利用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)新型建材的資源化開發(fā)研究

1、利用工業(yè)廢棄物生產(chǎn)新型建材的資源化開發(fā)研究摘要：本項(xiàng)目以煤矸石、石墨尾礦、粉煤灰、垃圾焚燒灰等固體廢物為主要原料生產(chǎn)新型綠色建材-環(huán)保陶瓷生態(tài)磚。鑒定認(rèn)為該成果具有明顯的創(chuàng)新性和先進(jìn)性：以煤矸石、石墨尾礦、垃圾焚燒灰等固體廢棄物為主要原料研制環(huán)保陶瓷生態(tài)磚是國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)；燒成后的廢品及用后的廢品可作為原料再利用，這可解決廢品的二次污染，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的真正綠色化，國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道；采用固體廢物為主要原料（可達(dá)70%以上），使環(huán)保陶瓷生態(tài)磚的生產(chǎn)成本相對(duì)較低，可為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，從而使固體廢物資源化利用技術(shù)更長(zhǎng)久。關(guān)鍵詞：固體廢棄物；石墨尾礦；生態(tài)磚；資源化 1 引言固體廢物是指在社會(huì)的生

2、產(chǎn)、流通、消費(fèi)等一系列活動(dòng)中產(chǎn)生的一般不再具有原使用價(jià)值而被丟棄的以固體和泥狀賦存的物質(zhì)。固體廢物對(duì)人類環(huán)境的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）侵占土地，固體廢物如不能利用，就需堆存放置，堆存量越大，占地面積越大，甚至占用大面積農(nóng)田，給相關(guān)企業(yè)造成沉重負(fù)擔(dān)。2）污染土壤，固體廢物長(zhǎng)期露天堆存，其中有害成分經(jīng)過(guò)風(fēng)化、雨淋、地表徑流的侵蝕很容易深入土壤之中，殺死土壤中的微生物，破壞土壤的腐解能力，導(dǎo)致草木不生。3）污染水體，固體廢物一般通過(guò)天然降水徑流、滲瀝水浸出、隨風(fēng)遷移獲直接排入水系，污染水體。4）污染大氣，固體廢物一般通過(guò)粉塵、產(chǎn)生的有害氣體使大氣受到污染。目前，影響我國(guó)各大城市空氣質(zhì)量的可

3、吸入固體懸浮物，主要由固體廢物引起。5）影響環(huán)境衛(wèi)生，工業(yè)廢渣、垃圾在城市的堆存，既有礙觀瞻，又容易滋生細(xì)菌、蚊蠅，傳染疾病。自上世紀(jì)60年代中期，環(huán)保工作開始受到多數(shù)國(guó)家的重視，特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)污染治理技術(shù)進(jìn)行深入的研究和廣泛的應(yīng)用，逐步形成了一系列處理方法。70年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)固體廢物處置場(chǎng)地緊張，處理費(fèi)用大，以及資源短缺等問(wèn)題，開始研究固體廢物資源環(huán)利用技術(shù)，并取得成效。我國(guó)則始于80年代，起步較晚，并且由于技術(shù)、資金等原因，目前仍以無(wú)害化、減量化為主，但對(duì)固體廢物資源化、產(chǎn)業(yè)化是最終目標(biāo)。固體廢物資源化利用就是對(duì)其中有用的物質(zhì)及能量加以回收利用的同時(shí)，使其無(wú)用部分達(dá)到無(wú)害

4、化、減量化，以取得一定的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益，并達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。美國(guó)、日本、歐洲等一些國(guó)家將其作為解決固體廢物污染的主要方式之一，投入巨資進(jìn)行開發(fā)。我國(guó)資源消耗高，二次資源利用率低，有相當(dāng)一部分資源變成了污染物。因此固體廢物資源化利用及技術(shù)的研究在我國(guó)尤為重要。固體廢物資源化利用一般遵循以下幾個(gè)原則：第一，資源化利用技術(shù)應(yīng)是可行的；第二，固體廢物資源化利用的經(jīng)濟(jì)效益要比較好，否則采用的技術(shù)不可能長(zhǎng)久；第三，資源化產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，與相應(yīng)其他原料制品相比，有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；第四，廢物應(yīng)盡可能在產(chǎn)生地就近利用，以節(jié)省廢物在貯放、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的投資。固體廢物資源化利用，變廢為寶，是一

5、項(xiàng)具有重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的課題。本課題研究與山東省密切相關(guān)的有代表性的石墨尾礦、煤矸石、粉煤灰、垃圾焚燒灰等固體廢物的資源化利用技術(shù)。煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中排出的固體廢物，一般每采一噸原煤就產(chǎn)生0.2噸左右煤矸石。歷年堆積下來(lái)的煤矸石有近300億噸，是堆放量最大的固體廢物。煤矸石露天堆放，由于長(zhǎng)期風(fēng)吹雨淋產(chǎn)生的物理化學(xué)變化，帶來(lái)一系列問(wèn)題，如大氣污染、生態(tài)污染；堆放的矸石還可能產(chǎn)生崩塌，滑坡，甚至爆炸、泥石流等；煤矸石堆積在礦區(qū)周圍，不僅污染了環(huán)境，也給企業(yè)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。山東省是我國(guó)的煤炭資源大省，在兗州、新汶、淄博等地有豐富的煤炭，也存放了大量的煤矸石。目前，煤矸石綜合利用的途徑主要有：

6、制取矸石磚、煤矸石水泥，生產(chǎn)輕質(zhì)骨料，制取結(jié)晶氯化鋁、聚合氯化鋁，作為填料復(fù)田、筑路等。目前我國(guó)煤矸石利用率約10%，如不加緊開發(fā)利用將影響煤炭行業(yè)的發(fā)展。在美麗的青島，有著豐富的優(yōu)質(zhì)石墨礦產(chǎn)資源。主要分布在平度、萊西等地，是我國(guó)最大的石墨礦區(qū)之一。而每開采5噸石墨，則產(chǎn)生大約95噸石墨尾礦。這些工業(yè)廢物堆積在礦區(qū)周圍，有幾十億立方。不僅占據(jù)了大量的土地，還對(duì)周圍的空氣、水等環(huán)境造成污染，這給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。企業(yè)也曾多次對(duì)其開發(fā)利用，由于技術(shù)資金等原因均告失敗。目前仍無(wú)法治理和利用。粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢物，我國(guó)每年產(chǎn)生約7000萬(wàn)噸左右的粉煤灰。山東省也是我國(guó)的能源大省，魯能

7、集團(tuán)的鄒縣、黃臺(tái)、聊城、黃島等十幾個(gè)熱電廠都以煤為燃料，這樣就產(chǎn)生了大量的粉煤灰。這些粉煤灰一部分用于生產(chǎn)粉煤灰磚、粉煤灰水泥，制作粉煤灰硅酸鹽砌塊，生產(chǎn)粉煤灰加氣混凝土、陶粒，用于道路建設(shè)。而大部分貯存于農(nóng)場(chǎng)，少量排入江河湖泊，既污染了環(huán)境，又占用了大量的土地。我國(guó)目前粉煤灰的利用率只有25%左右，粉煤灰的開發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)意義。隨著城市的發(fā)展，人口數(shù)量的增多，城市生活垃圾的處理也成了一大難點(diǎn)。近年來(lái)我國(guó)已有不少城市，如上海、廣州、常州、青島等，開始或計(jì)劃興建大型生活垃圾焚燒廠。通過(guò)焚燒可大大減少生活垃圾的體積（減少體積約90%），但仍有20-30%的質(zhì)量留在了灰渣當(dāng)中。如此大量灰渣的產(chǎn)生，帶

8、來(lái)處置的困難。為節(jié)約日益緊張的填埋場(chǎng)地，降低灰渣的處置費(fèi)用，焚燒灰的資源化利用將是比較符合中國(guó)國(guó)情的可行方法。但目前我國(guó)的生活垃圾焚燒廠較少，有關(guān)灰渣資源化利用的研究和實(shí)例較少。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)灰渣的利用主要是用于：石油瀝青路面的替代骨料；水泥或混凝土的替代骨料；填埋場(chǎng)覆蓋材料；路體、路基等的填充材料。對(duì)于城市下水污泥的處理也存在同樣的問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，城市的地表逐步被建筑物和混凝土等路面硬化材料所覆蓋。這給人們出行帶來(lái)方便的同時(shí)也帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)，這些路面硬化材料是不透氣、不透水材料，路面硬化后，自然降水不能滲入地下，影響地表植物的生長(zhǎng)；產(chǎn)生所謂的“熱島效應(yīng)”，惡化城市生態(tài)環(huán)境

9、；同時(shí)，也破壞了大自然的水循環(huán)，浪費(fèi)日益緊缺的天然淡水資源。自上世紀(jì)90年代，日本、歐美等世界發(fā)達(dá)國(guó)家開始研制新型環(huán)境友好地面鋪裝材料，90年代末，成功研制出環(huán)保陶瓷生態(tài)磚。環(huán)保陶瓷生態(tài)磚是一種新型城市地面裝飾材料，是面向二十一世紀(jì)的環(huán)保生態(tài)建材。它具有良好的透水性，雨天，路面的雨水可及時(shí)滲透地下，避免街道積水，有利于行人行走，有利于車輛交通，減少?gòu)U氣造成的大氣污染；而且，由于降水能滲透到地下，能改善地表植被的生長(zhǎng)，減輕下水道的負(fù)擔(dān)，防止河流的泛濫，使天然淡水資源得以充分利用，能使城市地下水及時(shí)得到雨水的補(bǔ)充，避免城市因地下水過(guò)度取用而下陷。環(huán)保陶瓷生態(tài)磚具有良好的保水性，雨后，保留在磚內(nèi)及下

10、層的水分緩慢蒸發(fā)，有利于調(diào)節(jié)城市地表溫度和濕度，減少空氣污染，降低熱島效應(yīng)；另外，由于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，它具有吸收噪音，減輕城市噪音污染功能。環(huán)保陶瓷生態(tài)磚經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，其表面粗糙，具有良好的防滑性能，行走更安全；其表面硬度高，強(qiáng)度大，耐腐蝕，顏色多樣，造型各異，可應(yīng)用于人行道、綠蔭道、公園、廣場(chǎng)的鋪設(shè)，具有美化環(huán)境、保護(hù)環(huán)境的功能。這對(duì)城市大氣調(diào)節(jié)、地下水資源保護(hù)，對(duì)整個(gè)城市的生態(tài)環(huán)境具有重大意義。本課題以石墨尾礦、煤矸石、粉煤灰等固體廢物為主要原料研制環(huán)保陶瓷生態(tài)磚。這可減輕這些固體廢物給相關(guān)企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，減少對(duì)周邊環(huán)境的污染；同時(shí)，對(duì)廢棄物進(jìn)行資源化利用，變廢為寶，降低了環(huán)保陶瓷

11、生態(tài)磚的成本，為生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的工作。2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 原料分析及處理 從各原料產(chǎn)地采集樣品后對(duì)其進(jìn)行化學(xué)組成、礦物組成、粒度組成及物性分析。并對(duì)各個(gè)主要原料進(jìn)行成型及燒結(jié)性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)其工藝性能進(jìn)行相應(yīng)評(píng)價(jià)。 考慮到石墨尾礦的粒度基本符合要求，為了減少工序，降低成本 ，將石墨尾礦篩分分級(jí)后，直接利用。煤矸石粉碎后篩分分級(jí)利用，部分細(xì)磨至200目以下利用 。廢玻璃加熱到600后，水淬、細(xì)磨備用。粉煤灰、垃圾焚燒灰烘干后直接利用。長(zhǎng)石等細(xì)磨后烘干備用。2.2 樣品制備樣品制備工藝如下所示：按配方配料 加水、結(jié)合劑混合 坯料陳放 成型 坯體干燥燒成 性能測(cè)

12、試2.3 性能測(cè)試按國(guó)標(biāo)GB 257989 建筑衛(wèi)生陶瓷吸水率試驗(yàn)方法, 測(cè)定樣品的吸水率。按國(guó)標(biāo)GB 891788陶瓷磚彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測(cè)定樣品的彎曲強(qiáng)度。按國(guó)標(biāo)GB 848987陶瓷磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，測(cè)定樣品的抗壓強(qiáng)度。按國(guó)標(biāo)GB /T3810.121999試驗(yàn)方法測(cè)定樣品的抗凍性。按國(guó)標(biāo)GB/T1347992無(wú)釉磚耐磨性試驗(yàn)方法，測(cè)定樣品的耐磨性。按日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS A 1218，測(cè)定樣品的透水系數(shù)。3 結(jié)果討論3.1 石墨尾礦加入量及粒度對(duì)陶瓷生態(tài)磚成型工藝及性能的影響在保持石墨尾礦粒度不變情況下，只改變其加入量，生態(tài)磚的性能變化如圖1所示，由圖可見，隨石墨尾礦加入量的增加，樣品

13、的吸水率先降低，加入量為40%時(shí)達(dá)到最低。加入量再增加，吸水率則升高。樣品強(qiáng)度的變化規(guī)律與吸水率相反。 這是由于石墨尾礦中含有熔劑類原料，如長(zhǎng)石、云母等，隨加入量的增加，高溫時(shí)形成的液相量增加，坯體的燒結(jié)程度好，因而強(qiáng)度增加，吸水率降低：但若加入的石墨尾礦量過(guò)大，則形成的液相量太多，從而過(guò)燒、發(fā)泡。強(qiáng)度反而降低，吸水率升高。 在石墨尾礦加入量（40%）不變，只改變石墨尾礦中大顆粒的比例，其影響規(guī)律如圖2所示，隨石墨尾礦中大顆粒比例的增加，樣品的吸水率升高，強(qiáng)度則降低。這是因?yàn)榇箢w粒比例的增加導(dǎo)致顆粒之間的接觸面積減小，顆粒間的孔隙增大，因而強(qiáng)度減小，吸水率增大。另外，在成型時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨石墨尾礦加

14、入量的增加或大顆粒比例的增加，樣品的成型性變差，這與石墨尾礦為瘠性料有關(guān)。為此我們加入部分塑性好的粘土來(lái)改變其成型性能。 圖 1 石墨尾礦加入量對(duì)生態(tài)磚性能的影響 圖2 石墨尾礦粒度對(duì)生態(tài)磚性能的影響 3.2 粘土加入量對(duì)陶瓷生態(tài)磚成型工藝及性能的影響隨著塑性粘土加入量的增加，制品成型性能變好，生坯強(qiáng)度增加，坯體的干燥和燒成收縮變大。粘土加入量與樣品性能的關(guān)系如圖3、圖4所示，最初，隨加入量的增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度增加，吸水率降低，透水系數(shù)略有升高。當(dāng)加入量超過(guò)27% 時(shí)，抗壓、抗折強(qiáng)度隨粘土加入量增加而降低，吸水率則升高。對(duì)于透水系數(shù)，在粘土加入量為20%時(shí)達(dá)到最大值。 圖 3 粘土加入量

15、對(duì)生態(tài)磚性能的影響 圖 4 粘土加入量對(duì)陶瓷生態(tài)磚性能的影響這是因?yàn)?，在陶瓷生態(tài)磚的制備中，粘土在成型時(shí)粘合骨料顆粒，使之獲得較好的成型性能，具有較高的生坯強(qiáng)度；在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，適量的粘土與燒結(jié)助劑形成低共熔的液相，促進(jìn)液相潤(rùn)濕骨料顆粒，把骨料顆?；ハ嗾辰Y(jié)起來(lái)，賦予制品一定的強(qiáng)度。同時(shí)，適量的液相使得顆粒間的空隙表面更光滑，氣孔的彎曲程度降低，從而使透水系數(shù)有所增加。綜合考慮樣品的性能與粘土對(duì)工藝與成本的影響，選擇加入量在20%左右 。 3.3 垃圾焚燒灰等燒結(jié)助劑加入量對(duì)陶瓷生態(tài)磚性能的影響為了進(jìn)一步增加樣品的強(qiáng)度，拓寬燒成溫度范圍，我們加入廢玻璃、垃圾焚燒灰、粉煤灰等作為燒結(jié)助劑，它們對(duì)強(qiáng)度

16、的影響見圖5，對(duì)透水系數(shù)的影響見圖6。由圖可知，廢玻璃加入量在5%時(shí)，樣品的強(qiáng)度最大，透水系數(shù)最大，過(guò)量加入強(qiáng)度反而降低；粉煤灰對(duì)樣品的強(qiáng)度和透水系數(shù)提高作用不大；垃圾焚燒灰可明顯增加強(qiáng)度，最佳加入量為10%。 這是由于垃圾焚燒灰是城市垃圾在1050左右的焚燒產(chǎn)物，主要為熔渣、玻璃質(zhì)物質(zhì)。它可與長(zhǎng)石等在高溫下生成低共融液相，潤(rùn)濕骨料顆粒，適量的液相使得顆粒間的空隙表面更光滑，氣孔的彎曲程度降低，透水系數(shù)增大，增加制品強(qiáng)度。若加入量過(guò)大，液相量大，高溫粘度低，易于流動(dòng)，易于過(guò)燒形成泡沫狀，從而降低強(qiáng)度。對(duì)于玻璃由于其轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟臏囟鹊?，高溫粘度更低，更容易過(guò)燒。粉煤灰中含有莫來(lái)石、石英及玻璃相，

17、它的液化溫度高，在此燒成溫度下，助熔作用不明顯。但它可降低燒成收縮，抑制坯體燒成變形。圖 5 燒結(jié)助劑對(duì)生態(tài)磚抗壓強(qiáng)度的影響 圖 6 燒結(jié)助劑對(duì)生態(tài)磚透水系數(shù)的影響 3.4 煤矸石代替粘土對(duì)陶瓷生態(tài)磚性能的影響在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，細(xì)磨的煤矸石具有一定的塑性，特別是陳腐以后。為了增加廢物用量，減少粘土的用量，降低成本，我們采用細(xì)磨煤矸石代替粘土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖可見，煤矸石代替粘土后，樣品的抗折、抗壓強(qiáng)度略有提高，透水系數(shù)、吸水率略有降低，但總的變化不大。并且成型素坯的強(qiáng)度變化也不大。這說(shuō)明煤矸石代替粘土是可行的。煤矸石代替粘土后強(qiáng)度的提高，與煤矸石中鐵的含量高有關(guān)。與粘土相比，煤矸

18、石形成低共熔液相的溫度略低。 圖 7 煤矸石代替粘土對(duì)生態(tài)磚性能的影響 圖 8 煤矸石代替粘土對(duì)生態(tài)磚性能的影響 3.5 用后廢品的再利用 針對(duì)目前地面裝飾材料用后破損，導(dǎo)致二次污染的問(wèn)題，我們研究了燒成后廢品及用后廢品的再利用。對(duì)于燒成后及用后廢品，我們粉碎至一定粒度，作為骨料顆粒重新使用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨廢料加入量增加，坯料的塑性降低，生坯的強(qiáng)度有所降低。這與廢料經(jīng)過(guò)高溫?zé)捎嘘P(guān)，但可以通過(guò)加入少量有機(jī)塑化劑得以改善。另外，廢料的加入可以降低燒成收縮，減少燒成黑心和起泡。對(duì)于制品的性能，除抗折強(qiáng)度略有降低外，其他性能無(wú)明顯變化。廢料的加入量可在10-20%。這可解決廢品的二次污染，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)

19、的真正綠色化。 4 結(jié)論 通過(guò)以上的研究我們探討了配方中各因素和燒成溫度對(duì)生態(tài)磚工藝及性能的影響，在此基礎(chǔ)上我們優(yōu)化配方，進(jìn)一步試驗(yàn)，最終選定配方如下：石墨尾礦30-40%，大顆粒煤矸石15-20%，細(xì)磨煤矸石20-25%，垃圾焚燒灰5-10%，粉煤灰5-10%，其它1-10%。這樣在配料中固體廢物利用量達(dá)到70%以上。所制備樣品的性能如表所示。由表可見，采用本項(xiàng)目技術(shù)，以石墨尾礦等廢物研制的環(huán)保陶瓷生態(tài)磚各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到合同的要求。多項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)日本產(chǎn)品水平。各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)內(nèi)目前采用的混凝土路面磚。表2 環(huán)保陶瓷生態(tài)磚樣品主要性能指標(biāo)密度/gcm-3抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa抗凍性透水系數(shù)/cmsec-1試驗(yàn)樣品1.908.2763.45正常1.26×102日本產(chǎn)品（荒木）4.16-4.7544.1-58.8正常1.0×102混凝土路面磚國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)人行道（優(yōu)）4.030正常車行道（優(yōu)）60正常合同指標(biāo)4.5451.0×102 4.1 創(chuàng)新點(diǎn)· 以石墨尾礦、煤矸石、