阅读说明：本技术 一种轻质粉煤灰陶粒及其制备方法 (Light fly ash ceramsite and preparation method thereof ) 是由 易龙生 刘森 刘涛 许元洪 赵伟 赵立华 于 2018-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于固废再利用技术领域,具体公开了一种轻质粉煤灰陶粒的制备方法,将包含粉煤灰、高岭土、硅藻土和膨胀珍珠岩混合原料造球,将得到的生球在1210～1230℃下焙烧,制得所述的轻质粉煤灰陶粒；粉煤灰∶高岭土∶硅藻土的重量比为75～85∶12～18∶4～6；所述的膨胀珍珠岩为粉煤灰、高岭土、硅藻土重量之和的7～12wt％。本发明发现,利用所述重量百分比的各成分的协同性,进一步配合于所述的焙烧温度的控制,可以解决高比例粉煤灰所致的陶粒堆积密度大,无法符合超轻陶粒质量要求的技术问题,可以出人意料显著降低制得的陶粒的堆积密度,使其堆积密度优于《轻集料试验方法GB/T17431.2-2010》的相关规定。(The invention belongs to the technical field of solid waste recycling, and particularly discloses a preparation method of light fly ash ceramsite, which comprises the steps of pelletizing a mixed raw material containing fly ash, kaolin, diatomite and expanded perlite, and roasting the obtained green pellets at 1210-1230 ℃ to prepare the light fly ash ceramsite; the weight ratio of the fly ash to the kaolin to the diatomite is 75-85: 12-18: 4-6; the expanded perlite accounts for 7-12 wt% of the total weight of the fly ash, the kaolin and the diatomite. The invention discovers that the synergistic effect of the components in percentage by weight is utilized, and the synergistic effect is further matched with the control of the roasting temperature, so that the technical problems that the bulk density of the ceramsite caused by high proportion of fly ash is large and cannot meet the quality requirement of ultra-light ceramsite can be solved, and the bulk density of the prepared ceramsite can be unexpectedly and remarkably reduced, so that the bulk density of the ceramsite is superior to the relevant regulations of the lightweight aggregate test method GB/T17431.2-2010.)

一种轻质粉煤灰陶粒及其制备方法

技术领域

本发明属于固体废料处理技术领域，具体公开了一种利用粉煤灰制备轻质陶粒的方法。

背景技术

粉煤灰是燃煤火力发电厂产生的主要固体废弃物。根据粉煤灰中氧化钙的含量不同，可分为低钙灰和高钙灰在“十三五”节能减排综合工作方案中提出，到2020年，工业固体废弃物综合利用率达到73％以上。而《2016年度粉煤灰行业发展报告》中指出，未来一段时间内，我国火力发电的主体地位不会改变，结合中国电力联合会的预测，未来五年我国粉煤灰的产生量预计在5.6-6.1亿吨/年。如何将大量的粉煤灰进行合理的利用，仍是目前阶段急需处理的问题。

陶粒是较为新型的轻集料建筑材料，它是主要利用粘土，配合泥质岩石或工业固废等其他辅料，外掺粘结剂、膨胀剂或激发剂等其他少量调节剂，之后通过造粒过程再经焙烧或者养护过程制备的一种人造轻集料。随着环保力度的加大，传统黏土陶粒、页岩陶粒的生产正在逐步受到限制。行业企业顺应时代发展需求，落实国家绿色环保发展的理念，不断寻求技术创新，利用市政和工业污泥、建筑废弃土、粉煤灰、尾矿、煤矸石等固体废弃物作为主要原材料来生产轻骨料制品。

利用粉煤灰制备超轻陶粒是粉煤灰大宗消纳的一个可行途径，然而，目前利用固废生产陶粒多采用烧结法生产，李亮^[1]等人利用粉煤灰、石灰石、粘土为原料，煅烧温度增加到1200℃时，粉煤灰陶粒的筒压强度增加到6.3MPa，体积密度增加到1.6g/cm3。尹国勋^[2]等人采用赤泥为主要原料，辅以粉煤灰、煤矸石等其他物料，添加少量的外加剂，烧结温度为1125～1150℃，保温时间为20min，所制陶粒密度等级为600级，颗粒抗压力410N，筒压强度相当于5.5MPa，吸水率20％。罗健^[3]等人以高钛矿渣为主要原料，采用碱激发技术制备碱激发钛矿渣(AATS)和钛矿渣免烧轻质陶粒，以铝粉和双氧水为引气剂，采用圆盘造粒，可制得700、800和900密度等级的陶粒。

现有利用粉煤灰制备陶粒时，粉煤灰用量低(低于原料的20％)，粉煤灰的消纳能力差，此外，还存在焙烧温度高，时间长，能耗高，制得的陶粒的堆积密度大，达到超轻级要求等技术不足。

参考文献如下：

[1]李亮.粉煤灰陶粒制备试验研究[J].硅酸盐通报，2017，36(5)：1577-1581.

[2]尹国勋，邢明飞，余功耀.利用赤泥等工业固体废物制备陶粒[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2008，27(4)：491-496.

[3]罗健.钛矿渣免烧轻质陶粒的制备及其性能研究[D].西南科技大学，2017.

发明内容

为解决现有陶粒原料粉煤灰用量低、制得的陶粒堆积密度大的技术缺点，本发明提供一种轻质粉煤灰陶粒的制备方法，旨在提供一种不仅可显著提升粉煤灰的消纳能力，又可以显著降低堆积密度的超轻陶粒制备方法。

粉煤灰为一种固废，利用粉煤灰制备陶粒是粉煤灰大宗消纳的一个途径，然而，现有制备陶粒的原料中，粉煤灰的使用量少，现有报道最高仅达到原料的20％，难于满足粉煤灰的高效消纳目的。现有技术中之所以控制粉煤灰的用量，主要原因在于行业内技术人员普遍认知粉煤灰用量的增加会导致陶粒堆积密度的提升。为了提升粉煤灰这一固废的消纳能力，本发明旨在克服行业内技术偏见，尝试利用粉煤灰作为主料来制备超轻陶粒，确实，粉煤灰用量的提升会严重影响陶粒的堆积密度。此外，在制备超轻陶粒的过程中，降低堆积密度仅仅是成功制备的一个方面；另一方面，超轻陶粒制备过程容易造成气体逸出，容易导致陶粒破裂，因此还需要重点控制超轻陶粒的结构稳定性，避免超轻陶粒破损。

通过深入研究，本发明人终于研究发现，在高的粉煤灰用量下，通过配合合适比例的高岭土、硅藻土和膨胀珍珠岩以及协同配合物料的比例以及焙烧温度的严格控制，解决行业内急需解决的因粉煤灰用料大而导致的陶粒性能差、结构不稳定，容易破损等技术问题，显著改善制得的陶粒的各项性能，故提供以下技术方案：

一种轻质粉煤灰陶粒的制备方法，将包含粉煤灰、高岭土、硅藻土和膨胀珍珠岩混合原料造球，将得到的生球在1210～1230℃下焙烧，制得所述的轻质粉煤灰陶粒；

粉煤灰∶高岭土∶硅藻土的重量比为75～85∶12～18∶4～6；所述的膨胀珍珠岩为粉煤灰、高岭土、硅藻土重量之和的7～12wt％。

本发明发现，利用所述重量百分比的各成分的协同性，可以调整内部液相成分，进一步配合于所述的焙烧温度的控制，可以解决高比例粉煤灰所致的陶粒堆积密度大，无法符合超轻陶粒质量要求的技术问题，可以出人意料显著降低制得的陶粒的堆积密度，使其堆积密度优于《轻集料试验方法GB/T17431.2-2010》的相关规定，不仅如此，还显著提升得到的超轻陶粒的结构稳定性。

本发明创新地发现并利用所述的重量百分比的原料与焙烧温度的协同性，解决了陶粒制备领域急需解决的粉煤灰消纳能力差、人为提高粉煤灰用量又严重损害制得陶粒性能的技术问题；达到明显提升粉煤灰用量的前提下，还显著降低制得的陶粒的堆积密度。

本发明中，所述的成分以及比例下的膨胀珍珠岩作为膨胀剂，使超轻陶粒的膨胀作用，不再单一来源于内部还原气体的产生，同时膨胀珍珠岩在高温过程中，分子层间扩大，以及水分的蒸发对制备陶粒过程中产气作用具有积极作用，从而使所制备产品达到了更低的堆积密度，同时因为膨胀珍珠岩具有一定的硅铝成分，使得制备超轻陶粒的过程更为稳定，有利于生产。

作为优选，粉煤灰、高岭土、硅藻土的重量比为76～84∶12～18∶4～6。

进一步优选，粉煤灰、高岭土、硅藻土中，粉煤灰的重量百分数为76～84wt％；高岭土的重量百分数为12～18wt％，余量为硅藻土。研究发现，在该比例下，用于制备陶粒的粉煤灰含量高，通过所述的其他配比以及焙烧温度的控制，可以意外提升制得的陶粒的性能，进一步降低制得的陶粒的堆积密度，避免制得的超轻陶粒破损，提升得到的超轻陶粒的结构稳定性。

更进一步优选，粉煤灰、高岭土、硅藻土中，粉煤灰的重量百分数为79～81wt％；高岭土的重量百分数为14～16wt％，余量为硅藻土。

粉煤灰、高岭土、硅藻土中，粉煤灰的重量百分数为80wt％；高岭土的重量百分数为15wt％，硅藻土的重量百分数为5wt％。

所述的膨胀珍珠岩为粉煤灰、高岭土、硅藻土重量之和的8～10wt％。该优选比例下，可进一步降低堆积密度，制得400级超轻陶粒。

所述的膨胀珍珠岩为粉煤灰、高岭土、硅藻土重量之和的9wt％。研究发现，在该优选的范围下，制得的材料的堆积密度更低。

所述粉煤灰成分重量百分含量为：Al2O3：17～19％；SiO2：52～55％；Fe2O3：8～9％；CaO：10～12％；MgO：2～3％；余量为TiO2、Na2O、K2O、SO3以及不可避免的杂质成分。

所述高岭土成分重量百分含量为：Al2O3：33～35％；SiO2：39～41％；余量为CaO、MgO、K2O、TFe以及不可避免的杂质成分。

所述硅藻土成分重量百分含量为：Al2O3：4～6％；SiO2：86～90％；余量为CaO、MgO、K2O、TFe以及不可避免的杂质成分。

本发明中，预先将所述的原料进行造球处理，方法可参考现有方法，造球步骤为：将所述的原料和水混合后造粒、随后经干燥处理制得生球团。

造球处理得到的球团的直径例如为10-15mm。

焙烧的温度对所述的原料组分以及重量比例产生协同，有助于降低制得的陶粒的堆积密度。

作为优选，焙烧的温度为1215～1225℃。在所述的协同配合的原料下，再将焙烧温度控制在该优选范围下，有助于进一步降低制得的陶粒的堆积密度。

最优选，所述的焙烧温度为1220℃。在该温度下进行速热，可以获得堆积密度低至338.25kg/m3的超轻陶粒。

研究发现，在焙烧温度达到所述的范围后，再将所述的混合原料的生球放置在所述的温度氛围下，进行速热处理。如此有助于制得所述的超轻陶粒。

本发明所述的比例的组分以及所述的焙烧温度的协同，除可以改善制得的陶粒的堆积密度外，还可意外显著缩短焙烧处理时间。

作为优选，焙烧时间为10-12min。通过所述的混合原料以及焙烧温度的协同，可使本发明焙烧时间缩短至现有时间的10％；显著降低能源消耗。

本发明还提供了一种采用所述的制备方法制得的轻质粉煤灰陶粒，其堆积密度不高于400kg/m3。

有益效果

本发明方法，利用粉煤灰制备超轻陶粒，提出粉煤灰大宗消纳的另一可行途径，为高性能陶粒的制备提供了技术方案。本发明通过所述重量份的组分以及所述的焙烧温度的协同，可以意外降低得到的陶粒的堆积密度。

本发明方法，粉煤灰作为一种固体废弃物，作为原料，可以减少粉煤灰堆存问题，解决其土地占用问题，其二，可以减少粘土、页岩等原料的消耗，保护耕地，响应国家环保政策。大宗消纳粉煤灰制备超轻陶粒，更有利于挖掘粉煤灰的价值，具有很好的经济效益和环境效益。

本发明方法，严格控制所述的物料比例、焙烧温度可以制得400级超轻陶粒，得到的粉煤灰陶粒的堆积密度可低至338.25kg/m3，明显优于GB/T17431.2-2010。

本发明所述的超轻陶粒结构稳定，不仅具有更地的堆积密度，还具有良好的筒压强度。

附图说明

图1为本发明制备方法的流程示意图。

具体实施方式

具体制作步骤为：首先按设计好的比例准确称取一定量的粉煤灰、高岭土、硅藻土：膨胀珍珠岩原料于搅拌器中搅拌混合，搅拌过程中不断加入适量的水分，保证体系内物料混合均匀，含水量适宜成球，根利用造球机造粒，直径波动在10-15mm之间，再将成型的陶粒(球团)放入干燥箱，温度100℃，静置2h，得生陶粒，之后将干燥后的生陶粒放入马弗炉中，按照既定的焙烧制度焙烧后，自然冷却，待温度降至室温时，将焙烧后的陶粒测定其筒压强度等实验参数，其过程如流程图1所示。

按《轻集料试验方法GB/T17431.2-2010》中规定的进行筒压强度、堆积密度等性能参数测定。

所述粉煤灰原料性质如下，

高岭土

硅藻土

膨胀珍珠岩：工业级化学试剂。

实施例1

将80重量份的粉煤灰、15重量份的高岭土、5重量份的硅藻土和外掺9％(以粉煤灰、高岭土和硅藻土的重量之和为基准)的膨胀珍珠岩的原料搅拌混合，搅拌过程中不断加入适量的水分(液固质量比为1∶4)，保证体系内物料混合均匀，利用造球机造粒，控制生球的直径波动在10-15mm之间，再将成型的陶粒放入干燥箱，温度100℃，静置2h，得生陶粒。之后将干燥后的生陶粒放入马弗炉中，1220℃下焙烧10～12分钟，自然冷却，待温度降至室温时，随后根据GB/T17431.2-2010》中规定的进行筒压强度、堆积密度等性能。

所得产品堆积密度为338.25kg/m3，筒压强度为1.02MPa，筒压强度符合行业标准，堆积密度远小于行业标准(500kg/m3)。

实施例2

和实施例1相比，原料中的粉煤灰、高岭土、硅藻土的质量比为76∶18∶6，膨胀珍珠岩的使用量为以粉煤灰、高岭土和硅藻土的重量之和的10％。制得的陶粒的堆积密度352.24kg/m3，筒压强度为1.31MPa。

实施例3

和实施例1相比，原料中的粉煤灰、高岭土、硅藻土的质量比为84∶12∶4，膨胀珍珠岩的使用量为以粉煤灰、高岭土和硅藻土的重量之和的9％。制得的陶粒的堆积密度为343.13kg/m³，筒压强度为1.21MPa。

实施例4

和实施例1相比，区别在于，焙烧温度为1210℃。

制得的陶粒的堆积密度为378.83kg/m³，筒压强度为1.41MPa。

实施例5

和实施例1相比，区别在于，焙烧温度为1230℃。

制得的陶粒的堆积密度为368.93kg/m³，筒压强度为1.38MPa。

实施例6

和实施例1相比，区别在于，膨胀珍珠岩的使用量为以粉煤灰、高岭土和硅藻土的重量之和的12wt％。

制得的陶粒的堆积密度为392.83kg/m³，筒压强度为1.75MPa。效果不如实施例1，且用量多。

实施例7

和实施例1相比，区别在于，膨胀珍珠岩的使用量为以粉煤灰、高岭土和硅藻土的重量之和的7wt％。制得的陶粒的堆积密度为448.83kg/m³，筒压强度为2.31MPa。

对比例1

和实施例1相比，区别在于，不添加膨胀珍珠岩，具体操作如下：

将质量比为80∶15∶5的粉煤灰∶高岭土∶硅藻土的原料中搅拌混合，搅拌过程中不断加入适量的水分(液固比为1∶4)，保证体系内物料混合均匀，利用造球机造粒，控制生球的直径波动在10-15mm之间，再将成型的陶粒放入干燥箱，温度100℃，静置2h，得生陶粒。之后将干燥后的生陶粒放入马弗炉中，1220℃下焙烧10-12分钟，自然冷却，待温度降至室温时，随后根据GB/T17431.2-2010》中规定的进行筒压强度、堆积密度等性能。

所得产品堆积密度为734.02kg/m3，不合行业超轻陶粒标准。

对比例2

和实施例1相比，区别仅在于，采用Fe+C的混合物替换其中的膨胀珍珠岩。(总用量和膨胀珍珠岩相同)其中，碳铁比在0.183左右。

所得产品堆积密度为433.55kg/m3，堆积密度符合行业标准500级超轻陶粒(500kg/m3)，该对比例制得的超轻陶粒属于500级，而实施例为300～400，属于400级超轻陶粒。

对比例3

和实施例1相比，区别在于，焙烧温度为1200℃。

本对比例得到的陶粒的堆积密度为1022.14kg/m3。1200℃没有达到外表面软化的条件，不合行业超轻陶粒标准。

对比例4

和实施例1相比，区别在于，焙烧温度为1250℃。

所得产品堆积密度为756.16kg/m3，不合行业超轻陶粒标准。

对比例5

和实施例1相比，区别在于，焙烧时间分别为3min、5min、8min。

得到的超轻陶粒的测试结果如下所示：

对比例6

和实施例1相比，区别仅在于，未添加硅藻土，其他组分以及参数范围不变。制得的陶粒的堆积密度为563.55kg/m³，筒压强度为1.48MPa。

对比例7

和实施例1相比，区别仅在于，未添加高岭土，其他组分以及参数范围不变。7制得的陶粒的堆积密度为404.36kg/m³，筒压强度为0.32MPa。

对比例8

和实施例1相比，区别仅在于，100％的粉煤灰以及相对于粉煤灰重量9％的膨胀珍珠岩。无法成球，没法得到陶粒产品。

通过上述实施例以及对比例研究发现，超轻陶粒制备过程对制备条件，成分组成、焙烧制度等要求十分严格，条件不严格符合制备条件很容易造成气体逸出，或者陶粒破裂等情况。超轻陶粒的制备首要条件是外表面有合适的液相条件，在此基础上，内部气体产生才可使得陶粒产生均匀膨胀变大的过程。目前制备超轻陶粒的主要问题是很难控制前两个因素的平衡。通过将粉煤灰∶高岭土∶硅藻土的重量比控制在75～85∶12～18∶4～6；所述的膨胀珍珠岩外掺量控制在7～12wt％，再配合所述的焙烧温度以及焙烧时间的精准控制，可以出人意料地获得400级超轻陶粒。