一种机械热压耦合烧结灰渣的方法
阅读说明：本技术 一种机械热压耦合烧结灰渣的方法 (Method for sintering ash through mechanical hot-pressing coupling ) 是由 李爱民 王雪雪 张雷 姬国钊 高原 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种机械热压耦合烧结灰渣的方法,属于固体废弃物处理领域。方式一：首先将灰渣加热至目标烧结温度,然后在维持目标烧结温度条件下,对灰渣施加一定机械压力烧结；烧结的目标温度为300～700℃,机械加压不超过100MPa,烧结时间与机械加压时间总和控制在0.2～2h之间；方式二：在目标温度下对灰渣进行烧结过程中同时施加机械压力,烧结的目标温度为300～700℃,机械加压不超过100MPa,时间为0.2～2h。采用本方法既可以减少灰渣在高温烧结过程中重金属等污染物挥发造成的二次污染,同时大幅降低了灰渣的烧结温度,减少能量消耗,具有经济与环境双重效益。(The invention provides a method for sintering ash through mechanical hot-pressing coupling, and belongs to the field of solid waste treatment. The first method is as follows: firstly, heating ash to a target sintering temperature, and then applying a certain mechanical pressure to the ash for sintering under the condition of maintaining the target sintering temperature; the sintering target temperature is 300-700 ℃, the mechanical pressurization is not more than 100MPa, and the total time of the sintering time and the mechanical pressurization time is controlled to be 0.2-2 h; the second method comprises the following steps: and simultaneously applying mechanical pressure to the ash slag in the sintering process at a target temperature, wherein the target sintering temperature is 300-700 ℃, the mechanical pressure is not more than 100MPa, and the time is 0.2-2 h. The method can reduce secondary pollution caused by volatilization of heavy metal and other pollutants in the high-temperature sintering process of the ash slag, greatly reduce the sintering temperature of the ash slag, reduce energy consumption and have economic and environmental benefits.)
技术领域
本发明涉及环境工程中灰渣这一大宗固体废物处理领域，具体涉及一种机械热压耦合烧结灰渣的方法。
背景技术
灰渣主要生活和工业生产过程中产生的无机固体废物，包括粉煤灰、垃圾焚烧底灰和飞灰、污泥灰、油页岩灰渣、建筑垃圾和矿渣等，通常含有可浸出性重金属等污染物，目前广泛存在于环境中，占用土地资源，引发环境污染等问题，会对环境及人体健康造成很大的危害，需要经济有效的处理。
目前，灰渣常用的处理方法有以下三种：物理稳定化/固化，化学螯合法和热处理方法。物理稳定化/固化是通过添加水泥等粘结剂与灰渣进行一系列的复杂的物理化学反应，将灰渣中的重金属等污染物固定于C-S-H等粘结剂结构中。但是加入粘结剂的添加使得灰渣处理的增容比为1.5-2之间，导致处理量急剧增加，且稳定效果随着时间延长而降低。化学螯合法是螯合剂与重金属等污染物进行反应，生成不溶于水的金属螯合物使得重金属等无法浸出，成本较高且稳定效率偏低。热处理方法主要有烧结与熔融两种，但是处理温度都较高于1000℃，高温处理过程中，灰渣中重金属等污染物会挥发到大气中，形成二次污染，对环境造成危害。
以上方法存在能耗较高，产品附加值较低的弊端。且灰渣在传统烧结技术处理条件下，烧结温度一般高于1000℃，能耗较高，且容易造成二次污染。本专利结合烧结知识，在灰渣热处理过程中施加一定的机械压力，通过机械压力将有利于增大灰渣颗粒间的接触面积，缩短了质点间的迁移距离，实现灰渣的低温烧结在机械热压耦合烧结过程中，强化了低温条件下重金属等污染物的扩散传质性能，实现了重金属等污染物的低温稳定化。
本专利通过机械热压耦合低温烧结实现灰渣处理与利用，既降低了热处理温度，降低处理的能耗，同时实现了重金属等污染物的稳定，具有经济与环境双重效益。
发明内容
本发明提供一种机械热压耦合烧结方法，针对目前灰渣处理难度大及处理温度较高的问题，通过在热处理过程中施加机械压力，调整压力与温度，实现极大程度的密实化以降低烧结温度，降低处理成本，同时提高产品的机械强度。
本发明的技术方案：
一种机械热压耦合烧结灰渣的方法，具体过程为：
方式一：首先将灰渣加热至目标烧结温度，然后在维持目标烧结温度条件下，对灰渣施加一定机械压力烧结；烧结的目标温度为300～700℃，机械加压不超过100MPa，烧结时间与机械加压时间总和控制在0.2～2h之间；
方式二：在目标温度下对灰渣进行烧结过程中同时施加机械压力，烧结的目标温度为300～700℃，机械加压不超过100MPa，时间为0.2～2h。
进一步地，灰渣的机械热压耦合烧结是通过热压耦合烧结装置实现的，热压耦合烧结装置包括上部冲头、下部冲头，分别设置在上部冲头、下部冲头上的压力传感器，位于上部冲头、下部冲头之间的加热装置，计算机控制系统，位于加热装置中的模具，以及模具中的热电偶；使用时，灰渣样品置于模具中。
本发明的有益效果：
(1)通过热压耦合低温烧结的方法对飞灰进行处理，增加机械压力可以增加灰渣颗粒的总能，改变分子的热运动，与普通的无压烧结相比，可以降低飞灰烧结温度，降低能量消耗。
(2)烧结后得到的产品机械强度较高，在400℃下其抗压强度可以达到201.7MPa，且经重金属浸出性测试，符合相关规定的要求。
(3)与无压烧结处理相比，热压耦合低温烧结方法处理温度降低，灰渣中重金属等污染物不会挥发到大气中，减少二次污染的产生。
附图说明
图1原始灰渣的SEM图；
图2烧结温度500度，机械压力50MPa处理后的产物微观结构图。
图3从原始飞灰经过热压耦合烧结过程到烧结产物的过程示意图。
图4为本发明热压耦合烧结装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种机械热压耦合烧结灰渣的方法，该方法具体实施过程为灰渣在烧结过程中施加一定机械压力，实现飞灰的低温烧结过程。
加压作用，在灰渣在烧结过程中施加一定机械压力，将有利于增大灰渣颗粒间的接触面积，缩短了质点间的迁移距离，有利于进行充分的物质交换，实现灰渣的低温烧结。
加热作用，对飞灰进行施加压力后，灰渣分子间的物质交换过程得到强化，与此同时进行加热处理，可以加快分子的热运动，使得灰渣分子间的化学反应速率加快。随着施加温度与压力的增加，在机械热压耦合烧结过程中，强化了低温条件下重金属等污染物的扩散传质性能，实现了重金属等污染物的低温稳定化。
灰渣颗粒经过热压耦合低温烧结处理之后，分子间的距离减小，接触面积逐渐增大，颗粒间经过重排之后空隙逐渐减小，密实化过程得以实现，完成灰渣的低温烧结过程。
热压耦合低温烧结处理焚烧飞灰的方法不仅仅适用于灰渣，同样适用于粉末状固体的无害化处理，这也应在本专利要求保护的范围内。
实施例1：将飞灰放置于105℃烘箱中烘至恒重，为确保后续实验中飞灰粒径均匀，本实验采用100目筛子对飞灰进行筛分处理后，放入自封袋中备用。称取筛分后的飞灰5.0g，放入热压耦合烧结装置的模具中(直径20mm)。进行实验时，首先设定好目标压力10MPa，通过计算机控制压力传感器上部的冲头，冲头在计算机的控制下以1mm/min的速度下降，对反应室施加压力，当达到目标压力时保持设定的压力，并开始以10℃/min的升温速率升温至目标温度400℃，在目标温度下将压力继续维持1h后停止加热，通过计算机控制压力传感器释放压力。样品在室温下进行自然冷却以进行后续分析。制得的烧结产物抗压强度为13.7MPa，密度为1.33g/cm3，是原始飞灰的2.2倍。且原始飞灰中重金属Pb、Zn和Cr的浸出浓度分别为185mg/L、51.2mg/L和18.0mg/L，经过热压耦合烧结处理后产物中重金属的浸出浓度分别为Pb的126mg/L、Zn的43.4mg/L和Cr的12.8mg/L，因此热压耦合烧结处理可使飞灰中重金属浸出浓度显著降低。
实施例2：将飞灰放置于105℃烘箱中烘至恒重，为确保后续实验中飞灰粒径均匀，本实验采用100目筛子对飞灰进行筛分处理后，放入自封袋中备用。称取筛分后的飞灰5.0g，放入热压耦合烧结装置的模具中(直径20mm)。进行实验时，首先设定好目标压力50MPa，通过计算机控制压力传感器上部的冲头，冲头在计算机的控制下以1mm/min的速度下降，对反应室施加压力，当达到目标压力时保持设定的压力，并开始以10℃/min的升温速率升温至目标温度400℃，在目标温度下将压力继续维持1h后停止加热，通过计算机控制压力传感器释放压力。样品在室温下进行自然冷却以进行后续分析。制得的烧结产物抗压强度为76.1MPa，密度为1.88g/cm3，是原始飞灰的3.1倍。且原始飞灰中重金属Pb、Zn和Cr的浸出浓度分别为185mg/L、51.2mg/L和18.0mg/L，经过热压耦合烧结处理后产物中重金属的浸出浓度分别为Pb的88.9mg/L、Zn的17.4mg/L和Cr的5.88mg/L，因此热压耦合烧结处理可使飞灰中重金属浸出浓度显著降低。
实施例3：将飞灰放置于105℃烘箱中烘至恒重，为确保后续实验中飞灰粒径均匀，本实验采用100目筛子对飞灰进行筛分处理后，放入自封袋中备用。称取筛分后的飞灰5.0g，放入热压耦合烧结装置的模具中(直径20mm)。进行实验时，首先设定好目标压力100MPa，通过计算机控制压力传感器上部的冲头，冲头在计算机的控制下以1mm/min的速度下降，对反应室施加压力，当达到目标压力时保持设定的压力，并开始以10℃/min的升温速率升温至目标温度500℃，在目标温度下将压力继续维持1h后停止加热，通过计算机控制压力传感器释放压力。样品在室温下进行自然冷却以进行后续分析。制得的烧结产物抗压强度为218MPa，密度为2.26g/cm3，是原始飞灰的3.7倍。且原始飞灰中重金属Pb、Zn和Cr的浸出浓度分别为185mg/L、51.2mg/L和18.0mg/L，经过热压耦合烧结处理后产物中重金属的浸出浓度分别为Pb的4.19mg/L、Zn的0.35mg/L和Cr的未检出，因此热压耦合烧结处理可使飞灰中重金属浸出浓度显著降低。
实施例4：将飞灰放置于105℃烘箱中烘至恒重，为确保后续实验中飞灰粒径均匀，本实验采用100目筛子对飞灰进行筛分处理后，放入自封袋中备用。称取筛分后的飞灰5.0g，放入热压耦合烧结装置的模具中(直径20mm)。进行实验时，首先以10℃/min的升温速率将样品升温至目标温度400℃，在目标温度下维持1h后停止加热，随后设定目标压力100MPa，通过计算机控制压力传感器上部的冲头，冲头在计算机的控制下以1mm/min的速度下降，对反应室施加压力，达到目标压力后保持设定的压力1h，通过计算机控制压力传感器释放压力，样品在室温下进行自然冷却以进行后续分析。制得的烧结产物抗压强度为201.7MPa，密度为2.24g/cm3，是原始飞灰的3.7倍。且原始飞灰中重金属Pb、Zn和Cr的浸出浓度分别为185mg/L、51.2mg/L和18.0mg/L，经过热压耦合烧结处理后产物中重金属的浸出浓度分别为Pb的40.1mg/L、Zn的2.37mg/L和Cr的0.11mg/L，因此热压耦合烧结处理可使飞灰中重金属浸出浓度显著降低。
本发明利用热压耦合烧结在低温下处理飞灰，探究了烧结压力、烧结温度和烧结时间对飞灰在热压耦合烧结过程中抗压强度、密度和重金属浸出浓度的影响，分析了飞灰在热压耦合烧结过程中的物相转化、烧结动力学和传质机理。
具体结论如下：
(1)通过比较不同方法处理飞灰产物的性能，验证了热压耦合烧结处理飞灰的可行性。结果表明，热压耦合烧结处理过程可有效地提高抗压强度和密度，当机械压力从10MPa增加到100MPa时，烧结产物的抗压强度逐渐从13.7MPa增加到201.7MPa，远高于施加的机械压力，表明温度与机械压力具有协同作用。
(2)烧结温度、机械压力和烧结时间对烧结产物的抗压强度有很大的影响。随着烧结温度升高，飞灰中颗粒的振动加快，并在机械压力的作用下进行重排，使得颗粒间的接触面积增大，提高了传质速率，使化学成分更有效地相互反应从而形成新的晶体相，进而提高烧结产物的抗压强度。
(3)烧结动力学结果表明，随着温度的升高，飞灰热压耦合烧结传质机理从300℃和400℃温度下的表面扩散逐渐转化为500℃温度下的晶界扩散。另外，机械压力对传质过程的影响主要分为两方面，一方面，机械压力使飞灰颗粒之间距离缩短，使得颗粒间接触由常规烧结过程中的点接触变为热压耦合烧结过程中的面接触。另一方面，在热压耦合烧结过程中，施加的机械压力可提供额外的驱动力。通过在灰渣的处理过程中施加一定的机械压力，便于飞灰颗粒表面的充分接触，飞灰颗粒间的接触面积增大，其表面自由能会降低，有利于促进飞灰分子的物质交换，从而降低后续飞灰烧结处理的温度。
本发明包括但不限于本实施例，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以采用其他方式做出替换，这些替换也应视为本发明的保护范围。