我国陶粒窑协同处置污泥发展概况

陶粒作为优良节能建筑原料,其制品陶粒轻骨料混凝土在高层建筑结构、桥梁工程、屋面保温隔热层、楼面/地面垫层、砌块、板材、吸声制品、透水制品、园林、装饰等建筑中因其具有良好保温隔热、高强、抗渗、抗开裂、隔音吸声等性能而得到广泛应用。污泥是一种有害废弃物,但同时污泥也是一种有利用价值的资源,污泥可作为陶粒生产中辅材使用,这不仅达到污泥处置资源化,也降低了陶粒生产成本,具有广阔的行业前景。

“随着固废陶粒产能规模的不断壮大,陶粒窑将成为继水泥窑后,又一可选择的资源化高温处置污泥等固废的技术方案。相比于水泥窑,陶粒窑处置污泥有着自身的特殊优势,特别是在没有水泥生产企业,以及受水泥行业错峰停窑政策等因素影响,水泥厂处置污泥能力较不稳定的地区。”日前,在中国环保机械行业协会水污染防治装备专业委员会主办、景津环保股份有限公司、亚洲环保媒体平台承办的“第七届污泥技术与装备发展研讨会”上,中国混凝土与水泥制品协会轻骨料分会、建筑材料工业技术监督研究中心扈士凯秘书长就陶粒窑协同处置污泥的实践分享了报告,重点介绍了陶粒轻骨料混凝土的各种应用。

干化污泥按照一定的比例经过计量和其它原料一起送入生料磨同进行烘干、粉磨后成为水泥生料,水泥生料再经过水泥窑内1700℃左右火焰温度的高温煅烧(物料温度可以达到1450℃左右)成为水泥熟料。

陶粒是在高温(物料温度1100℃~1250℃)下烧成的膨胀型硅酸盐多孔轻质骨料。在建材中主要用于替代砂子、石子生产轻质建材。

陶粒的烧制机理:在高温下粒球熔融,产生适宜的粘度和表面张力,同时内部发生化学反应释放气体,气体作用于熔融液相,产生气孔而发生膨胀,冷却后表面为致密坚硬的釉层,内部是封闭的多孔结构。

陶粒产生膨胀的两个条件:一是膨胀温度时熔融液相具有合适的粘度和表面张力。二是同时能够产生足够数量的气体。污泥的主要物相组成是粘土矿物和有机质,粘土矿物是烧制陶粒的主要矿物成分,有机质燃烧时会产生大量气体,因此能够用于陶粒的烧制。

1994年,上海建筑科学研究院在“全国第四届轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会”上介绍了“污泥烧制陶粒的研究”项目成果,揭开了掺配污泥烧制陶粒试验研究的序幕。

污泥陶粒前期的基础理论研究,涵盖了污泥陶粒的烧胀机理、配比实验、烧成制度、产品性能以及陶粒中的重金属固化率和浸出毒性的测试检验。

(1)污泥的主要化学成分为SiO2、Al2O3等氧化物和有机物,其中的SiO2、Al2O3与基料共同烧结形成结构骨架提供强度,有机物在烧成过程中分解产生气体,促进陶粒膨胀,有利于降低陶粒密度。

(2)陶粒的焙烧温度一般在1200℃左右,污泥中的有机质全部分解,病原菌、寄生虫等被高温杀死,有害的重金属在高温下被玻璃体包裹或者被固定在新晶相中,固熔于陶粒中,浸出毒性符合相关标准中对重金属污染物控制标准值的要求,污泥的处置彻底,对环境无害,也不会影响陶粒产品的使用性能。

2007年,由清华大学环境科学与工程系承担的“城市污水厂污泥烧结陶粒可行性研究”项目标志着对污泥陶粒的研究开始转移到生产应用领域,污泥陶粒的研发受到了国家层面的重视。

2007年~2009年,重庆大学钱觉时教授等承担的科研课题“污水污泥页岩轻质陶粒生产关键技术研究与应用示范研究”纳入了国家高技术研究发展计划(863计划);2008年,西安墙体材料研究设计院受企业委托,分别承担了镇江化工污泥烧结陶粒的小型试验与工业化试验研究和重庆大学“863”项目污泥陶粒示范生产线的建设改造与调试,取得了较好的效果;

2010年~2012年,西安墙体材料设计研究院承担国家科技部专项资金项目“污泥陶粒生产工艺技术研究开发”,分三年度分别完成了“污泥陶粒生产工艺关键技术研究”、 “污泥陶粒造粒与烧成技术研究”、和“污泥陶粒生产工艺及其装置优化配置研究”系列研发课题;

2011年~2014年,由西安墙材院承担的国家“十二五”科技支撑项目课题“高消纳率污泥再生轻骨料及应用技术研究”,进一步对高消纳率污泥陶粒的原料预处理技术、除臭技术、配比技术、烧成技术和烟气处理技术等工艺与装备进行了系统的研究,提出了年产5万立方米和年产10万立方米污泥陶粒建设规模的成套工艺技术与设备选型设计方案,建设完成了一条年产10万立方米污泥陶粒示范生产线。

经过两个阶段历时20年的研究,基本形成了掺配污泥生产陶粒的基础理论体系和生产工艺技术理论体系,在行业内逐步得到推广应用。

2000年,广州华穗陶粒制品有限公司年产18万m3的陶粒生产线利用当地河道淤泥和污泥为原、辅料,生产超轻陶粒(堆积密度约 400 kg/m3),开启了陶粒产业利用污泥的先河。

利用污泥制陶粒是最近轻骨料行业发展热点,尤其是在江浙沪地区和广东省,因为当地政府大力支持,给予优惠的污泥处置政策,如上海每吨300-500元,浙江宁波每吨200-300元,台州每吨150-250元,湖州每吨150-250元,江苏南京每吨250元左右。

这些地区的企业积极进行掺加污泥的生产改造。污泥目前主要来源于河湖清淤污泥、市政污水污泥、工业企业污泥。

目前大部分江浙沪陶粒生产企业都在使用或尝试污泥生产陶粒,并取得一定的经济和社会效益。典型生产企业如江苏建华陶粒制品有限公司,镇江雅盛节能科技有限公司、江苏大自然陶粒有限公司,浙江德宏陶粒制品有限公司等。

江浙沪利用固体废弃物制造陶粒取得明显成效,使用建筑废弃土、城市污泥、工业污泥等为主要原料,生产陶粒。调查的企业中,13家均掺加了25%~30%左右的污泥作为原料,占企业总数的50%左右,已经成为当地处置污泥的一支生力军,据不完全统计,这些陶粒生产企业每年可以消纳污泥15~20余万吨。

陶粒生产中每消纳的1吨污泥可获得相关部门200元左右的处置补贴费用,对一些电镀污泥的处置其补贴费用更高。按一条年产5万立方陶粒生产线万元的污泥补贴,即每立方米陶粒补贴30元左右。

除江浙沪外,重庆部分陶粒企业作为政府固定的污泥处置的服务点,来协助处置固定片区的污水处理厂污泥,比如重庆升上源环境治理有限公司日处理污泥200多吨,来生产陶粒。污泥处理处置费用由政府购买服务的方式,由市级财政统一支付,建材利用处置污泥的方式处置费标准为193元/吨。

天津静海区有100多家工业企业,生产过程产生大量酸洗污泥,环保部门利用信息化手段,全部纳入天津市危险废物在线转移监管平台,实现统一化、集中化处理,建设了大邱庄污泥处置中心,全部用于生产陶粒,日处理污泥量已达到300吨,并准备面向全市来处置污泥。

除了各种市政污泥、工业污泥,工业废渣、煤矸石、尾矿等固废之外,油泥等危废类污泥生产陶粒也进入了实际工业化运作之中,南京扬子环保科技有限公司拟新建的扬子石化危废减量和无害化绿色利用(生产陶粒)项目已于今年 4 月份获得环评批复,进入前期建设阶段。

不完全统计,全国2018年新增污泥为原料的陶粒产能200余万方。2020年上半年新增处置污泥的陶粒项目约400余万方。

随着固废陶粒产能规模的不断壮大,陶粒窑成为继水泥窑后,又一可选择的资源化高温处置污泥等固废的技术方案,相比于水泥窑,陶粒窑处置污泥也有自身的特殊优势,首先在部分地区没有水泥生产企业;二是受水泥行业错峰停窑政策等因素影响,水泥厂处置污泥能力较不稳定。

节能生产技术:窑炉热交换器、生物质燃料替代技术、窑炉保温技术、高效燃烧技术、余热利用技术等;

根据行业发展和产品推广的需要,建筑材料工业技术监督研究中心组织编写的《污泥陶粒》国家建材行业标准8月已完成报批公示,预计年内发布实施。该标准明确了污泥陶粒的定义,细化了污泥陶粒的分类,弥补了污泥制陶粒标准缺失的空白,增加了可浸出重金属含量指标,保障了污泥陶粒的无害化应用,补充完善了标准体系。该标准的实施将引导我国陶粒企业进行原材料结构转型,促进陶粒企业消纳各种污泥固废,引导陶粒行业由资源消耗型、高能耗行业向处置固废的环保功能行业发展,对提高污泥陶粒建材产品质量,规范污泥陶粒行业发展具有重要意义。

建筑材料工业技术监督研究中心组织编写的《陶粒窑协同处置污泥技术规范》国家建材行业标准目前已完成了初稿,正在征集相关专家和企业意见。相信随着相关标准的出台,会促进企业改进现有的技术工艺、提高装备水平,加大环保措施,推动和提升行业整发展。

中国再生资源回收利用协会《表面处理污泥、生活垃圾焚烧飞灰烧结制备衍生轻集料》(T/ZGZS 0301-2020)标准修订符合立项条件,批准立项;

中国有色金属工业协会团体标准《建筑装饰用富铝再生陶粒》(2020-002-T/CNIA)开始制定。

陶粒轻骨料混凝土是陶粒、细砂、水泥、外加剂和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土。与普通混凝土相比,有很多自身的性能优势。

(1)轻质高强 LC30的陶粒混凝土干表观密度在1400-1900kg/m3之间,比相同强度等级的普通混凝土轻25-40%,显著降低自重。

(2)保温隔热性好其导热系数在0.233~0.523w/(m·K),可以做到普通混凝土的33% 左右。

(3)耐火性好建筑物发生火灾时,普通混凝土耐火1h,陶粒混凝土可达4h,在600度高温下,陶粒混凝土能维持室温时强度的85%,而普通混凝土只能维持在35%~75%。

(4)抗震性好其构筑物在地震荷载下对冲击波能量吸收快,减震效果好,陶粒混凝土相对抗震系数为109,普通混凝土为84。

(5)抗裂性好陶粒混凝土的热膨胀系数和弹性模量较小,因此冷缩和干缩引起的拉应力相对较小,还可以利用陶粒的多孔结构,进行自养护,抑制自收缩。

(6)耐久性好陶粒的多孔性可以缓解水结冰产生的膨胀压力,具有较好的抗冻性。此外没有碱骨料反应。

陶粒滤料不但适用于城镇和工业给水处理,也可广泛用于冶金、石油、化工、纺织等工业废水的生化除油、除铁、除锰和过滤处理;并且对金属离子的去除方面也有显著的效果。

陶粒轻骨料混凝土应用于高层建筑具有良好的综合经济效益。尽管轻骨料单价比石子贵,导致单方造价高,但减轻了自重,同样结构荷载和地基下,可加层,增加使用面积。尤其是高层、大跨结构或旧桥的维修加固工程会产生更大的经济效益。

国内轻骨料混凝土高层建筑实例——辽宁省本溪市的建溪大厦(1994年)高26层,全部剪力墙结构采用强度等级为LC30的自燃煤矸石轻骨料混凝土泵送浇筑而成,比采用普通混凝土减轻自重21%~25%,由结构质量引起的水平地震作用减小20%~25% 。

陶粒轻骨料混凝土应用于桥梁工程,能够使桥梁自重减轻,因此在不增加原设计恒载的前提下可加长跨度,加大桥墩间距,减小下部结构尺寸。

高性能轻骨料混凝土在桥梁工程中主要用于钢与混凝土组合结构的桥面,中等跨径的T梁与箱梁,大跨径连续梁与连续刚构及斜拉桥的梁体。世界跨径最大的预应力混凝土连续刚构桥——挪威斯托尔马桥(主跨301m)为减少主跨墩顶负弯矩,在主跨中采用了陶粒轻骨料混凝土。

目前,轻骨料混凝土在我国桥梁工程中主要应用于中小跨径桥梁,在大跨桥梁中的应用较少,与发达国家差距较大。上海卢浦大桥是近年来的典型工程,建造时采用了后张预应力轻骨料混凝土板梁。天津市滨海新区海河开启桥,采用陶粒环氧沥青混凝土铺装。

天津永定新河大桥天津市特长公路桥梁,于2000年建成。强度等级LC40,密度等级D1900。

天津快速路芥园西道立交桥分离式立交桥,于2006年通车。全桥除桩基础外,其他部位均为LWAC。其中,承台为LC25,墩柱、盖梁、防撞护栏地基为LC30,预应力混凝土箱梁LC40。密度1900kg/m3。

厦门翔鹭酒店桥预应力混凝土连续箱梁桥,于2007年初竣工。用于桥面混凝土找平层。

山门口大桥该桥修建于1987年,于2007年2月对该桥进行维修。用于桥面铺装,减少外荷载。

宜昌滨江国际大厦,建造时间2006年,建筑总高101.1m,四层以上采用短肢剪力墙结构形式,全部采用陶粒混凝土建造,共用LC40轻集料混凝土2990m3,LC35轻集料混凝土3650m3。首创了我国在结构体系上(简体,剪力墙、梁、柱、板)全部采用轻集料混凝土建高层的记录。

武汉证券大厦,建造时间2008年,64-68层楼板使用了LC35轻骨料混凝土,华中第一高楼。

珠海国际会展中心,建造时间1999年,总高度为21层,在10层以上部位使用了LC30泵送混凝土。

昌九高速公路技术改造工程项目,轻骨料陶粒混凝土使用部位为桥涵桥面铺装层混凝土浇注。

陶粒轻骨料混凝土应用于屋面工程,可减轻屋面自重,具有良好的保温隔热效果和耐久性。轻骨料混凝土曾应用于上海世博会中国馆屋面保温工程。

陶粒轻骨料混凝土应用于楼面/地面垫层,具有隔声、抗渗的作用。在预应力钢筋混凝土楼板上层铺设陶粒混凝土垫层,起到良好的隔声、抗渗效果,并且能够将楼面局部重荷载均匀分散传递至预应力钢筋混凝土楼板,提高楼板的承载能力。建筑物底层地面下铺设陶粒混凝土垫层,起到防潮、保温作用,可解决北方寒冷地区底层地面冬天冷、夏天潮湿的问题。

陶粒轻骨料混凝土可制成陶粒混凝土砌块。以轻质陶粒、粉煤灰、水泥基胶凝材料为主要原料,以泡沫剂为发泡剂,经养护并经切割而制成的砌块。干表观密度为500-800kg/m³,抗压强度为3.5-7.5Mpa,导热系数为0.16-0.25W/m·K。用于非承重和有保温隔热要求的建筑围护结构中。

陶粒轻骨料混凝土应用于墙板,通常内置钢筋网架,具有优良的吸音、保温、耐火效果及可靠的力学性能。施工方便快捷,建造成本低。

陶粒的多孔结构可以起到吸声、隔声的作用,因此,陶粒轻骨料混凝土可应用于公路声屏障。我国高速公路总里程已超过10万公里,位居世界第一位,但配置的公路声屏障很少,交通噪声问题比较严重。

据不完全统计,截止2010年,我国已建成高速公路声屏障不足160km,与发达国家差距较大,美国在2000年时公路声屏障总里程已超过5000km。高铁在我国大力发展高速铁路的今天,高速列车行驶时产生的噪音成为必须面对和解决的问题,在铁路两旁设置声屏障成为噪音治理的有效措施。法国、日本等高铁技术发展较早的国家,过去主要采用金属声屏障,后期大部分因疲劳破坏,已进行更换,工程建造及维护费用高;而在高速铁路发达的德国普遍使用混凝土声屏障,该结构形式耐久性好,且坚固、牢靠,可根据当地民族文化创作成各种艺术结构体,建造及维护费用低,相比金属声屏障有较大优势。

陶粒轻骨料混凝土也可制成轨道吸音制品。以陶粒作为轻骨料,高强水泥作为胶凝材料,辅以聚酯纤维和减水剂等材料,制备的一种无砟轨道道床吸音板。吸音板在6个中心频率下的平均吸音系数达到0.72,降噪系数(NRC)达到0.82,属于吸音产品中的优秀水平。鹤岗鹏程科技有限公司等企业从事该产品的生产。

1、固废处置。工业和信息化部发布2018年第26号公告,施行《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》和和《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》,陶粒制品也作为主要产品名列其中。在相关环保政策的推动下,污泥等固废类陶粒生产线不断增加。资源化处置固体废弃物成为行业热点,由于陶粒生产可吸纳各种固体废弃物,因此部分陶粒企业具有了环保功能,成为了环境治理商以及固废处置中心。如重庆部分陶粒企业作为政府固定的污泥处置的服务点,来协助处置固定片区的污水处理厂污泥。天津大邱庄污泥处置中心日处理300吨污泥制陶粒。

2、装配式建筑。砂石价格飞涨,装配式建筑不断发展,为陶粒在大型预制构件的应用,带来新的发展机遇,一些预制构件企业探索利用陶粒混凝土生产装配式构件。建筑部品等以所谓“搭积木”的模式进行拼装建造,建筑构件的运输、吊装、拼接就成为关键的施工步骤,对整个工程的造价、质量影响极大,因此在保证性能的前提下,研发轻量化的建筑构件和部品必将成为一个极具现实意义的发展方向。

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