商业可行性。
在专利CN 101575503 A中，尝试用红泥（1～20wt%）、粉煤灰（0～20wt%）、陶瓷辊棒废料（60～85wt%）、氧化锰或碳酸钡（0～5wt%）、白云石（5～10wt%）和陶瓷粘土（5～10wt%）的混合物，制备粗油用高强度支撑剂。在本文中，为了实现均匀混合，在与其他成分混合之前，先要将红泥烘干，最终混合物细磨，然后进行制粒。虽然作者声称该制备方法简便可行，但是实际中很难在工业规模方面效仿，特别是找到化学成分一致的陶瓷辊棒，由此可见，这种方法并不切合实际。
在专利CN 103304253 A中，尝试用红泥、粉煤灰和造孔剂生产多孔陶瓷。多孔陶瓷包括40～70wt%的红泥、5～40wt%的煤灰、10～30wt%的造孔剂、1～5wt%的添加剂和占材料总重量10～20%的水。同样，为了均匀混合，所述过程包括红泥干燥处理和重新加水。然后混合物经过成形、干燥和烘烤，即可制备多孔陶瓷材料。由此制得的陶瓷材料具有高孔隙率、高抗弯曲性和开孔结构。
其中，最接近的一项发明是CN 105294142 B。这里，作者尝试用红泥、粉煤灰、煤矸石、硅灰、碱剂、硝化剂、碳质造孔剂和造粒粘结剂的混合物生产轻骨料。同样，为了使所有成分均匀混合，红泥在混合、搅拌和造粒之前必须进行干燥处理。此外，本发明涉及使用含有昂贵成分的复杂配方。这是一种成本较高、复杂、不切实际的工业/商业方法，不具备商业可行性。
Huifen，Y.等人在“利用红泥制备轻质骨料”一文中提出了使用红泥生产轻质骨料的方法。除了红泥以外，其他的基本原料包括玻璃废物和膨润土。在本文中，为了达到均匀混合，红泥在与其他成分混合之前要进行干燥处理，最终混合物经过细磨后制粒。
上述现有技术均未提及生产的半轻质砂颗粒或轻质砂颗粒，而这正是本发明的关键特征。
本发明通过一段法生产工艺克服了上述问题，该工艺涉及潮湿铝土矿废渣饼的干法喷射，而无需对铝土矿废渣饼进行干燥。潮湿铝土矿废渣饼的干燥处理不仅复杂，而且成品往往并不切实可行。尽管有成百上千的出版物和专利，但是目前还没有一种商业化技术能够切实解决铝土矿废渣的利用问题，这一点并不奇怪。
本发明中生产的轻质砂提供了天然砂、人造砂、轻质细骨料和压裂砂的最佳替代品。
描述段落。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种简单又经济的新型方法，即用不同的工业废料组合生产明确定义的陶瓷轻质砂。
本发明的另一个目的是提供另一种代替天然砂、人造砂（也称为碎石）、轻质细骨料生产混凝土、灰泥、砂浆、抹灰和屋面瓦的方法。
本发明的另一个目的是提供一种代替压裂砂开采页岩气的替代方式。
本发明的另一个目的是，利用潮湿铝土矿废渣饼和粉煤灰的混合物生产产品，混合物是不希望产生的副产品和/或废物。
本发明的另一个目的是，在高产量和最低的生产成本下，生产粒度分级的细颗粒物，而无需对铝土矿废渣饼进行干燥处理。
本发明的另一个目的是生产轻质陶瓷砂。
一方面，本发明公开了一种简单、经济的轻质陶瓷砂新型生产方法。
另一方面，上述产品由工业废料生产，其中主要原料为潮湿铝土矿废渣饼和粉煤灰。
另一方面，本发明涉及在高产量和低成本下生产细颗粒物，以便与快速损耗的天然砂，包括由膨胀粘土、泡沫玻璃和火山活动产生的碎石和轻质细骨料竞争。
在另一方面，本发明提供一种轻质细颗粒物的新型生产方法，包括以下步骤：
1.粉煤灰干法喷射至潮湿铝土矿废渣饼中，同时，转子和平锅同时旋转；
2.使用高强度剪切搅拌机，形成颗粒；
3.产生具有砂分级粒度级配且接近圆形的细颗粒物；
4.采用流化床干燥工艺，进行颗粒物的干燥处理；
5.对所需粒度级配、形状和强度的颗粒物进行高温（1015～1275℃）烧结处理。
附图说明
附图可提供对本发明的进一步理解，并纳入和构成本发明的一部分，与说明书共同用于解释说明本发明的原理。
在附图中，图1示出了根据本发明的一个实施例所述的由潮湿铝土矿废渣饼和粉煤灰生产烧结细颗粒物的工艺流程示意图。
具体实施方式
通过参考以下对本发明的详细说明并结合附图，可以更容易地理解本发明，从而构成本公开的一部分。应该理解的是，本发明并不限于本文中所述和/或所示的具体装置、方法、条件或参数，本文中使用的术语仅作为举例，并非旨在限制要求保护的发明。同时，除非内容另有明确指示，说明书以及附加权利要求中使用的单数形式“一个（a）”、“一个（an）”和“所述（the）”包括复数，对特定数值的引用至少包括该特定值。在本文中，范围以及当范围表示为另一实施例时可以表示为从“约”或“大约”另一特定值开始。同时还将认识到，除非另有指示，否则本文所述的尺寸和材料特性是以示例而非限制的方式提出，便于更好地理解具有合适实用性的样品实施例，并且所述值之外的变化也可在本发明的范围内，具体取决于特定应用。
现在参考附图对实施例进行详细说明。为了避免对本公开产生不必要的误解，可以不对众所周知的特征进行说明，或可以不对基本相同的要素进行冗余说明。这样做的目的是便于理解。
如所附权利要求所述，附图和以下说明旨在使本领域技术人员充分理解本公开，并非旨在限制本公开的范围。
为了更好地理解本发明的性质，现在将对轻质陶瓷砂生产方法的优选实施例进行解释说明。
在一个实施例中，本发明公开了一种本发明的新型工艺，该工艺涉及将粉煤灰干喷到潮湿铝土矿废渣饼中。所述工艺允许将50～95 wt%范围内的潮湿铝土矿废渣饼与50～5 wt%范围内的粉煤灰进行混合。使用高强度剪切搅拌机，形成颗粒，并在150～300℃下进行干燥处理。经过干燥处理的颗粒在约1015～1275℃范围内的高温下烧结。按照统一的DIN13139（砂浆用砂）和DIN 12620（混凝土用细骨料），最终产品符合粒度级配。同时，该产品还符合DIN 13055（混凝土和砂浆用轻质骨料）。有趣的是，根据支撑砂的压碎应力指南ISO13503-2，该产品还符合最小压碎强度（2000 psi）。
在另一实施例中，上述轻质陶瓷砂的生产方法包括如下步骤：
(a)粉煤灰干法喷射至潮湿铝土矿废渣饼，形成颗粒；
(b)对所述颗粒进行干燥处理，得到干燥后的颗粒
(c)所述干燥颗粒进行高温烧结，从而得到所述轻质陶瓷砂。
在另一实施例中，上述方法采用了优选50～95 wt%的潮湿铝土矿废渣饼和50～5wt%的粉煤灰。此外，在形成颗粒之前，可以向粉煤灰或潮湿铝土矿废渣饼中加入膨润土。此外，潮湿铝土矿废渣饼可占50～95 wt%，粉煤灰占45～5 wt%，膨润土占5～0%。
在另一实施例中，上述方法可进一步包括，在形成颗粒之前，向粉煤灰或潮湿铝土矿废渣饼中加入硅粉。上述潮湿铝土矿废渣饼可占50～95 wt%，粉煤灰占40～5 wt%，硅粉占10～0 wt%。
在另一实施例中，上述方法包括干燥步骤，其中，所述干燥采用150～300℃的流化床干燥。
在另一实施例中，上述方法可进一步涉及高温烧结步骤，其中，温度范围为1015～1275℃。
在另一实施例中，上述方法涉及轻质陶瓷，其中，所述轻质陶瓷砂的粒度可介于但不限于0.075 mm到3 mm之间。此外，按照统一DIN 13139（灰泥用砂），所述轻质陶瓷砂的粒度符合粒度级配。此外，按照统一DIN 12620（混凝土用细骨料），所述轻质陶瓷砂的粒度符合粒度级配。此外，按照统一DIN 13055:2016，所述轻质陶瓷砂的粒度符合轻质骨料的定义。
在另一实施例中，所述轻质陶瓷砂的体积密度介于但不限于1010 kg/m3～1180kg/m3之间。此外，对于20/40目，所述轻质陶瓷砂的压碎强度介于但不限于10～40 MPa之间。另外，对于20/40目，轻质陶瓷砂的压碎强度最好在25～35 MPa之间。
下面结合实验细节，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案更加清楚、明确。下面描述的实验细节是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
铝土矿废渣样品由力拓矿业（Rio Tinto）和阿泰欧（Alteo）提供。粉煤灰样品由瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）提供。在干法喷射工艺之前，铝土矿废渣与水按30：70的固液比混合。使用压滤机对矿浆进行脱水处理，得到含水量介于25～35 wt%之间的潮湿铝土矿废渣饼。然后，将所得废渣饼转移到高强度剪切搅拌机中。在转子和平锅同时旋转的同时，干燥的粉煤灰喷入可移动的废渣饼上。
所述潮湿铝土矿废渣饼的组合比例为50～95 wt%，粉煤灰的组合比例为50～5wt%，硅粉为10～0 wt%，膨润土为5～0 wt%。这种混合物提高了生坯强度。配方按表1所示进行制备。
表1：
Figure 906166DEST_PATH_IMAGE001
铝土矿废渣饼进入高强度剪切搅拌机进行处理。将粉煤灰、膨润土和/或硅粉加入到废渣饼中，转子和平锅同时旋转。混合和搅拌60秒，确保均匀混合。如果由于粉煤灰含量高而使混合物过于干燥，则向混合物中加入20 wt%的水。加水操作是在转子和平锅同时旋转的情况下完成的。旋转共进行3～6分钟。在旋转过程中，形成多个颗粒/球状物。由此得到的颗粒在本文中称为砂前体物。
然后，使用流化床干燥器对湿润的砂前体物进行干燥处理。细颗粒物在干燥器中的停留时间取决于干燥器的长度、干燥温度、干燥持续时间和空气流量等几个因素。对于本次实验，所使用干燥器的温度范围约为150～300℃，供气量介于750～1500 m3/h之间，干燥持续时间为4～8分钟。
在回转窑中，对水分为1～5 wt%的干燥后的砂前体物进行燃烧处理。砂前体物在窑内的停留时间取决于窑长、范围约为1015～1275℃的窑温、化学组成、粒度、吞吐量和砂前体物的温度等几个因素。所生产的轻质砂粒的粒度通常介于0.075 mm到3 mm之间。这些轻质砂粒的体积密度介于1010 kg/m3～1180 kg/m3之间。

Claims (15)

1.一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）粉煤灰干法喷射至潮湿铝土矿废渣饼中，同时，转子和平锅同时旋转，然后使用高强度剪切搅拌机，形成颗粒；
（b）采用流化床干燥工艺进行所述颗粒的干燥处理，得到干燥后的颗粒；
（c）对所述干燥后的颗粒进行高温烧结，从而得到轻质陶瓷砂。
2.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述潮湿铝土矿废渣饼优选为50～95 wt%，所述粉煤灰优选为50～5 wt%。
3.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，在形成颗粒之前，向所述粉煤灰或所述潮湿铝土矿废渣饼中加入膨润土。
4.根据权利要求2所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述潮湿铝土矿废渣饼的质量百分比为50～95 wt%，所述粉煤灰的质量百分比为45～5 wt%，所述膨润土的质量百分比为5～0%。
5.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，在形成颗粒之前，向所述粉煤灰或所述潮湿铝土矿废渣饼中加入硅粉。
6.根据权利要求5所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，潮湿铝土矿废渣饼的质量百分比为50～95wt%，所述粉煤灰的质量百分比为40～5wt%，所述硅粉的质量百分比为10～0wt%。
7.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述干燥处理采用150～300℃的流化床干燥。
8.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述高温烧结的温度范围为1010～1275℃。
9.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述轻质陶瓷砂的粒度为0.075 mm～3 mm。
10.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，按照统一DIN 13139（灰泥用砂），所述轻质陶瓷砂的粒度符合粒度级配的要求。
11.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，按照统一DIN 12620（混凝土用细骨料），所述轻质陶瓷砂的粒度符合粒度级配的要求。
12.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，按照统一DIN 13055:2016，所述轻质陶瓷砂的粒度符合轻质骨料的定义要求。
13.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，所述轻质陶瓷砂的体积密度为900 kg/m3～1180 kg/m3。
14.根据权利要求1所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法，其特征在于，20/40目的所述轻质陶瓷砂的压碎强度为10～30 MPa。
15.一种轻质陶瓷砂，其特征在于，所述轻质陶瓷砂为采用如上述权利要求1～14任意一项所述的一种生产合成轻质陶瓷砂的新方法得到的轻质陶瓷砂。
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