综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的技术

　　申请日2015.07.09

　　公开(公告)日2017.07.07

　　IPC分类号C04B7/24

　　摘要

　　综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，是以废弃混凝土、污泥、校正料、蚀变剂为原料，利用干法旋窑生产线工艺装备制备生态硅酸盐熟料，具体包括以下步骤：(1)备料;(2)配料：按质量比为废弃混凝土70～82%:污泥10～20%:校正料0～15%:蚀变剂0.5～3.0%比例实行微机配料，各物料比例合计为100%;(3)制粉：以生料立磨系统将混合物料粉磨至80μm筛余≤18%的废弃物粉状生料;(4)煅烧：将废弃物粉状生料送入干法旋窑系统，于1400±50℃煅烧20～45分钟，即成。利用本发明，可充分利用最普及最大量的石灰岩粗骨料废弃混凝土及污泥等废弃物，利于水泥企业向绿色环保产业转型。

　　权利要求书

　　1.一种综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，其特征在于，是以废弃混凝土、污泥、校正料、蚀变剂为原料，利用干法旋窑生产线工艺装备制备生态硅酸盐熟料，主要包括以下步骤：

　　(1)备料：将废弃混凝土破碎至粒径≤40mm，去掉钢筋;将含水污泥采用脊粒晶种化方法转化为脊化污泥，陈化结块污泥则破碎至粒径≤40mm;将块状的校正料破碎至粒径≤40mm;

　　(2)配料：将废弃混凝土、污泥、校正料与蚀变剂按质量比为废弃混凝土70～82%:污泥10～20%:校正料0～15%:蚀变剂0.5～3.0%比例实行微机配料，各物料比例合计为100%;

　　(3)制粉：以生料立磨系统将微机配料的混合物料粉磨至80μm筛余≤18%的废弃物粉状生料;

　　(4)煅烧：将废弃物粉状生料送入干法旋窑系统，于1400±50℃煅烧15～45分钟，制成生态硅酸盐熟料;

　　步骤(2)中，所述蚀变剂指能在高温碱性条件下有效熔蚀活化废弃混凝土原料中大量的结晶SiO2改善其易烧性、降低烧成温度和热耗、提高熟料质量的矿物，所述蚀变剂为含氟、硼元素的矿物复合物;

　　步骤(1)中，所述废弃混凝土指工程拆解或废弃的粗骨料为石灰岩、细骨料为石英砂、玄武岩砂或钢渣砂的普通硅酸盐水泥混凝土，或粗骨料、细骨料均为石灰岩的硅酸盐水泥混凝土。

　　2.根据权利要求1所述的综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述含水污泥为市政水处理厂污泥或湖池河沟沉积污泥，所述陈化结块污泥为市政污水处理厂或湖池河沟清淤堆存结块的陈化污泥。

　　3.根据权利要求1或2所述的综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述校正料为铝、铁、钙校正原料。

　　4.根据权利要求1或2所述的综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，其特征在于：步骤(1)中，含水污泥的脊粒晶种化方法指采用污泥脊粒晶种剂和促进剂，在连续搅拌下将粘糊状污泥转化为类砂状与纤维状污泥并脱水。

　　说明书

　　综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法。

　　背景技术

　　当前，我国废弃混凝土日均产量已逾百万吨，且以每年8%的速度增长，预计2020年将达到6.5～7.0亿吨。这些废弃混凝土如果不能得到良好的利用，不仅破坏生态环境，而且也是资源的巨大浪费，同时还将进一步加剧建材行业的生产负担。我国水泥产量居世界首位，2014年水泥产能近28亿吨;与此同时，水泥生产所需的石灰石、黏土等原材料却面临资源匮乏的局面。利用废弃混凝土制备再生水泥，通过水泥—混凝土材料的闭路循环，一方面可以直接减少整个混凝土生产系统的废弃物，实现废弃混凝土的高附加值再生利用;另一方面，能够有效缓解水泥工业的生产压力，减少对不可再生资源的消耗。

　　近年来，废弃混凝土资源化利用国内外相关研究多集中于再生骨料，且以多级破碎、振动分选方式为主，但是，受废弃混凝土成分复杂性以及骨料与硬化砂浆分离技术的限制，我国现阶段再生骨料生产成本较高而产品性能有限，直接影响其应用。此外，再生骨料技术主要利用的是废弃混凝土中的粗骨料，而成本更高的砂浆、尤其是水泥石部分没有被有效利用。

　　在以废弃混凝土为原料煅烧水泥方面，目前研究的技术途径主要有二种。

　　一是，从废弃混凝土中分离出粗骨料，利用废弃混凝土中的粗骨料取代部分天然石灰石作为水泥钙质原料。申请号为201110307407.5的中国专利申请“用废弃混凝土制备水泥熟料的方法”及2012年4月《土木建筑与环境工程》第34卷第2期“废弃混凝土再生水泥熟料的配制与性能”介绍了重庆大学万朝均等在实验室将废弃混凝土经多次破碎、分离，去掉含砂较多的水泥石(<5mm颗粒物)，获得以石灰石为主的颗粒(粒径5～20mm)，用以取代天然石灰石煅烧熟料。武汉理工大学万惠文等同样以实验室条件利用废弃混凝土代替部分石灰石原料配料烧制水泥，实验室配料中石灰石取代率为60%时可煅烧出熟料。

　　二是，利用废弃混凝土破碎后分离出的微粉、含砂硬化水泥石或者砂浆部分作为水泥生料组分。

　　废弃混凝土经破碎、分选制备再生骨料过程中产生的细小微粒，主要成分为水泥石。有研究者将废弃混凝土破碎，经低温热处理、多次磨碎、分次筛分后的微粉(即完全去掉结晶硅的水泥石微粉)煅烧水泥。捷克研究人员用回收的混凝土微粉(水泥石组分)作为波特兰水泥生料组分，掺人富钙石灰石、铁质校正原料以及CaF2，于实验室在1430℃煅烧熟料。申请号为201210492158.6的中国专利申请“废弃混凝土微粉活化方法”介绍了浙江大学孙家瑛等用废弃混凝土微粉(即分离出的水泥石组分)与粉状硅酸钠混合后加热(250℃～350℃)1-2小时，冷却后再加脱硫石膏和熟石灰、硫铝酸盐、硅酸盐水泥熟料、三乙醇胺外加剂一起粉磨至大于450m2/kg的粉料。

　　经破碎的废弃混凝土中，水泥石与砂紧密黏接、不易分离，有研究者利用这种含砂的硬化水泥石、或直接利用废砂浆为原料煅烧水泥。如山东大学陶珍东等采用热处理或者三乙醇胺(TEA)处理，并结合机械粉碎，将废弃混凝土中的基质胶凝组分(即纯粹的不含结晶砂的水泥石组分)分离出来作为水泥原料，于实验室条件下掺量20%时，熟料强度与常规生料煅烧的熟料相差不大。同济大学王培铭等利用废弃混凝土中分离出的废砂浆为部分粘土原料的替代原料，于实验室分别按照高C3S、高C2S和普通硅酸盐水泥3种典型配料煅烧熟料。

　　但是，国内外现有的实验显示，以分离后的含砂废弃混凝土胶凝组分为原料煅烧水泥熟料，存在一个最关键性的技术难题-结晶态SiO2的活化。砂的主要矿物成分为石英，在水泥煅烧时不易解聚出[Si04]4—(反应活性体)与CaO结合形成C2S，进而影响生料易烧性;另外，由于硬度大、难磨，砂中SiO2晶体的颗粒较粗，对熟料中硅酸盐矿物(C2S、C3S)的组成和晶型晶貌有不利影响。万惠文等的研究表明：随着废弃混凝土取代石灰石比例的上升，熟料中f-CaO含量增加、熟料质量下降;陶珍东等的研究配制的生料易烧性较差，且随着掺量增加，生料易烧性更差，熟料强度降低;王晓波利用以废弃混凝土和废砖为主的建筑垃圾为原料煅烧熟料，随废弃混凝土建筑垃圾掺量增加，熟料抗压强度呈下降趋势。

　　目前，利用废弃混凝土制备水泥的方法需要对原料进行破碎、筛分，将组分分离，不仅使废弃混凝土材料利用率偏低，而且增加产品的生产成本和能耗。而废弃混凝土中含有石灰石(粗骨料)和硅质原料(砂)，硬化水泥石高温下脱水形成的氧化物成分与水泥生料基本相同，理论上完全可以利用废弃混凝土中所有组分作为原料制备再生水泥。这种方式突出的优点是：废弃混凝土无需分离处理，可以降低再生水泥成本，实现废弃混凝土的完全资源化利用;对原料加工要求精度低，适于大批量生产;废弃混凝土中的硬化水泥石、未水化水泥颗粒以及杂质离子可以促进熟料烧成，降低烧成能耗。但是，当前尚没有方法可以解决废弃混凝土原料显著区别于普通水泥生料的特点，即国内外至今尚没有可行的方法可解决-存在硬化水泥石和由砂提供结晶度高的SiO2作为硅质原料，及解决结晶态SiO2的反应活性，以降低熟料烧成能耗、提高熟料质量的技术问题。

　　另一方面，随着城市化的进程演化，城市的污水处理率逐年提高，城市污泥量亦急骤增加。当前，我国污水排放量已超过5×1010m3∕d，按每一万m3污水5吨含水率80%的湿泥估算，若污水全部处理，日产污泥量超过250万吨，年产污泥量超过9亿吨。然而，由于经济和技术的原因，一方面，已建3000多座污水处理厂产生的原生污泥(含水率约99%)已超过3000万吨，且原生污泥经进一步常规机械装置脱水处理后含水率仅可降至80%左右，另一方面，污泥尚无稳定而合理的出路，总的状况还是以填埋、堆放、倾倒为主。目前，污泥的主要处理方法有海洋与涵洞阴沟倾倒、卫生填埋、污泥堆肥、污泥烘干焚烧等。因倾倒、填埋、堆肥、焚烧等传统的污泥处理方式基于其自身的不足与缺陷，促使污水厂污泥处理成为了解决城市环境问题的热点，而处理过程中实现污泥的资源化又成为了探索污泥彻底根治的最有效途径之一。污泥中含有水泥生产所需的硅、铝、铁、钙化学元素及磷、硫、碱、重金属元素等，利用污泥作为水泥生产过程中部分原料或利用污泥替代水泥生产中的部分用煤在囯内外成为众多学者和一线科技工作者的研究课题。就国外而言，由于污水厂污泥处理主要是进行脱水烘干、焚烧，其污泥用于水泥的研究集中在掺入污泥焚烧后的灰渣以生产所谓的生态水泥。对国内来说，污泥进行烘干、焚烧目前很困难，因为污泥本身的絮凝胶态状保水结构保水性极好，脱水、烘干成本极高，且就污泥而言，由于其本身成分非常复杂，且污泥的胶状保水性好脱水干燥极困难，氯碱硫等有害成分亦偏高或较高，将未经改性的污泥直接替代部分燃煤或原料，既增加了企业煤耗、电耗，也提高了企业运行成本，甚至影响生产中窑况运行，乃至影响水泥性能，所以，既便当前各地政府财政补贴企业每处理一吨污泥200元左右或更高补贴，仍鲜有水泥企业真正愿意处理污泥。

　　现实问题是，尽管都了解废弃混凝土及污泥含有水泥熟料生产所需的硅、铝、铁、钙等化学成分，都认为可以作为水泥熟料生产的原料，但至今，在有效利用废弃混凝土生产水泥熟料方面仍然没有切实可行的方法，在综合利用废弃混凝土和污泥生产熟料方面尚未见有任何实践或理论分析报道，更未见任何具体的综合利用废弃混凝土和污泥生产熟料的方法。

　　今天，我国水泥工业迫切需要从资源耗费型转向资源节约型，从数量扩张型转向更多依靠发展循环经济和技术进步来获取水泥工业的经济增长。其中，废渣资源化利用将是水泥工业发展的主流趋势之一。迫切需要一种可将废弃混凝土处理问题及污泥处置问题与绿色水泥生产相结合，通过对废弃混凝土、污泥的资源化利用，既可利于环境，又能够极大地缓解水泥生产原料资源紧张局面的全新的技术方法。

　　发明内容

　　本发明所要解决的技术问题是，提供一种综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，该方法可利用现有的干法旋窑生产线工艺装备，工艺简单，操作简便，经济环保。

　　本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合利用废弃混凝土和污泥制生态熟料的方法，是以废弃混凝土、污泥、校正料、蚀变剂为原料，利用干法旋窑生产线工艺装备制备生态硅酸盐熟料，主要包括以下步骤：

　　(3)制粉：以生料立磨系统将微机配料的混合物料粉磨至80μm筛余≤18%的废弃物粉状生料;

　　(4)煅烧：将废弃物粉状生料送入干法旋窑系统，于1400±50℃煅烧15～45分钟，制成生态硅酸盐熟料。

　　进一步，步骤(1)中，所述废弃混凝土指工程拆解或废弃的粗骨料为石灰岩(碳酸钙)、细骨料为石英砂、玄武岩砂或钢渣砂等的普通硅酸盐水泥混凝土，或粗骨料、细骨料均为石灰岩(碳酸钙)的硅酸盐水泥混凝土。

　　进一步，步骤(1)中，所述含水污泥为市政水处理厂污泥或湖池河沟沉积污泥，所述陈化结块污泥为市政污水处理厂或湖池河沟清淤堆存结块的陈化污泥。

　　进一步，步骤(1)中，所述校正料为铝、铁、钙校正原料，优选工业废渣，如钢渣、磷渣、电石渣、钛石膏等中的一种或几种的混合物。

　　进一步，步骤(2)中，所述蚀变剂指能在高温碱性条件下有效熔蚀活化废弃混凝土原料中大量的结晶SiO2改善其易烧性、降低烧成温度和热耗、提高熟料质量的矿物，为含氟、硼等元素的矿物的复合物。

　　进一步，步骤(1)中，含水污泥的脊粒晶种化方法指采用污泥脊粒晶种剂和促进剂，在连续搅拌下将粘糊状污泥转化为类砂状与纤维状污泥并脱水。

　　本发明的技术原理：

　　(1)针对建构物及路桥工程拆解的废弃混凝土实际上具有品种与质量为有规模的批量化、其原混凝土所用原料(粗骨料、细骨料、水泥、渣粉)种类批量化、且可定性和定量分析的特点，参照干法旋窑水泥生产原料控制基本要求进行合理控制，以确保生产熟料的质量，同时，避免采用花岗岩、玄武岩、硅质卵石、白云石及陶粒类粗骨料混凝土等非石灰岩(碳酸钙)粗骨料废弃混凝土作为生态熟料生产的主要原料;

　　(2)针对生料立磨粉磨物料时其综合物料必须要有适宜的塑性以形成相对稳定的物料垫层的特点，以脊粒晶种化污泥解决脆性的废弃混凝土物料难以形成稳定的物料垫层的问题，即以易干燥的脊化污泥改善立磨工况，降低粉磨能耗;

　　(3)依据干法旋窑生产线装备及工艺特点，对废弃混凝土进行简单破碎处理、及对污泥的脊粒晶种化处理，以降低废弃物的利用成本;

　　(4)充分利用废弃混凝土中的粗骨料、细骨料、胶凝组分作为生态硅酸盐熟料的主要化学成分来源，并以脊粒晶种化污泥作为生态熟料烧成的晶种剂，以污泥中所含的碱、硫和磷及重金属元素作为生态熟料烧成的矿化剂，同时，充分利用污泥中的有机质能源降低熟料烧成煤耗，且以污泥中的碳氢有机物作为脱硝用原料以降低或取消脱硝用氨水或脲素;

　　(5)以含氟、硼等矿物的蚀变剂在高温碱性条件下微观局域上高效熔蚀活化由废弃混凝土所带入的大量的结晶态SiO2，使其熔蚀活化而易与废弃混凝土原料中的CaO化合生成C2S。

　　本发明的有益效果：

　　(1)可充分利用最普及最大量的石灰岩粗骨料废弃混凝土及污泥等废弃物，利于保护社会生态环境及自然环境;

　　(2)可实现水泥熟料生产对有限的自然资源石灰石、粘土、页岩等自然资源的零消耗，大幅减少燃煤消耗，利于促进水泥工业企业生产的“四零一负”的落实，完全性实现资源循环利用和绿色生态水泥生产;