燒結(jié)除塵灰摻量對(duì)陶粒燒結(jié)溫度及性能的影響

張明遠(yuǎn)，王濤，武鑫龍，萬新

（重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）

目前，我國(guó)是陶粒最大的出口國(guó)，年產(chǎn)量約為1200萬t。燒脹陶粒的生產(chǎn)和應(yīng)用都比較成功，占陶?？偖a(chǎn)量的60%以上，其主要成分均以SiO2和Al2O3為主，并含有可在高溫不分解、釋放出大量氣體的成分，其質(zhì)量要求為堆密度低、孔隙率高、強(qiáng)度高[1-3]。里列·威爾遜曾提出在燒脹陶粒的化學(xué)組成中，原料中的堿金屬氧化物含量應(yīng)為8%～12%[4-5]。污泥制陶是目前污泥、粉煤灰等固廢處理利用最有效的手段之一，污泥制陶工藝是將生活污泥等固體廢棄物作為制陶基體，再適當(dāng)添加一些黏土作為輔料，經(jīng)過高溫焙燒得到污泥陶粒[6-7]。

冶金燒結(jié)過程中除塵灰的產(chǎn)量非常大，其主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等一些低熔點(diǎn)堿金屬化合物和活性炭，含鐵量低，不適合在鋼鐵生產(chǎn)流程中有效消納。目前的處理方式主要為水泥摻雜和顏料生產(chǎn)，但這種處理方式處理量少、再生價(jià)值低。為提高燒結(jié)除塵灰的資源化利用率和附加利用值，可將燒結(jié)除塵灰作為制陶原料，充分利用除塵灰中的低熔點(diǎn)化合物來降低燒結(jié)溫度，降低生產(chǎn)能耗，同時(shí)利用活性炭改善陶粒的燒脹性，降低陶粒堆密度[8]。

基于此，本文將燒結(jié)除塵灰與污泥制陶工藝相結(jié)合，在現(xiàn)有陶粒制備工藝的條件下，摻入不同配比的燒結(jié)除塵灰，探尋燒結(jié)除塵灰摻量對(duì)陶粒質(zhì)量的影響，并優(yōu)化燒結(jié)溫度，以求在消納燒結(jié)除塵灰的同時(shí)使陶粒的質(zhì)量保持穩(wěn)定、性能有所提升，達(dá)到固廢資源增值利用的目的。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

生活污泥：重慶周邊污水處理廠污水沉淀；粉煤灰：燃煤灰塵，重慶周邊電廠；黏土：廣西制陶泥；燒結(jié)除塵灰：川渝釩鈦一燒配料室13#倉(cāng)除塵灰，Na2O+K2O含量為8.7%，滿足燒制陶粒中堿金屬氧化物含量的要求。幾種原材料的化學(xué)成分見表1。

表1 幾種原料主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制陶原料配比方案的確定

目前，燃煤火電廠逐漸減少，粉煤灰產(chǎn)量也逐年減少。為保證污泥的處理量不低于40%，摻入燒結(jié)除塵灰，減少粉煤灰的用量，因此設(shè)置表2所示原料配比方案，該方案中燒結(jié)除塵灰摻量增加幅度為5%。

表2 制陶原料配比方案 %

1.2.2 陶粒燒結(jié)溫度的確定及制備

根據(jù)表2原料配比方案，將表1中的化學(xué)成分準(zhǔn)確輸入FactSage軟件多相平衡計(jì)算模塊，模擬陶粒焙燒過程中物相組成及液相占比變化，通過比較不同除塵灰摻量下產(chǎn)生液相的占比確定實(shí)際燒結(jié)溫度區(qū)間，為實(shí)際焙燒過程提供理論依據(jù)。按照表2配方將污泥、粉煤灰、黏土和燒結(jié)除塵灰磨碎攪拌均勻，加入35%～40%的水，制備成粒徑為10～20 mm的生料球，然后放入鼓風(fēng)式干燥箱中于105℃下干燥200 min，將干燥后的生料球放入馬弗爐中，設(shè)置焙燒工藝參數(shù)，焙燒結(jié)束立即置于空氣中快速冷卻，即可制得成品陶粒。在不影響陶粒質(zhì)量的前提下，根據(jù)能耗最低原則確定燒結(jié)溫度。具體實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 陶粒焙燒工藝流程

1.2.3 陶粒的質(zhì)量評(píng)價(jià)

由于燒結(jié)除塵灰中含有Fe2O3、低熔點(diǎn)堿金屬化合物和活性炭，這些物質(zhì)是陶粒發(fā)氣燒脹的基礎(chǔ)，因此需研究其對(duì)陶粒燒脹性的影響。成品陶粒的堆積密度、筒壓強(qiáng)度和吸水率按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

1.2.4 陶粒物相及微觀結(jié)構(gòu)分析

利用X射線衍射儀對(duì)摻入燒結(jié)除塵灰前后的陶粒進(jìn)行物相對(duì)比分析，分析陶粒相變化；為更直觀地了解陶粒內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，利用掃描電子顯微鏡對(duì)陶粒進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)除塵灰摻量對(duì)陶粒燒結(jié)溫度的影響

陶粒焙燒過程伴隨著一系列物理化學(xué)變化，會(huì)發(fā)生如下變化過程：有機(jī)質(zhì)熱解炭化、低熔點(diǎn)堿金屬氧化物熔化助熔、產(chǎn)氣燒脹、瓷釉質(zhì)表面結(jié)構(gòu)形成、由外至內(nèi)燒結(jié)。通過FactSage軟件計(jì)算，在燒結(jié)除塵灰摻量分別為5%、10%、15%和20%的情況下，陶粒焙燒過程中的各物相占比變化如圖2所示。

圖2 不同除塵灰摻量的陶粒相變溫度曲線

從圖2可以看出，陶粒中存在的相為液相、長(zhǎng)石相、莫來石相、剛玉相和石英相，隨著燒結(jié)溫度的持續(xù)升高，液相量逐漸變多。燒結(jié)除塵灰摻量分別為5%、10%、15%、20%的陶粒，當(dāng)燒結(jié)溫度持續(xù)升高到1150℃時(shí)，液相含量分別為55.35%、57.69%、58.24%、61.61%；當(dāng)燒結(jié)溫度升高至1250℃時(shí)，液相含量分別為68.59%、71.24%、75.21%、77.50%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定陶粒實(shí)際焙燒溫度區(qū)間，為保證陶粒充分燒結(jié)并無液相回流現(xiàn)象，確定最終燒結(jié)溫度區(qū)間為1150～1250℃。

在陶粒實(shí)際生產(chǎn)過程中，需確定恒定的燒結(jié)溫度。為了探明各種配料方案下的最佳燒結(jié)溫度，為實(shí)際生產(chǎn)過程降低能耗，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同的燒結(jié)溫度，將5種不同配料方案下的生料球干燥好進(jìn)行焙燒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 除塵灰摻量對(duì)燒結(jié)溫度的影響

由表3可以看出，隨著燒結(jié)除塵灰摻量增加，最終燒結(jié)溫度隨之降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是燒結(jié)除塵灰中含有低熔點(diǎn)物質(zhì)較多，這些低熔點(diǎn)的堿金屬化合物在焙燒過程中充當(dāng)了助熔劑的作用，同時(shí)，還具有降低液相黏度的作用，可有效改善陶粒燒脹性能。

2.2 燒結(jié)除塵灰摻量對(duì)陶粒性能的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，陶粒焙燒過程中陶粒在焙燒過程中，由于產(chǎn)生氣體使自身膨脹，而外部為瓷釉質(zhì)結(jié)構(gòu)將其包裹，導(dǎo)致內(nèi)部疏松多孔，通過研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氣體的成分主要為：鐵氧化物和碳類[9-10]。燒結(jié)除塵灰中含有一定量的Fe2O3和活性炭，符合陶粒產(chǎn)氣要求，這也為提高陶粒燒脹性提供了基礎(chǔ)保障。

研究不同燒結(jié)溫度下除塵灰摻量對(duì)陶粒燒脹率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)陶粒燒脹率的影響

從圖3可以看出，在相同配比下，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶粒的燒脹率先增大后減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)焙燒溫度較低時(shí)，陶粒燒結(jié)不充分，沒有及時(shí)形成釉質(zhì)熔融外殼，絕大多數(shù)氣體逸出；隨著焙燒溫度升高，陶粒表面形成釉質(zhì)熔融外殼，將產(chǎn)生的氣體包裹在內(nèi)部，燒脹率增大；當(dāng)焙燒溫度過高時(shí)，產(chǎn)生的液相回流將內(nèi)部孔隙填滿，燒脹率下降。在不同配方下陶粒最大燒脹率也有所不同，隨著燒結(jié)除塵灰摻量的增加，陶粒最大燒脹率也隨之增加，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是固定碳含量增加，導(dǎo)致發(fā)氣反應(yīng)更加充分。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，燒結(jié)除塵灰摻量分別為0、5%、10%、15%、20%時(shí)，陶粒的最佳燒結(jié)溫度分別為1250、1225、1200、1175、1150℃，在5種實(shí)驗(yàn)方案最佳燒結(jié)溫度下的成品陶粒，參照GB/T 17431.2—2010測(cè)試其性能，得到成品陶粒的吸水率、堆密度、筒壓強(qiáng)度如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著燒結(jié)除塵灰摻量的增加，陶粒堆積密度和筒壓強(qiáng)度降低，吸水率增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：增加燒結(jié)除塵灰摻量意味著增加Fe2O3、低熔點(diǎn)堿金屬化合物和活性炭的含量，而Fe2O3和活性炭會(huì)提高陶粒燒脹性，堿金屬化合物會(huì)使液相黏度降低，也會(huì)使陶粒燒脹性變好、氣孔率變大、強(qiáng)度變低、吸水率變大。

圖4 燒結(jié)除塵灰摻量對(duì)成品陶粒性能的影響

綜合以上實(shí)驗(yàn)，結(jié)合GB/T 17431.2—2010要求，燒結(jié)除塵灰摻量20%的條件下，確定在燒結(jié)溫度為1150℃，可制備出堆積密度為673 kg/m3、1 h吸水率為1.76%、筒壓強(qiáng)度為2.94 MPa的陶粒，質(zhì)量滿足要求。

2.3 陶粒XRD、SEM分析

圖5 為未加燒結(jié)除塵灰的陶粒和燒結(jié)除塵灰摻量為20%陶粒的XRD圖譜。

圖5 2種陶粒的XRD圖譜

從圖5可以看出，2種陶粒主要成分為石英（SiO2）、鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）和鈣長(zhǎng)石（CaAl2Si2O8），而且在加入燒結(jié)除塵灰后，石英相的衍射峰明顯降低，數(shù)量減少，長(zhǎng)石相衍射峰的數(shù)量有所增加，這正是由于燒結(jié)除塵灰中低熔點(diǎn)物質(zhì)含量較多所導(dǎo)致。

對(duì)燒結(jié)除塵灰摻量為20%的陶粒進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，SEM照片如圖6所示。

圖6 燒結(jié)除塵灰摻量20%陶粒的SEM照片

從圖6（a）、（b）可以看出，新型陶粒內(nèi)部經(jīng)過發(fā)氣反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔較多，大小、分布較為均勻，并且多為自封閉孔，這大大降低了陶粒的堆密度。從圖6（c）可以看出，陶粒表面有一層致密光滑的釉質(zhì)外殼，能夠有效阻止外界水的進(jìn)入，并且在一定程度上提高了陶粒的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也使陶粒吸水率降低。

3 結(jié) 論

（1）通過FactSage軟件計(jì)算，液相占比隨燒結(jié)除塵灰摻量增加而變大，燒結(jié)溫度區(qū)間變寬，燒結(jié)溫度在1150～1250℃之間，陶粒可充分燒結(jié)并無液相回流現(xiàn)象。

（2）隨著燒結(jié)除塵灰摻量的增加，陶粒的燒結(jié)溫度變低，陶粒燒脹性也有所改善，但陶粒強(qiáng)度也隨之降低。因此，實(shí)際生產(chǎn)過程中摻入適量的燒結(jié)除塵灰可在相對(duì)較低的溫度下就可以很好地將陶粒燒結(jié)，為生產(chǎn)節(jié)省能耗。

（3）在燒結(jié)除塵灰摻量為20%、燒結(jié)溫度為1150℃條件下，可制備出堆積密度為673 kg/cm3、1 h吸水率為1.76%、筒壓強(qiáng)度為2.94 MPa的陶粒。

（4）新型陶粒表面瓷釉質(zhì)結(jié)構(gòu)密而緊實(shí)，內(nèi)部多為自封閉孔，可以有效阻止外界水的進(jìn)入，在一定程度上還可以穩(wěn)固其含有的重金屬元素，可有效避免對(duì)土壤和水源的二次污染。