油页岩复合灰制备微晶玻璃及其固化垃圾焚烧飞灰的研究

发布时间：2019-07-31 19:45

【摘要】：本文选取油页岩飞灰(OSFA)为主要研究对象,在高掺杂油页岩飞灰的情况下,将其制备成高附加值灰渣微晶玻璃,并研究了碱度对微晶玻璃性能的影响。在此基础之上,从提高工业废物在灰渣微晶玻璃中的消纳量以及降低能耗角度出发,基于不同废物的化学组成特点,将油页岩飞灰和城市垃圾焚烧底灰优势配伍制得油页岩复合灰,使其化学组成满足CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃的要求,然后利用油页岩复合灰熔融后得到的复合型玻璃质熔渣与油页岩飞灰二次复合共烧结制得微晶玻璃。同时,鉴于复合型玻璃质熔渣较高的烧结活性和析晶能力,将其作为固化剂对城市垃圾焚烧飞灰进行固化／稳定化处理。其具体内容和主要研究结论如下：(1)通过调控CaO和A1203在油页岩飞灰中的含量,得到具有不同碱度(CaO/SiO2)的初始玻璃配料,采用高温熔融／水淬和一步烧结法将其制备成CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃。利用Kissinger-Augis-Benne方程研究了碱度对微晶玻璃析晶动力学的影响,并借助差示扫描量热法、X-射线衍射分析以及毒性浸出测试等方法研究了碱度对微晶玻璃的结晶相组成、微观结构、机械物理性能、耐化学腐蚀性以及重金属毒性浸出的影响。结果表明,微晶玻璃的析晶机理为表面析晶机理,当碱度从0.2增加到0.5时,析晶活化能从231.61 kJ/mol降低到196.84 kJ/mol。微晶玻璃的主晶相由钙长石(CaAl2Si2O8)转变成钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)和钙长石的多晶共存体系。微晶玻璃的抗压强度值和抗弯强度值随着碱度的增大逐渐增强,当碱度为0.5、烧结温度为1050℃时,分别达到最大的186 MPa和78 MPa。微晶玻璃对酸碱溶液的抗腐蚀性能力由强到弱依次为:NaOH HAc H2SO4。重金属的毒性浸出测试(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)表明,微晶玻璃浸出液中的重金属浓度远低于US EPA规定的重金属浸出阈值,重金属被稳定地固化于形成的晶格网络中,对环境具有良好的稳定性和安全性。(2)油页岩飞灰和城市垃圾焚烧底灰通过优势配伍制得复合型玻璃质熔渣,然后将介稳态的复合型玻璃质熔渣与油页岩飞灰二次复合共烧结制得微晶玻璃。通过对微晶玻璃的结晶相类型、物理机械性能(烧结收缩率、重量损失率、密度和抗压强度)和耐化学腐蚀性的分析,研究了复合型玻璃质熔渣添加量和烧结温度对微晶玻璃性能的影响。研究结果表明,微晶玻璃的主晶相是钙长石和石英。烧结收缩率、密度和抗压强度随着复合型玻璃质熔渣添加量的增加和烧结温度的升高而逐渐增大,但重量损失率则呈现出相反的变化趋势。当烧结温度为1000℃,油页岩飞灰在二次复合料中的含量由10%增加到30%时,复合型玻璃质熔渣衍生微晶玻璃的烧结收缩率从29.61%降至17.2%,密度从2.13 g/cm3降至1.73 g/cm3,抗压强度从139.63 MPa降至35.69 MPa,重量损失率从4.28%升高至8.12%。而缓慢冷却熔渣衍生产品的烧结收缩率由12.43%降至10.28%,密度由1.66g/cm3降至1.55 g/cm3,抗压强度由23.08 MPa降至16.76 MPa,重量损失率由10.35%升高至13.91%。此外,复合型玻璃质熔渣衍生微晶玻璃的耐化学腐蚀性也强于缓慢冷却熔渣衍生产品。这说明介稳态的复合型玻璃质熔渣在相同的烧结温度下具有更强的烧结活性和析晶能力,更易于通过结晶方式降低内能向稳定的结晶态转变,烧结产品中的晶体体积分数更大,微观结构更加紧密,产品的性能越强。在复合型玻璃质熔渣衍生微晶玻璃的抗压强度满足天然大理石建材标准的情况下,对比常规路线的制备过程,所提方法的能耗降低率可以达到5.91-12.53%。(3)复合型玻璃质熔渣较强的烧结活性和析晶能力使得其易于通过黏性液体流动传质过程实现混合态粉末的烧结致密化和结晶化。基于此,将其作为固化剂与活性较低的城市垃圾焚烧飞灰在低温下(≤1000℃)进行混合共烧结实验,通过相迁移转化过程中不同物质间的相变反应实现焚烧飞灰的固化和稳定化。结果表明,复合型玻璃质熔渣添加量的增加和烧结温度的升高使得垃圾焚烧飞灰中原有晶体的衍射峰逐渐减弱,烧结产品中出现钙长石(CaAl2Si2O8)、钙霞石(Ca(Al,Si)2O4)、氯磷钙石(Ca10(SiO4)3(SO4)3Cl2)、氯硅铝钙石(Ca6Al5SiO16Cl13)以及重金属化合物等新晶体。复合型玻璃质熔渣添加量的增加使得烧结产品中重金属的残留率逐渐增大,但其浸出浓度依然远远低于美国、欧洲以及我国规定的重金属浸出浓度阈值。氯离子由可溶盐存在转变成化学性质稳定的化合物存在是导致其浸出率和浸出潜力降低的主要原因,且随着复合型玻璃质熔渣添加量的增加而逐渐减小。烧结产品中典型重金属Pb、Cu、Zn和Cr的Cf、Er和RI值都随着复合型玻璃质熔渣添加量的增加和烧结温度的升高逐渐降低且污染水平都属于低等级,因此所得烧结产品可以作为安全无害材料直接利用或者作为二次原材料进一步材料化利用。
【图文】：

逑溶化、蒸发、升华和吸附等巧日化学变化（物质的脱水、解离、氧化和还原等）。逡逑本实验所用的热重分析仪是日本精工公司生产的ＴＧ／ＤＴＡ邋６３００（如图２．１所示）。该逡逑仪器采用的是差示双天平梁原理设计，其工作温度范围是室温至１５００邋°Ｃ，ＴＧ灵敏度为逡逑０．１邋帖，加热速率为邋０．０１－１００邋°Ｃ／ｍｉｎ，，ＤＴＡ邋测量范围（灵敏度）为邋±邋１０００邋１ＩＶ邋（０．０６邋ＨＶ），ＤＳＣ逡逑精度为±２％。ＴＧ／ＤＴＡ邋６３００热分析仪因将试样置于相同的热处理及环境条件下，因此逡逑可在程序控制温度下同时测定样品的重量和热烙随温度的变化关系，消除ＴＧ和ＤＴＡ逡逑单独测试时因试样不均匀性及气氛等因素带来的影响，所测得的ＡＧ和ＡＴ具有严格的可逡逑比性和准确一致的结果。这些精密设计使得该仪器在测定物质相变温度方面具有非常高逡逑的可信度。逡逑本研究选取２０邋ｍｇ的玻璃质格渣粉末（颗粒粒径＜邋１０６邋ｎｍ）进行热重实验，将过筛的逡逑玻璃质烙渣粉末加入到热分析天平氧化铅巧蜗中，在空气气氛下（载气量为１００邋ｌｉＬ／ｍｉｎ），逡逑分别５邋°Ｃ／ｍｉｎ、１０邋°Ｃ／ｍｉｎ、１５邋°Ｃ／ｍｉｎ和２０邋°Ｃ／ｍｉｎ四个不同的升温速率从室温升高至逡逑１２００邋°Ｃ

油页岩复合灰制备微晶玻璃及其固化垃圾焚烧飞灰的研究

实现完全烙融，用特制的夹巧从高温电加热炉中将刚玉巧巧夹出，把高温炫体迅速倒入逡逑装满冷水的铁罐中进行冷却，烙体在急冷的情况下越过析晶区，转变成黑色的玻璃质炼逡逑渣（也称基础玻璃）（如图２．２所示）。将急冷水萍后的玻璃质烙渣颗粒进行收集，经过粗破逡逑碎之后将其放入到１０５邋ＤＣ的鼓风干燥箱中进行烘干处理，待烘干至恒重之后将干燥的逡逑玻璃质格渣颗粒放入全方位行星式球磨机中进行细研磨５邋ｈ，得到粒径不同的粉末，通逡逑过机械筛分选择颗松粒径小于１０６邋ｊｉｍ的玻璃质烙渣粉末备用。逡逑ｗ逡逑—＊邋－逡逑图２．２油页岩飞灰烙融／水巧后得到的玻璃质烙渣逡逑Ｅｇ．邋２．２邋Ｇｌａｓｓ邋ｆｒｉｔｓ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｍｅｌｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ邋ｏＵ邋ｓｈａｌｅ邋ｆｌｙ邋ａｓｈ逡逑２．２．５微晶玻璃的制备逡逑将颗粒粒径小于１０６邋＾１１１１的玻璃质巧渣粉末装入圆柱形和矩形刚玉巧巧中，分别制逡逑成直径为１２邋ｍｍ、高度分别为３邋ｍｍ和１５邋ｍｍ的圆柱形样品，Ｗ及长为４０邋ｍｍ、宽为逡逑１０ｍｍ、高为６ｍｍ的矩形样品。采用一步烧结法在智能箱式电阻炉中Ｗ邋５邋°Ｃ／ｍｉｎ的速逡逑率升至不同的温度热处理２邋ｈ，烧结产品随电阻炉自然降至室温得到微晶玻璃。逡逑－３１邋－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.733;X705

【相似文献】