烧成制度对焚烧飞灰—渣土陶粒强度影响_郑懿婧.pdf

低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.015烧成制度对焚烧飞灰渣土陶粒强度影响ON THE STRENGTH OF MUCK CERAMSITE MIXED WITH FLY ASH FROM MUNICIPAL SOLID WASTEINCINERATION WITH DIFFERENT SINTERING SCHEMES郑懿婧，杨舜，段志鹏，杨余迪，王泽钰，耿健（浙大宁波理工学院，土木建筑工程学院，浙江 宁波 315100）ZHENG Yijing,YANG Shun,DUAN Zhipeng,YANG Yudi,WANG Zeyu,GENG Jian（School of Civil Architecture and Architectural Engineering,Ningbo Technology University,Zhejiang Ningbo 315100,China）【摘要】为降低环境污染并对生活垃圾焚烧飞灰进行资源化利用，文中以生活垃圾焚烧飞灰、渣土为主要原料，粉煤灰为校正组分，制备出一种生活垃圾焚烧飞灰渣土陶粒。采用单因素试验方法研究预热温度、预热时间、焙烧温度、焙烧时间4个因素对陶粒强度的影响,采用正交试验进一步探究最适条件。结果表明在原材料配合比为生活垃圾焚烧飞灰40%、渣土30%、粉煤灰30%，预热温度500、预热时间25min、焙烧温度1140、焙烧时间10min时，制得陶粒强度性能最好，为后续对陶粒的进一步研究提供参考。【关键词】生活垃圾焚烧飞灰；渣土陶粒；单颗粒强度【中图分类号】TU521【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0066-04Abstract：To reduce environmental pollution and recycle municipal solid waste incineration(MSWI)fly ash,a composite material consisting of the ash and muck ceramsite was prepared.The effect of preheating temperature,preheating time,calcination temperature,and calcination time on the strength of the material is studied by single factor experiment,then orthogonal tests are used to further explore the optimum conditions.The results show that the strengthof material is the highest as the mix ratio of raw materials is 40%MSWI fly ash,30%muck,and 30%coal ash,andthe sintering scheme is 500 preheating temperature,25 min preheating time,1140 calcination temperature,and10 min calcination time,providing the reference for further research on the material.Key words：MSWI fly ash;muck ceramsite;single particle strength0引言建筑渣土是施工过程中所产生的废弃物。近年来由于我国城市化进程加速，施工过程中产生大量建筑渣土，渣土可用来回填路基或制备砖块，但渣土资源化利用率较低，目前主要以堆存处理为主。同时，随着我国人民生活水平的提高，生活垃圾数量急剧增加。2019年我国生活垃圾产量已达到1.79亿t1。为此国内兴建大批生活垃圾处理厂。但在垃圾焚烧过程中，其本身含有的重金属和有毒有害物质会富集在生活垃圾焚烧飞灰中。这些重金属容易浸出，对地下水、土壤、空气都容易造成二次污染2。目前，国内外对生活垃圾焚烧飞灰的处理方法主要为熔融固化法、化学药剂稳定法、水泥固化法和烧结固化法。前3种方法均具有一定缺陷。高温熔融固化技术存在投资大和能耗高的缺点3；化学药剂稳定法工艺复杂且易产生二次污染4；水泥固化法虽工艺简单但设备投资大、运行成本高5。烧结固化法是指在高温下，利用颗粒间的表面能量的不同，使其形成具有一定强度的整体，从而固定有毒有害物质。因此对生活垃圾焚烧飞灰进行烧结处理是对其进行资源化利用的有效途径。我国学者在生活垃圾焚烧飞灰资源化利用方面进行了相应的研究，利用渣土等原材料，通过高温焙烧制成陶粒，可以有效固定生活垃圾焚烧飞灰中的有害物质，且具有较高强度。魏娜等6研究发现，污泥陶粒的强度随焙烧温度的增加而增加。吴玉杰等7研究中发现飞灰陶粒在1100之后，随着温度升高，料球内部液相增加，填充至疏松结构中形成骨架，使得陶粒强度增大。从文献上看，不同的烧成制度对陶粒的强度等性能有所影响，但国内外还未有以渣土与飞灰为主要原材料的陶粒研究，未探究烧成制度对生活垃圾焚烧飞灰-渣土陶粒的影响，因此鉴于对建筑渣土和生活垃圾焚烧飞灰再利用的协同处置的迫切需要，将生活垃圾焚烧飞灰制作成轻质、多孔的陶粒，可大量消耗生活垃圾焚烧飞灰与渣土，达到固废利用，绿基金项目 国家级大学生创新创业训练计划（202113022029）66色环保的作用。试验开展了针对生活垃圾焚烧飞灰渣土陶粒的烧成制度对其强度的影响的研究。1原材料及试验方法1.1原材料及其配合比设计生活垃圾焚烧飞灰：来自浙江省宁波市某固废处理有限公司。建筑渣土：取自于浙江省宁波市鄞州区轨道地铁交通施工现场。粉煤灰：II级粉煤灰。经过初步试烧，基于陶粒成品率和强度测试，文中所确定的配合比见表1所示，配合比可保证陶粒较好成型，具有较为优良的造粒性能。1.2试验方法造粒烧成工艺：将渣土进行烘干使其含水率小于20%，并磨细过100目筛。按照比例进行混合，加入水固比为0.35的水，在搅拌机中搅拌均匀，手工搓成直径在520mm的料球，并在1525条件下室内放置干燥24h。陶粒的单颗粒强度按照GB/T 17431.2-2020 轻集料及其试验方法 中所述标准进行测定。焙烧完成后，取1520颗陶粒为1组，利用游标卡尺分别测量陶粒的直径，计算出每颗陶粒的面积，通过单颗粒强度压力机测量每颗陶粒破坏荷载，计算陶粒的强度值。陶粒强度数据若出现些许异常值，通过利用格拉布斯准则所编写出的程序进行剔除，保留无异常数据，并计算平均强度值作为该组陶粒的强度。1.3烧成工艺及制度1.3.1烧成工艺取出干燥24h后的料球，放入马弗炉中进行预热及焙烧。烧制完成后立即出炉，做急冷处理。1.3.2烧成制度首先采用单参数试验，考察预热时间、预热温度、焙烧时间、焙烧温度等烧成制度参数，确定合适参数范围。在只改变单一参数的情况下，对参数所引起的陶粒强度变化进行研究。考察点如表2表5所示。以预热时间 20min，预热温度 400，焙烧时间20min，焙烧温度1160为基本参数，某个参数发生变化时，其他参数保持不变，研究不同烧制参数对陶粒强度的影响。利用单参数试验法得到单一参数变化对陶粒强度的影响，同时得到每个因素的较为适宜的3个水平，进行正交试验，如表6所示，以获取最佳烧成工艺。试验第2阶段：为进一步研究焙烧制度对陶粒性能的影响规律，以四项焙烧制度为因素，每个因素分别选取3个水平，正交试验设计见表6。2试验结果及讨论2.1单参数试验结果分析2.1.1预热过程对强度的影响陶粒烧结过程中，对其进行预热有以下作用：料球中的大部分有机物质在预热过程中热解为气体，有机物质逃逸出料球，进而形成轻质陶粒，料球的密度因有机物质的逃逸也随之减少，为之后在焙烧阶段形成骨架提供基础；去除料球中的水分，防止料球在图3粉煤灰图2建筑渣土图1生活垃圾焚烧飞灰表1配料方案%原材料配合比生活垃圾焚烧飞灰40粉煤灰25渣土25表2预热时间考察点预热时间A组10B组15C组20D组25E组30min预热温度考察点表3预热温度A组200B组300C组400D组500E组600焙烧时间考察点表4焙烧时间A组10B组20C组30D组40min焙烧温度考察点表5焙烧温度A组1100B组1120C组1140D组1160E组1180F组1200表6正交试验方案水平123因素预热时间/min152025预热温度/300400500焙烧时间/min102030焙烧温度/112011401160陶粒单颗粒强度1400120010008006004002000极限荷载/N284.5497.9749.11182.4651.81015202530预热时间/min图4预热时间单参数变化下陶粒单颗粒强度67低温建筑技术Dec.2022 No.294-建筑材料研究及应用升温过程中由于水分的快速蒸发导致的陶粒炸裂；预防料球进入焙烧阶段时出现发气量太大与陶粒外壳液相不平衡的问题8。预热时间对陶粒强度的影响见图4。随着预热时间的增加，陶粒的强度也逐步增加，并在2025min的条件变化下有较大幅度上升。由图5可知，随着预热时间的增加，成品率也随之增加。预热温度对陶粒强度的影响见图6，由图6可知，随着预热温度的上升，单颗粒强度也随之上升。2.1.2焙烧过程对强度的影响焙烧时间对陶粒强度的影响如图7所示。焙烧过程使陶粒中的有机物在充分的高温下分解，自由水与结合水蒸发，陶粒内部在高温中熔融并互相连接成为一个整体，在冷却后形成玻璃相骨架，由于玻璃相对强度较高，所以形成的陶粒也具有一定强度。由图7可知，陶粒强度随温度升高而有着先升高后下降的趋势，在30min的焙烧时间下，可获得强度高的产品。焙烧温度对陶粒强度的影响见图8。由图8可见，随着温度的逐渐增加，陶粒的颗粒强度逐渐增大。1140、1160、1200陶粒剖面及外观情况见图9图11。100959085807570陶粒成品率/%陶粒成品率5101520253035预热时间/min图5预热时间单参数变化下陶粒成品率10008006004002000极限荷载/N陶粒单颗粒强度417.8769.5848.2515.2300400500600预热温度/图6预热温度单参数变化下陶粒单颗粒强度图7焙烧时间单参数变化下陶粒单颗粒强度1400120010008006004002000极限荷载/N301.7789.31173.5510.3420.81020304050焙烧时间/min陶粒单颗粒强度1400120010008006004002000极限荷载/N陶粒单颗粒强度105.9168.4289.5774.81069.21130.8110011201140116011801200焙烧温度/图8焙烧时间单参数变化下陶粒单颗粒强度图111200陶粒外观情况图91140陶粒剖面图101160陶粒剖面682.2正交试验结果分析根据表7正交试验表开展试验的陶粒强度测试结果。下面对正交试验结果开展极差分析。单颗粒强度极差计算结果如表8所示。可以看出，焙烧时间对单颗粒强度影响相较于其他因素的影响更小，预热时间所致使的陶粒强度增加也较小。单颗粒强度随预热温度提高小幅度提高，单颗粒强度随焙烧温度提高而大幅升高。通过R值大小比较结果，可以得出各因素对陶粒单颗粒强度影响的主次顺序为焙烧温度、预热温度、预热时间、焙烧时间。结论与单因素试验中所得到的数据直观分析一致。通过K值的变化趋势，可以得出：随着预热、焙烧时间的增加，其对陶粒单颗粒强度的影响呈现“由大变小”的趋势；随着预热、焙烧温度的增加，其对陶粒单颗粒强度的影响呈现“由小变大”的趋势。根据试验情况，第9组（预热温度500、预热时间25min、焙烧温度1140、焙烧时间10min）试验得到的陶粒成品率最高，成球