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城市污泥为掺料烧结砖的生产性研究
  中国砖瓦网  [2016/10/18]  
摘要:

    前言

    城市污水厂污泥的处理处置已成为我国市政工程的一大难题,目前,主要采用卫生填埋、堆肥农用、焚烧等处理处置方式,填埋稳定性差且易污染地下水,堆肥农用受污泥中重金属含量影响较大,污泥焚烧则能耗太高。近年来,污泥资源化制砖技术得到了充分发展,但目前普遍停留在实验阶段。本文采用城市污泥为部分原料,进行了批量生产烧结普通砖(承重砖,240mm×115mm×53mm)和空心砌块(非承重砖,190mm×190mm×190mm)的生产性试验,研究了城市污泥烧结制砖技术,并重点分析了砖体的物理力学性能(抗压强度)和热工性能,结果充分表明:污泥制砖是城市污泥处理处置有效方式。

    1 试验部分

    1.1试验材料

    城市污泥取自南京市某污水处理厂,剩余污泥经浓缩2消化2机械脱水处理后,含水率P=75%左右。试验共取脱水污泥约20t,样品污泥的有机物含量为37.76%,总氮1.875×104mg/kg,总磷6.545×103mg/kg,铜180.5mg/kg,锌538.5mg/kg,铅35.45mg/kg,汞3.585mg/kg,砷24.7mg/kg,六价铬12.45mg/kg。

    污泥经干燥后(含水率P=55%左右)破碎机械筛分,去除其中的粗大颗粒。页岩粉粘土均取自南京某新型建筑材料公司,其塑性指标分别为7.8和13,粘土级颗粒(d<01005mm)含量10.3%和25.6%,满足制砖原料对塑性指数7~15,粘土级颗粒含量10%~60%的要求;两者含水率分别为7%和11%。城市污泥和页岩粉粘土主要组成成分见表1。

    
    1.2 制砖工艺

    在污泥制砖生产性试验中,污泥干燥是重要的工艺环节,试验在不改变砖厂生产工艺流程基础上,利用砖厂现有干燥隧道窑(目的为干燥砖坯,150~200℃)来干燥污泥,干燥后,污泥含水率P=55%左右。干燥污泥与页岩粉(粘土)按表2配比混合,经陈化、成型制坯、干燥、焙烧等处理工序后,制成污泥烧结砖,工艺流程如图1所示。

  


    各工段主要工艺参数如下:原料计量预混,加水搅拌混合,控制含水率17%~19%;陈化均匀混合料颗粒间的空隙水分,制坯成型,成型压力约为2.8~3.0MPa,砖坯含水率控制在16%~18%;坯体150~200℃隧道窑干燥,含水率降至6%以下,一般在3%左右;980~1060℃隧道窑焙烧、降温,制成烧结砖。

    1.3分析仪器和方法

    抗压强度:NYL2300型压力试验机,最大破坏负载法;热导率:准稳态平板测试装置,热线法;传热系数:紫微BW21212WT设备,标定热箱法。

    2 结果与讨论

    2.1污泥掺量对烧结普通砖抗压强度的影响

    干污泥掺量对烧结普通砖抗压强度影响较大,图2为抗压强度与污泥掺量关系曲线,从图2中可以看出,污泥掺量越高,砖体的抗压强度越差。分析原因为:砖体烧结过程中,污泥中有机物挥发大量气孔和孔洞,造成砖体抗压强度下降。

    掺加1.92%~5%污泥的粘土烧结砖抗压强度在16.1~20.8MPa之间,当污泥掺加量在5%以下时,污泥粘土砖能够达到国家标准《烧结普通砖》(GB5101-2003)中MU15强度等级要求,具有较好的承重性能,可作为承重墙体材料。如果污泥掺量减少为2.5%时,可以达到MU20强度等级要求,具有优良的承重性能。
    掺加1.92%~5%污泥的页岩烧结砖抗压强度在16.1~20.8MPa之间。由图2可知,当污泥掺加量在6%以下时,污泥页岩砖能够达到国家标准《烧结普通砖》GB5101-2003中MU10强度等级要求,可作为承重墙体材料。如果污泥掺量减少为3.5%时,可以达到MU15强度等级要求,具有较好的承重性能。

    同等污泥掺量时,污泥粘土砖抗压强度优于污泥页岩砖,这是因为粘土原料SiO2和Al2O3含量要比页岩粉高(表1),烧结过程中生成的3Al2O3·2SiO2(莫来石,决定砖体机械强度的决定性因素)的量比页岩砖高,提高了粘土砖的抗压强度。其次,粘土中粘土级颗粒含量较高,在烧结过程中,形成烧结砖结构致密,整体性强,抗压强度高。

    2.2 污泥掺量对页岩空心砌块抗压强度的影响

    图3为页岩空心砌块抗压强度与污泥掺量关系曲线,其变化趋势与图2基本一致,说明抗压强度下降机理相同。污泥掺量4.45%页岩空心砌块抗压强度为4.88MPa,与国家标准《烧结空心砖和空心砌块》(GB13545-2003)最低MU2.5强度等级要求相比,完全可以满足其作为填充墙(或隔离墙)的使用要求。污泥掺量在5%之内的页岩烧结空心砌块,强度等级为MU3.5(GB13545-2003),具有较好的承重能力。当污泥掺量较少至413%时,能够达到与现行市售砌块相同的MU5.0强度等级,具有优良承重性能。
    2.3 污泥掺量对页岩烧结普通砖热导率的影响

    对上述页岩烧结普通砖进行热导率(气态、干态)测定,所得结果如图4所示。由图4可知,随着污泥掺量增加,砖体热导率降低,分析原因为:砖体烧结使污泥中有机物挥发,砖体内部气孔和孔洞增多,砖体热传导能力下降。4.45%干污泥掺量页岩烧结普通砖热导率为0.295W/(m·K),较不掺加污泥的页岩砖(0.312W/(m·K))降低了5.4%,砖体热传导能力明显下降。
    2.4 污泥掺量对页岩烧结空心砌块墙体传热系数的影响

    分别对不同干污泥含量的页岩空心砌块墙体进行传热系数K测定,见图5。由图5可知,页岩空心砌块墙体的传热系数随污泥掺量增加而降低,随着污泥掺量的增加,砖体热传导能力下降,墙体传热系数随之下降,隔热保温性能提高。页岩空心砌块由于掺入了一定量的尾矿(烧失量大,焙烧过程易形成孔洞),热工性能已经大大改善,普通页岩空心砌块墙体的传热系数已经能够满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)对外墙平均传热系数1.5W/(m2·K)要求。4.45%干污泥空心砌块墙体传热系数为1.33W/(m2·K),同比标准(JGJ134-2001)1.5W/(m2·K)的要求,节能效率可提高1.13%,墙体隔热保温性能得到明显改善。

    3 结 论

    (1)砖体烧结过程中,污泥中有机物大量挥发,形成气孔和孔洞,增加了砖体内部微观孔隙率,降低了砖体的抗压强度,提高了砖体的热工性能。

    (2)污泥掺量在6%之内的页岩烧结普通砖,可以达到MU10以上强度等级(GB5101-2003),可作为承重砖体使用。污泥掺量在5%之内的页岩空心砌块,强度等级为MU3.5(GB13545-2003),可作为填充墙(或隔离墙)使用。

    (3)4.45%干污泥掺量页岩烧结普通砖热导率为0.295W/(m·K),较普通页岩砖(0.312W/(m·K))降低5.4%,砖体热传导能力明显降低。

    (4)4.45%干污泥掺量页岩空心砌块墙体传热系数为1.33W/(m2·K),比《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001)1.5W/(m2·K)的要求,节能效率可提高11.3%。

    (5)在不改变砖厂生产工艺流程基础上,利用隧道窑干燥污泥,普通隧道窑砖厂就可以进行规模化生产,并能创造一定的经济和社会效益。

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来源:林子增
  
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