綜合利用廢棄混凝土和污泥制生態(tài)熟料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種綜合利用廢棄混凝土和污泥制生態(tài)熟料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，我國(guó)廢棄混凝土日均產(chǎn)量已逾百萬(wàn)噸，且以每年8%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到6.5?7.0億噸。這些廢棄混凝土如果不能得到良好的利用，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且也是資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)還將進(jìn)一步加劇建材行業(yè)的生產(chǎn)負(fù)擔(dān)。我國(guó)水泥產(chǎn)量居世界首位，2014年水泥產(chǎn)能近28億噸；與此同時(shí)，水泥生產(chǎn)所需的石灰石、黏土等原材料卻面臨資源匱乏的局面。利用廢棄混凝土制備再生水泥，通過(guò)水泥一混凝土材料的閉路循環(huán)，一方面可以直接減少整個(gè)混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的廢棄物，實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的高附加值再生利用；另一方面，能夠有效緩解水泥工業(yè)的生產(chǎn)壓力，減少對(duì)不可再生資源的消耗。
[0003]近年來(lái)，廢棄混凝土資源化利用國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究多集中于再生骨料，且以多級(jí)破碎、振動(dòng)分選方式為主，但是，受廢棄混凝土成分復(fù)雜性以及骨料與硬化砂漿分離技術(shù)的限制，我國(guó)現(xiàn)階段再生骨料生產(chǎn)成本較高而產(chǎn)品性能有限，直接影響其應(yīng)用。此外，再生骨料技術(shù)主要利用的是廢棄混凝土中的粗骨料，而成本更高的砂漿、尤其是水泥石部分沒(méi)有被有效利用。
[0004]在以廢棄混凝土為原料煅燒水泥方面，目前研究的技術(shù)途徑主要有二種。
[0005]—是，從廢棄混凝土中分離出粗骨料，利用廢棄混凝土中的粗骨料取代部分天然石灰石作為水泥鈣質(zhì)原料。申請(qǐng)?zhí)枮?01110307407.5的中國(guó)專利申請(qǐng)“用廢棄混凝土制備水泥熟料的方法”及2012年4月《土木建筑與環(huán)境工程》第34卷第2期“廢棄混凝土再生水泥熟料的配制與性能”介紹了重慶大學(xué)萬(wàn)朝均等在實(shí)驗(yàn)室將廢棄混凝土經(jīng)多次破碎、分離，去掉含砂較多的水泥石(< 5mm顆粒物)，獲得以石灰石為主的顆粒(粒徑5?20mm)，用以取代天然石灰石煅燒熟料。武漢理工大學(xué)萬(wàn)惠文等同樣以實(shí)驗(yàn)室條件利用廢棄混凝土代替部分石灰石原料配料燒制水泥，實(shí)驗(yàn)室配料中石灰石取代率為60%時(shí)可煅燒出熟料。
[0006]二是，利用廢棄混凝土破碎后分離出的微粉、含砂硬化水泥石或者砂漿部分作為水泥生料組分。
[0007]廢棄混凝土經(jīng)破碎、分選制備再生骨料過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)小微粒，主要成分為水泥石。有研究者將廢棄混凝土破碎，經(jīng)低溫?zé)崽幚?、多次磨碎、分次篩分后的微粉(即完全去掉結(jié)晶硅的水泥石微粉)煅燒水泥。捷克研究人員用回收的混凝土微粉(水泥石組分)作為波特蘭水泥生料組分，摻人富鈣石灰石、鐵質(zhì)校正原料以及CaF2，于實(shí)驗(yàn)室在1430°C煅燒熟料。申請(qǐng)?zhí)枮?01210492158.6的中國(guó)專利申請(qǐng)“廢棄混凝土微粉活化方法”介紹了浙江大學(xué)孫家瑛等用廢棄混凝土微粉(即分離出的水泥石組分)與粉狀硅酸鈉混合后加熱(250°C?350°C) 1-2小時(shí)，冷卻后再加脫硫石膏和熟石灰、硫鋁酸鹽、硅酸鹽水泥熟料、三乙醇胺外加劑一起粉磨至大于450m2/kg的粉料。
[0008]經(jīng)破碎的廢棄混凝土中，水泥石與砂緊密黏接、不易分離，有研究者利用這種含砂的硬化水泥石、或直接利用廢砂漿為原料煅燒水泥。如山東大學(xué)陶珍東等采用熱處理或者三乙醇胺(TEA)處理，并結(jié)合機(jī)械粉碎，將廢棄混凝土中的基質(zhì)膠凝組分(即純粹的不含結(jié)晶砂的水泥石組分)分離出來(lái)作為水泥原料，于實(shí)驗(yàn)室條件下?lián)搅?0%時(shí)，熟料強(qiáng)度與常規(guī)生料煅燒的熟料相差不大。同濟(jì)大學(xué)王培銘等利用廢棄混凝土中分離出的廢砂漿為部分粘土原料的替代原料，于實(shí)驗(yàn)室分別按照高C3S、高C2S和普通硅酸鹽水泥3種典型配料煅燒熟料。
[0009]但是，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)顯示，以分離后的含砂廢棄混凝土膠凝組分為原料煅燒水泥熟料，存在一個(gè)最關(guān)鍵性的技術(shù)難題-結(jié)晶態(tài)3102的活化。砂的主要礦物成分為石英，在水泥煅燒時(shí)不易解聚出[S14]4一(反應(yīng)活性體)與CaO結(jié)合形成(^，進(jìn)而影響生料易燒性；另外，由于硬度大、難磨，砂中S1^aB體的顆粒較粗，對(duì)熟料中硅酸鹽礦物(C2S、C3S)的組成和晶型晶貌有不利影響。萬(wàn)惠文等的研究表明:隨著廢棄混凝土取代石灰石比例的上升，熟料中f-CaO含量增加、熟料質(zhì)量下降；陶珍東等的研究配制的生料易燒性較差，且隨著摻量增加，生料易燒性更差，熟料強(qiáng)度降低；王曉波利用以廢棄混凝土和廢磚為主的建筑垃圾為原料煅燒熟料，隨廢棄混凝土建筑垃圾摻量增加，熟料抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。
[0010]目前，利用廢棄混凝土制備水泥的方法需要對(duì)原料進(jìn)行破碎、篩分，將組分分離，不僅使廢棄混凝土材料利用率偏低，而且增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和能耗。而廢棄混凝土中含有石灰石(粗骨料)和硅質(zhì)原料(砂)，硬化水泥石高溫下脫水形成的氧化物成分與水泥生料基本相同，理論上完全可以利用廢棄混凝土中所有組分作為原料制備再生水泥。這種方式突出的優(yōu)點(diǎn)是:廢棄混凝土無(wú)需分離處理，可以降低再生水泥成本，實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的完全資源化利用；對(duì)原料加工要求精度低，適于大批量生產(chǎn)；廢棄混凝土中的硬化水泥石、未水化水泥顆粒以及雜質(zhì)離子可以促進(jìn)熟料燒成，降低燒成能耗。但是，當(dāng)前尚沒(méi)有方法可以解決廢棄混凝土原料顯著區(qū)別于普通水泥生料的特點(diǎn)，即國(guó)內(nèi)外至今尚沒(méi)有可行的方法可解決-存在硬化水泥石和由砂提供結(jié)晶度高的S1jt為硅質(zhì)原料，及解決結(jié)晶態(tài)S12的反應(yīng)活性，以降低熟料燒成能耗、提高熟料質(zhì)量的技術(shù)問(wèn)題。
[0011]另一方面，隨著城市化的進(jìn)程演化，城市的污水處理率逐年提高，城市污泥量亦急驟增加。當(dāng)前，我國(guó)污水排放量已超過(guò)SXlO1V3/ d，按每一萬(wàn)HI3污水5噸含水率80%的濕泥估算，若污水全部處理，日產(chǎn)污泥量超過(guò)250萬(wàn)噸，年產(chǎn)污泥量超過(guò)9億噸。然而，由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的原因，一方面，已建3000多座污水處理廠產(chǎn)生的原生污泥(含水率約99%)已超過(guò)3000萬(wàn)噸，且原生污泥經(jīng)進(jìn)一步常規(guī)機(jī)械裝置脫水處理后含水率僅可降至80%左右，另一方面，污泥尚無(wú)穩(wěn)定而合理的出路，總的狀況還是以填埋、堆放、傾倒為主。目前，污泥的主要處理方法有海洋與涵洞陰溝傾倒、衛(wèi)生填埋、污泥堆肥、污泥烘干焚燒等。因傾倒、填埋、堆肥、焚燒等傳統(tǒng)的污泥處理方式基于其自身的不足與缺陷，促使污水廠污泥處理成為了解決城市環(huán)境問(wèn)題的熱點(diǎn)，而處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)污泥的資源化又成為了探索污泥徹底根治的最有效途徑之一。污泥中含有水泥生產(chǎn)所需的硅、鋁、鐵、鈣化學(xué)元素及磷、硫、堿、重金屬元素等，利用污泥作為水泥生產(chǎn)過(guò)程中部分原料或利用污泥替代水泥生產(chǎn)中的部分用煤在囯內(nèi)外成為眾多學(xué)者和一線科技工作者的研究課題。就國(guó)外而言，由于污水廠污泥處理主要是進(jìn)行脫水烘干、焚燒，其污泥用于水泥的研究集中在摻入污泥焚燒后的灰渣以生產(chǎn)所謂的生態(tài)水泥。對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，污泥進(jìn)行烘干、焚燒目前很困難，因?yàn)槲勰啾旧淼男跄z態(tài)狀保水結(jié)構(gòu)保水性極好，脫水、烘干成本極高，且就污泥而言，由于其本身成分非常復(fù)雜，且污泥的膠狀保水性好脫水干燥極困難，氯堿硫等有害成分亦偏高或較高，將未經(jīng)改性的污泥直接替代部分燃煤或原料，既增加了企業(yè)煤耗、電耗，也提高了企業(yè)運(yùn)行成本，甚至影響生產(chǎn)中窯況運(yùn)行，乃至影響水泥性能，所以，既便當(dāng)前各地政府財(cái)政補(bǔ)貼企業(yè)每處理一噸污泥200元左右或更高補(bǔ)貼，仍鮮有水泥企業(yè)真正愿意處理污泥。
[0012]現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，盡管都了解廢棄混凝土及污泥含有水泥熟料生產(chǎn)所需的硅、鋁、鐵、鈣等化學(xué)成分，都認(rèn)為可以作為水泥熟料生產(chǎn)的原料，但至今，在有效利用廢棄混凝土生產(chǎn)水泥熟料方面仍然沒(méi)有切實(shí)可行的方法，在綜合利用廢棄混凝土和污泥生產(chǎn)熟料方面尚未見(jiàn)有任何實(shí)踐或理論分析報(bào)道，更未見(jiàn)任