CN114292124A

CN114292124A - 一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114292124A
Application number: CN202210129530.0A
Authority: CN
Inventors: 林佳佳; 邹晓燕; 汪印; 赖登国
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明提出了一种利用生活垃圾焚烧飞灰烧制的陶粒及其制备方法和应用。通过将飞灰与污泥协同水热耦合热解处理，飞灰处理产物可溶性氯含量大大降低，满足进一步资源化的要求；污泥作为Si、Al、Fe组分调节剂，为垃圾焚烧飞灰制备陶粒过程提供了必要的骨架物质和造孔剂，从而辅助垃圾焚烧飞灰进行烧结；所制备的陶粒性能良好，优选条件下可制备出密度等级为900～1200级的高强建筑陶粒；垃圾焚烧飞灰和污泥所含有害重金属得到有效固定稳定化。本发明贯彻了以废治废的理念，实现了焚烧飞灰与污泥共同消纳，兼具环境效益与经济效益。

Description

一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及固废处理技术领域，尤其涉及一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法和应用。

背景技术

生活垃圾焚烧飞灰是垃圾焚烧过程不可避免产生的危险废物。过去十年，中国城市生活垃圾产生量和焚烧厂数量急剧增加，到2020年，国内垃圾焚烧飞灰的年产量预计已达到900～1000万吨。目前，我国焚烧飞灰主流处置方式为水泥固化后填埋，但这种方式存在占用土地资源、资源利用率低和环境二次污染的缺点，在焚烧飞灰产量爆发式增长的当下，迫切需要开发非填埋式的飞灰无害化和资源化技术。

CN106424077B公开了一种利用污泥处理焚烧飞灰的方法。所述方法通过将焚烧飞灰与污泥混合，经水热耦合热解协同工艺处置，达到飞灰氯盐溶解去除、二噁英水解脱毒和重金属固化稳定的目的。其中，飞灰与污泥无机组分协同作用，不仅通过生成铝硅酸盐或类沸石物质稳定重金属，而且可以在一定程度上催化二噁英的水热降解；热解前添加茶渣生物质，进一步强化了热解对重金属的固化效率，所获热解残渣的重金属浸出毒性符合GB5015.3-2007标准，可以当作一般固体废弃物进行填埋或作为无机材料进行资源化利用。但是，针对所述方法的末端处理产物—飞灰与污泥经共水热和热解形成的残渣的资源化利用问题尚未解决。走完末端产物利用“最后一公里”，对该技术的落地推广意义重大。

由于焚烧飞灰含有Si、Al、Ca、Fe、Na、K等成分，与制陶基体原料成分相似，利用焚烧飞灰制备陶粒已成为焚烧飞灰资源化途径之一。所用的焚烧飞灰主要为原始焚烧飞灰或经水洗浸出预处理的焚烧飞灰。如CN113213191A公开了一种利用垃圾焚烧飞灰的陶粒制备方法及制得的陶粒。所述方法以垃圾焚烧飞灰为原料，通过添加石灰石和粘土、粉煤灰、污泥等高硅物质，调控制陶原料主要组分的比例，经造球、干燥、高温焙烧制得性能优异且有害物质含量均达标的陶粒。CN113336526A公开了一种利用钢铁行业含铬废水预处理焚烧飞灰并制备陶粒的方法。所述方法利用钢铁行业一次沉淀含铬废水多次水洗溶解焚烧飞灰中的可溶性氯盐，并将水洗得到含铬飞灰混合污泥进行烧结制备陶粒。

目前，尚未有以焚烧飞灰与污泥经共水热和热解形成的残渣为原料制备陶粒的相关专利。CN106007776B公开了一种污泥热解生物炭制备陶粒的方法和装置，所述方法将污泥生物炭与高岭土、生石灰或粉煤灰等高硅辅料混合造粒，制造可应用于水处理或建材领域的陶粒。然而，由于原料和预处理方式的差异，焚烧飞灰与污泥经共水热和热解形成的残渣性质不同于污泥生物炭，亦不同于污泥生物炭与焚烧飞灰的简单组合。因此，现有方法不适用于焚烧飞灰与污泥经共水热和热解形成的残渣。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提出了一种飞灰烧制的陶粒，所述陶粒的制备原料包括焚烧飞灰和污泥。

作为本发明的具体实施方式，所述飞灰包括粉煤灰和/或生活垃圾焚烧得到的飞灰；优选地，所述飞灰中可溶性Cl含量<30wt％，CaO含量为30～50wt％。

作为本发明的具体实施方式，所述污泥为市政污泥，优选包括污水处理厂污泥、给水厂污泥、河道疏浚淤泥或排水管道污泥中的至少一种；优选地，所述污泥以干基质量比为基准，所述污泥中SiO₂含量>20wt％，Al₂O₃含量>10wt％，Fe₂O₃含量为0.1～20wt％。

本发明中，诸如CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等氧化物并不意味着涉及的原料或原料中必然含有这些氧化物，而是以氧化物形式表示物料的化学组成。换言之，本发明中，Ca、Si、Al、Fe等的含量是以氧化物形式计的。

作为本发明的具体实施方式，当干基污泥中的Fe₂O₃含量<10wt％时，所述陶粒制备原料还包括辅料。所述辅料优选为高铁物质，基于辅料以所述混合原料总量计，所述辅料量足以将Fe₂O₃的含量调整至10～20wt％；所述高铁物质包括钢铁厂污泥、铁粉、铁盐中的至少一种。

作为本发明的具体实施方式，当污泥中的Fe₂O₃含量≥10wt％时，则不需要添加高铁物质。具体地，在一些具体实施方式中，污泥中的Fe₂O₃含量≥10wt％，不添加高铁物质；而在另一些具体实施方式中，污泥中的Fe₂O₃含量<10wt％，所述陶粒制备原料还包括高铁物质用于提高Fe₂O₃的含量，但Fe₂O₃含量≤20wt％。

作为本发明的具体实施方式，所述污泥可以为城市污水处理厂初级脱水活性污泥，含水率约为10～90wt％。优选地，所述污泥去除水分得到的干基污泥中SiO₂含量>20wt％，Al₂O₃含量>10wt％，Fe₂O₃含量为10～20wt％。

作为本发明的具体实施方式，在本发明中的污泥需具有较高的Si、Al含量，能够为焚烧飞灰烧结陶粒提供必要的骨架物质和造孔剂，进而调控陶粒制作原料的主要成分比例，从而辅助飞灰作烧结制备陶粒。一方面，过低的Si、Al含量不利于生成玻璃相和铝硅酸盐矿物等高强结构，造成陶粒的强度下降；另一方面，混合原料中的Fe元素经过预处理和造粒步骤，大部分将以Fe的氧化物形式存在，Fe的氧化物在>1200℃高温下能够解离释放气体，有利于在陶粒内部创造孔隙结构，从而降低陶粒的密度，进而获得高强轻质的陶粒产品。此外，制备陶粒所需的助熔剂(K₂O、Na₂O、MgO和CaO)成分主要来源于飞灰本身，过多的K₂O、Na₂O、MgO和CaO成分会引起烧结的温度范围变窄，增大烧结条件调控的难度。

第二方面，本发明提供了一种所述陶粒的制备方法，包括以下步骤：

S1：将飞灰、污泥和任选的辅料加水搅拌，得到混合泥浆；

S2：将所述混合泥浆进行水热处理，得到共水热处理产物；

S3：将所述共水热处理产物进行固液分离，例如以抽滤或离心方式，得到共水热泥饼；

S4：将所述共水热泥饼干燥后，进行破碎、研磨过筛，得到共水热固相粉末；

S5：将所述共水热固相粉末在惰性氛围中热解，得到热解残渣；

S6：将所述热解残渣研磨过筛，加水调湿并造粒，得到生料球；

S7：将所述生料球烘干、焙烧、冷却，得到陶粒产品。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，所述污泥以干基质量比为基准，所述飞灰和污泥质量比为1:(4～10)。

作为本发明的具体实施方式，以干基质量为基准，所述混合泥浆的主要成分含量如下：SiO₂：20～60wt％，Al₂O₃：10～25wt％，Fe₂O₃：10～20wt％。辅料的具体添加比例可根据辅料种类和陶粒性能进行调整。

所述得到的混合泥浆中液固质量比不低于4:1。

原始飞灰呈粉末状，干燥后直接使用，因而飞灰粒径为本征粒径；污泥为初级脱水污泥，无需干燥直接使用。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S2中，所述水热处理温度为110～240℃，水热处理时间为30～60min。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S4中，所述共水热固相粉末的可溶性氯含量可由式1和2进行计算：

式1和式2中，x、y分别代表污泥与飞灰原料的干基质量比值；

c_S和c_A分别为污泥和飞灰中可溶性氯的含量，单位：wt％；

L/S为液固比；

m_r为污泥和飞灰共混原料的干质量，单位：kg；

c_l为水热固相可溶性Cl含量，单位：wt％；

ω_cake为共水热泥饼的含水率，单位：wt％。

作为本发明的具体实施方式，所述破碎、研磨至100～200目。

需要说明的是，根据HJ 1134-2020标准限值规定：飞灰处理产物可溶性氯含量不超过2wt％，以不高于1wt％为宜。

作为本发明的具体实施方式，在本发明中氯盐脱除直接关系到热解残渣是否满足资源化利用的条件。由于过量的氯会影响物料处置过程的安全性和稳定性，并损伤产品的结构和性能，国家对飞灰处理产物含氯量已经制定了严格的控制标准。在水热耦合热解预处理过程中，水热阶段是关键的脱氯步骤，因此，获得可溶性氯含量满足标准的共水热固相粉末是保证热解残渣含氯量达标的必要前提。鉴于此，本发明开发了可用以估算共水热固相粉末可溶性氯含量的公式。一方面，该公式揭示了水热工艺参数如：飞灰和污泥质量比、水热液固比等，与共水热固相可溶性氯含量之间的内在联系，通过简单测定水热泥饼含水率等指标，结合原料性质可直接计算出共水热固相的可溶性氯含量，且计算值与实测值显示出极佳的拟合效果，如图5所示(包含但不限于实施例)，从而能够避免大批量的化学测定；另一方面，在预先设定共水热固相可溶性氯目标含量与飞灰和污泥质量比的情况下，采用不低于该公式所推算出的液固比值，可以轻易获得氯达标的共水热固相，从而节省调整工艺参数所耗费的成本。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S5中，所述惰性氛围为氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气或真空热解中的任意一种；

所述热解处理温度为700～100℃，热解处理时间为50～60min；

所述得到的热解残渣中可溶性氯含量<2wt％；

所述得到的热解残渣中K₂O、Na₂O、MgO和CaO的含量之和<25wt％。

作为本发明的具体实施方式，在本发明中焚烧飞灰首先经过污泥辅助水热耦合热解工艺预处理。一方面，所得飞灰处理产物可溶性盐分含量得到大量去除，飞灰重金属获得初步去除及固定稳定化，二噁英类物质亦得到一定程度消除，减轻了有害物质对后续资源化过程和产品以及对环境和人体的负面危害；另一方面，飞灰与污泥共水热-热解处理显著改变处理产物的化学组成，飞灰中含量过高的NaCl、KCl和CaCl(OH)等可溶性氯盐和Ca(OH)₂、CaCO₃等含钙矿物溶解去除，原料中Cl和助熔剂成分含量降低，进而改善飞灰作为原材料制备陶粒的性质。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S6中，所述加水造粒中，水与热解残渣质量比为(1.2～1.5):1；所述生料球的粒径为5～1mm；所述造粒方式可以为手工造粒，也可以机械圆盘造粒。

作为本发明的具体实施方式，所述步骤S7中，所述烘干为低温烘干，烘干温度为10～110℃；所述焙烧温度为1100～1300℃，焙烧时间为5～30min；优选地，焙烧温度为1150～1250℃，焙烧时间为10～20min。

作为本发明的优选技术方案，在本发明中，生料球需保持在焙烧温度1150～1250℃的范围内焙烧10～20min才能够得到抗压强度、吸水率、密度等指标符合标准的陶粒产品。如果焙烧温度过低，则成陶组分不能有效熔融，体系内没有足够的液相生成，颗粒之间难以紧密结合，造成陶粒强度低下，吸水率高；如果焙烧温度过高，则原料组分过度熔融，使陶粒无法保持固定的形状，引起熔塌现象；并且，以过高温度烧制陶粒能耗成本高昂，获得的陶粒产品不具备商业应用的价值。另一方面，焙烧时间过短则烧制不充分，焙烧时间过长则浪费能源。

本发明中的上述原料可自行采样获得，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。

第三方面，本发明提供了所述陶粒在建筑材料领域中的应用。

作为本发明的具体实施方式，本发明所述的陶粒作为陶粒轻集料应用于建筑材料领域。

作为本发明的具体实施方式，所述的陶粒可以作为人造轻集料，替代天然砂、碎石用于制备陶粒混凝土或陶粒空心砌块，应用于道路、房屋墙体、工程建造等领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过将焚烧飞灰和污泥经水热处理和热解处理制备成热解残渣，再经焙烧制备陶粒，相较于直接使用焚烧飞灰和污泥原材料，不仅有效减轻了飞灰中的高浓度氯盐对设备和产品性能的负面影响，提高了焚烧飞灰的利用率，并且，原材料经过水热耦合热解的加工处理，得到的制陶原料的化学成分含量和比例发生改变，飞灰作为烧结陶粒制备原料的特性因而得到大幅改善。

2、本发明将热解残渣经焙烧制备陶粒，其中高温焙烧过程有利于二噁英等有毒有害有机物的彻底分解和破坏；热解残渣除含Si、Al之外，还含有利于重金属稳定的磷灰石矿物(由来自于污泥的P元素与主要来自于飞灰的Ca矿物在热解条件下生成)，能够有效结合重金属，减少烧结过程中重金属的挥发，并使重金属以稳定的形态固化于玻璃相或矿物之中，从而减少有害废气的排放。

3、本发明的核心环节制备的热解残渣，挥发分含量低，因此陶粒制备可节省预热环节，节能减排；本发明无剩余残渣产生，能够同时实现焚烧飞灰和市政污泥的最终消纳，固废充分利用；方法简单易行，制得的高强陶粒可应用于建材领域，具有较好的环境效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例2中步骤S5得到的热解残渣外观照片；

图2为本发明实施例2中制备得到的陶粒产品外观照片；

图3为本发明实施例3中制备得到的陶粒产品外观照片；

图4为本发明实施例4中制备得到的陶粒产品外观照片；

图5为本发明共水热固相粉末可溶性氯含量计算值与实际测定值的线性拟合图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。

本发明各实施例中，采用的生产标准HJ 1134-2020标准限值规定：飞灰处理产物可溶性氯含量不超过2wt％，以不高于1wt％为宜。

本发明各实施例中，飞灰为某市生活垃圾焚烧剩下的飞灰粉末，主要成分含量为Cl为24.75wt％，CaO为44.72wt％，(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分为61.25wt％。

本发明各实施例中，污泥为某市污水处理厂污泥，含水率为79.34wt％，干基主要成分含量SiO₂为24.06wt％，Al₂O₃为16.61wt％，Fe₂O₃为17.91wt％。

由于所述污泥的Fe₂O₃含量已在要求的范围之内，因此无需额外添加高铁物质。

本发明各实施例中，所用的具体设备信息如下：

河南郑州博研仪器有限公司制造的FCF-2L高温高压水热反应釜；由北京弗恩森电炉有限公司制造的自研设备热解炭化炉；上海全硕电炉有限公司制造的QSH-1700M马弗炉。

实施例1

本实施例提供了一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法，具体细节如下：

S1：将焚烧飞灰和湿污泥按干基质量比1:4搅拌混合均匀，加水调节液固比至5:1，得到混合泥浆；

S2：将混合泥浆在110℃下进行水热处理，水热处理时间为60min，得到共水热产物；

S3：所得共水热产物以抽滤方式进行固液分离，得到共水热泥饼；

S4：将共水热泥饼干燥、破碎、研磨过100目筛，得到共水热固相粉末；

S5：将共水热固相粉末，在100℃温度下，氮气氛围中热解60min，获得热解残渣(残渣1)；

S6：将热解残渣研磨过100目筛，加残渣质量1.4倍的水调湿，并手工搓制成直径5～1mm的生料球；

S7：将生料球经烘箱干燥后，送入高温炉中在1275℃条件下进行焙烧，焙烧时间为10min，随炉冷却得到陶粒产品。

实施例1中，飞灰、污泥和残渣1的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表1所示：

表1污泥和残渣1的化学成分(wt％)

成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Na<sub>2</sub>O	MgO	K<sub>2</sub>O	CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
									飞灰	3.51	0.11	9.10	1.09	5.64	44.72	0.19	0.30
污泥	24.06	16.21	0.11	1.41	1.41	3.42	17.91	10.20
									残渣1	25.24	20.11	1.31	2.39	1.30	16.21	12.51	10.67

实施例1的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：19.95wt％，Al₂O₃：13.19wt％，Fe₂O₃：14.51wt％。

实施例1的步骤S4得到的共水热固相粉末的可溶性氯含量的计算值为2.10wt％，接近实测值2.00wt％，表明二者具有较好的匹配度。

实施例1的步骤S5得到的残渣1中的可溶性氯含量为1.37wt％，满足HJ1134-2020标准限值；所述得到的残渣1中助熔剂(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分含量为21.21wt％，SiO₂、Al₂O₃含量分别为25.24wt％和20.11wt％。因此，与焚烧飞灰原料相比，残渣1的氯和助熔剂成分含量大大降低，Si、Al含量大大提升，飞灰作为原材料制备陶粒的性质得到明显改善。

实施例2

本实施例提供了一种利用生活垃圾焚烧飞灰烧制的陶粒及其制备方法，具体细节如下：

本实施例与实施例1的区别仅在于，采用焙烧温度为1250℃，焙烧时间为20min，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

实施例2中，飞灰、污泥和残渣1的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表2所示：

表2污泥和残渣1的化学成分(wt％)

实施例2的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：19.95wt％，Al₂O₃：13.19wt％，Fe₂O₃：14.51wt％。

实施例2的步骤S5得到的残渣1中的可溶性氯含量为1.37wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

所述得到的残渣1中助熔剂(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分含量为21.21wt％。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于，采用焙烧温度为1200℃，焙烧时间为20min，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

实施例3中，飞灰、污泥和残渣1的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表3所示：

表3污泥和残渣1的化学成分(wt％)

实施例3的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：19.95wt％，Al₂O₃：13.19wt％，Fe₂O₃：14.51wt％。

实施例3的步骤S5得到的残渣1中的可溶性氯含量为1.37wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于，采用焙烧温度为1150℃，焙烧时间为30min，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

实施例4中，飞灰、污泥和残渣1的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表4所示：

表4污泥和残渣1的化学成分(wt％)

实施例4的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：19.95wt％，Al₂O₃：13.19wt％，Fe₂O₃：14.51wt％。

实施例4的步骤S5得到的残渣1中的可溶性氯含量为1.37wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

实施例5

S1：将焚烧飞灰和湿污泥按干基质量比1:10搅拌混合均匀，加水调节液固比至4:1，得到混合泥浆；

S5：将共水热固相粉末，在700℃温度下，氮气氛围中热解60min，获得热解残渣(残渣2)；

S7：将生料球经烘箱干燥后，送入高温炉中在1250℃条件下进行焙烧，焙烧时间为10min，随炉冷却得到陶粒产品。

实施例5中，飞灰、污泥和残渣2的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表5所示：

表5污泥和残渣2的化学成分(wt％)

实施例5的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：22.19wt％，Al₂O₃：14.17wt％，Fe₂O₃：16.36wt％。

实施例5的步骤S4得到的共水热固相粉末的可溶性氯含量的计算值为1.31wt％，接近实测值1.31wt％，表明二者具有较好的匹配度。

实施例5的步骤S5得到的残渣2中的可溶性氯含量为1.03wt％，满足HJ1134-2020标准限值；所述得到的残渣2中助熔剂(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分含量为9.63wt％，SiO₂、Al₂O₃含量分别为21.11wt％和19.72wt％。因此，与焚烧飞灰原料相比，残渣2的Cl和助熔剂成分含量大大降低，Si、Al含量大大提升，飞灰作为原材料制备陶粒的性质得到明显改善。

对比例1

本对比例提供了一种飞灰烧制的陶粒及其制备方法，具体细节如下：

S1：将焚烧飞灰和湿污泥按干基质量比3:4搅拌混合均匀，加水调节液固比至10:1，得到混合泥浆；

S5：将共水热固相粉末，在100℃温度下，一氧化碳氛围中热解60min，获得热解残渣(残渣3)；

S6：将热解残渣研磨过100目筛，加残渣质量1.45倍的水调湿，并手工搓制成直径5～1mm的生料球；

S7：将生料球经烘箱干燥后，送入高温炉中在1150℃条件下进行焙烧，焙烧时间为30min，随炉冷却得到陶粒产品。

对比例1中，飞灰、污泥和残渣3的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表6所示：

表6污泥和残渣3的化学成分(wt％)

对比例1的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：15.25wt％，Al₂O₃：9.65wt％，Fe₂O₃：10.62wt％。

对比例1的步骤S4得到的共水热固相粉末的可溶性氯含量的计算值为1.95wt％，接近实测值1.92wt％，表明二者具有较好的匹配度。

对比例1的步骤S5得到的残渣3中的可溶性氯含量为1.12wt％，满足HJ1134-2020标准限值；所述得到的残渣3中助熔剂(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分含量为37.19wt％，SiO₂、Al₂O₃含量分别为19.51wt％和13.91wt％。因此，与焚烧飞灰原料相比，残渣3的Cl和助熔剂成分含量降低，Si、Al含量提升，飞灰作为原材料制备陶粒的性质得到一定程度的改善。

对比例2

一种利用生活垃圾焚烧飞灰烧制的陶粒，其与对比例1的区别仅在于，采用焙烧温度为1225℃，焙烧时间为20min，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

对比例2中，飞灰、污泥和残渣3的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表7所示：

表7污泥和残渣3的化学成分(wt％)

成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Na<sub>2</sub>O	MgO	K<sub>2</sub>O	CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
									飞灰	3.51	0.11	9.10	1.09	5.64	44.72	0.19	0.30
污泥	24.06	16.21	0.11	1.41	1.41	3.42	17.91	10.20
									残渣3	19.51	13.91	0.62	2.93	1.21	33.06	11.33	6.17

对比例2的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：15.25wt％，Al₂O₃：9.65wt％，Fe₂O₃：10.62wt％。

对比例2的步骤S5得到的残渣3中的可溶性氯含量为1.12wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

所述得到的残渣3中助熔剂(K₂O+Na₂O+MgO+CaO)成分含量为37.19wt％。

对比例3

一种利用生活垃圾焚烧飞灰烧制的陶粒，其与对比例1的区别仅在于，采用焙烧温度为1250℃，焙烧时间为20min，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

对比例3中，飞灰、污泥和残渣3的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表1所示：

表1污泥和残渣3的化学成分(wt％)

对比例3的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：15.25wt％，Al₂O₃：9.65wt％，Fe₂O₃：10.62wt％。

对比例3的步骤S5得到的残渣3中的可溶性氯含量为1.12wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

对比例4

本对比例提供了一种利用生活垃圾焚烧飞灰烧制的陶粒及制备方法，其制备方法与实施例1的区别仅在于，不进行焙烧，其他材料、条件、步骤等均与实施例1相同。

对比例4中，飞灰、污泥和残渣1的主要化学成分组成(以氧化物形式表达)如表9所示：

表9污泥和残渣1的化学成分(wt％)

对比例4的步骤S1得到的飞灰与污泥混合原料的主要成分含量如下：SiO₂：19.95wt％，Al₂O₃：13.19wt％，Fe₂O₃：14.51wt％。

对比例4的步骤S5得到的残渣1中的可溶性氯含量为1.37wt％，满足HJ1134-2020标准限值；

测试例

测试方法：

(1)外观：肉眼观察制备得到的陶粒的外观形貌；

(2)性能测试：陶粒的堆积密度和吸水率的测定参照国家标准《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-2010)进行；抗压强度在万能材料电子试验机上测试，其值可折合成筒压强度的0.9倍；

(3)陶粒重金属金浸出测试：采用醋酸溶液缓冲法(HJ/T 300-2007)法。

按照上述测试方法，对实施例1～5和对比例1～3得到的陶粒进行测试，测试结果如表9和表10所示。

陶粒的成型情况和性能测试结果如表10所示：

表10陶粒的成型情况与性能测试

根据表10数据可以看出：

实施例2～5得到的陶粒均有较好的成型状态，陶粒能够保持良好固定的形状；而实施例1和对比例3分别在1275℃和1250℃发生熔塌，这是因为残渣3的助熔剂成分含量(37.19wt％)高于残渣1的助熔剂含量(21.21wt％)，过高的助熔剂含量会引起陶粒的熔融相变温度下降。

进一步比较实施例2和对比例3，实施例3和对比例2可以发现，残渣1(实施例2、3)制备得到的陶粒比残渣3(对比例2、3)在相同或较低的温度下制备的陶粒具有更高的抗压强度，这是因为对比例2、3的飞灰和污泥的干基质量比为3:4，过高的飞灰和污泥质量比将直接造成作为陶粒制备原料的飞灰和污泥共水热-热解残渣中Si、Al含量过低，进而导致陶粒的抗压强度下降。

进一步比较实施例1～5和对比例1～3与GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》标准可以发现，实施例2～3和实施例5得到的陶粒满足密度等级为900～1200级高强陶粒的要求，可以作为陶粒轻集料应用于建筑材料领域。

作为优选的实施例2～5与对比例1的重金属浸出浓度如表11所示：

表11陶粒的重金属浸出(mg·L^-1)

根据表11数据可以看出：

本发明制备的陶粒中各项重金属的浸出浓度均远低于GB 5015.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》。

综上所述，本发明制备的陶粒性能良好，其抗压强度、吸水率和堆积密度均符合GB/T 17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》标准要求，且陶粒的重金属浸出符合GB 5015.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别标准》。陶粒的制备过程中，为了得到成分满足制陶条件的热解残渣，飞灰和污泥的干基质量比、水热液固比是关键参数，需分别控制在1:(4～10)和不低于4:1的范围之内；为了确保热解残渣的可溶性氯满足HJ1134-2020要求，精确的水热液固比可由构建的公式进行定量计算，该公式对于共水热固相可溶性氯计算值和实测值具有极佳的拟合效果；主成分在控制范围之内的制陶原料，在1100～1300℃的焙烧温度范围内可烧制出陶粒轻集料，而在进一步的优选条件下可成功烧制密度等级为900～1200级的高强建筑陶粒，可用于制备陶粒混凝土或陶粒空心砌块，应用在道路、房屋墙体、工程建造等领域。

在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-19、52-11……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims

1.一种飞灰烧制的陶粒，其特征在于，所述陶粒的制备原料包括飞灰和污泥。

2.根据权利要求1所述的陶粒，其特征在于，所述飞灰包括粉煤灰和/或生活垃圾焚烧得到的飞灰；优选地，所述飞灰中可溶性Cl含量<30wt％，CaO含量为30～50wt％；

和/或，所述污泥为市政污泥，优选包括污水处理厂污泥、给水厂污泥、河道疏浚淤泥或排水管道污泥中的至少一种；优选地，所述污泥以干基质量比为基准，所述污泥中SiO₂含量>20wt％，Al₂O₃含量>10wt％，Fe₂O₃含量为0.1～20wt％；

和/或，所述污泥以干基质量比为基准，所述飞灰和污泥质量比为1:(4～10)。

3.根据权利要求1或2所述的陶粒，其特征在于，当干基污泥中的Fe₂O₃含量<10wt％时，所述陶粒制备原料还包括辅料，所述辅料为高铁物质，基于辅料以所述混合原料总量计，所述辅料量足以将Fe₂O₃的含量调整至10～20wt％；

所述高铁物质优选为钢铁厂污泥、铁粉、铁盐中的至少一种。

4.权利要求1-3任一项所述的陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将飞灰、污泥和任选的辅料加水搅拌，得到混合泥浆；

S2：将所述混合泥浆进行水热处理，得到共水热处理产物；

S7：将所述生料球烘干、焙烧、冷却，得到陶粒产品。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述污泥以干基质量比为基准，所述飞灰和污泥质量比为1:(4～10)；和/或

以干基质量为基准，所述混合泥浆的主要成分含量如下：SiO₂：20～60wt％，Al₂O₃：10～25wt％，Fe₂O₃：10～20wt％；

和/或，所述得到的混合泥浆中液固质量比不低于4:1。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述水热处理温度为180～240℃，水热处理时间为30～60min。

7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述共水热固相粉末的可溶性氯含量可由式1和2进行计算：

式1和2中，x、y分别代表污泥与飞灰原料的干基质量比值；

c_S和c_A分别为污泥和飞灰中可溶性氯的含量，单位：wt％；

L/S为液固比；

m_r为污泥和飞灰共混原料的干质量，单位：kg；

c_l为水热固相可溶性氯含量，单位：wt％；

ω_cake为共水热泥饼的含水率，单位：wt％。

8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述共水热固相粉末的粒径为100～200目。

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述惰性氛围为氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气或真空中的任意一种；和/或

所述热解处理温度为700～800℃，热解处理时间为50～60min；和/或

所述得到的热解残渣中可溶性氯含量<2wt％；和/或

10.根据权利要求4-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述加水调湿并造粒中，水与热解残渣质量比为(1.2～1.5):1；和/或

所述生料球的粒径为5～8mm。

11.根据权利要求4-10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述烘干为低温烘干，烘干温度为80～110℃；和/或

所述焙烧温度为1100～1300℃，优选为1150～1250℃；焙烧时间为5～30min，优选为10～20min。

12.权利要求1-3任一项所述的陶粒或权利要求4-11任一项所述的制备方法制得的陶粒在建筑材料领域中的应用。