英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
烧结矿轻质集料的性能和微观结构污泥灰
CR Cheeseman lowast;, GS Virdi
英国伦敦帝国理工学院SW7 2BU土木与环境工程系环境控制与废弃物管理中心
摘要
已经研究了由污泥的流化床焚烧产生的灰制造的轻骨料（LWA）的性质。 将灰分与粘土粘合剂混合，形成近似球形的颗粒并在旋转管式炉中在1020至1080◦℃的温度下快速烧结。 已经确定了与用作轻质骨料有关的烧结灰粒的选定物理性质，包括密度（表观比重），吸水率和压缩（压碎）强度。 这些已经与市售轻质集料（Lytag）的性能进行了比较。 发现在一定温度范围内烧结的污泥灰（SSA）颗粒与Lytag相比具有较低的密度和在约1050与1080◦℃之间烧制时吸水率低。 单独的颗粒强度与Lytag相当。 存在于接收和烧结的污水污泥灰中的主要结晶相是石英（SiO2），磷酸钙镁矿物白石（Ca7Mg2P6O24）和赤铁矿（的Fe2O3）。 随着垃圾填埋处理成本的不断增加以及从日益偏远的地方获得的替代天然集料的成本也在增加，来自污水污泥灰的轻质集料制造可能变得越来越可行。 污水污泥焚烧炉往往位于城市地区，靠近施工活动发生地。 结果表明，使用相对简单的处理和低温烧结，可以从污水污泥焚烧产生的无菌惰性灰生产高质量轻质集料。
关键词：轻骨料; 污水灰渣; 烧结; 废物再利用; 焚化
1. 介绍
污水污泥来源于废水处理过程中化学絮凝，絮凝和沉降单元过程中固体积聚。 它是一种在水悬浮液和溶液中的有机和无机物质的复杂而多变的混合物，可能含有活的病原体和寄生虫以及各种潜在的有毒元素和化合物。 它具有很高的耐腐蚀性，需要稳定性以减少气味和吸引力。 在英国，污水污泥的产量目前每年略高于100万吨（干固体）。 随着废水处理方法变得更加有效并且大量微生物和固体从污水流出物中去除，这一数字预计将在未来增加。 处理污水污泥的处理需要仔细考虑，如果要以环境可接受和可持续的方式进行管理。
在20世纪90年代，大多数欧盟国家农业使用的污水污泥的比例增加，目前在奥地利，比利时，法国和英国的土地上使用的污泥中有一半以上用于农业，德国和瑞典则使用约40％。 然而，人们担心污泥持续施用于土地，瑞士政府最近禁止土地在牧场和市场花园蔓延，并将从2005年10月起禁止在所有土地上扩散。这是因为土地撒播可能与长期的土地利用有关，因为污泥含有重金属，病原体和有机污染物，可能会传播给植物，牲畜和人类（Spinosa和Veslind，2001）。
焚烧是土地扩散和处理以及污泥填埋的可行替代方案。 英国并未广泛使用污泥焚烧，目前焚烧处理的污泥总量约为19％威廉姆斯， 1998). 污泥的干燥固体含量具有较高的热值（20-40MJ / kg），如果通过压榨或离心降低水分含量，则发生自热燃烧。
目前在伦敦东部有两个污水污泥流化床焚烧炉工厂，在北部污泥处置禁令后，这被认为是Beckton和Crossness污水处理厂产生的污泥的最佳可行环境选择（BPEO） Beckton和Crossness污泥焚烧炉每年处理373,000吨脱水污水污泥，约1％的污泥原始质量形成无菌惰性污泥灰（SSA）。 由于目前它不被认为是危险废物，因此将其运往场外并填埋。 然而，垃圾填埋处理并不理想，收紧立法和不断增加的成本为开发替代经济可行的再利用和再循环方案提供了越来越多的激励措施。
这些替代方案包括在农业中使用SSA。 SSA可用作酸性土壤上的浸灰剂，也可能带来农艺效益，尽管人们担心高重金属含量（Zhang等人，2002a，b）。
大量的工作也研究了处理SSA以形成新的陶瓷材料。 其中包括日本和德国在使用SSA作为砖块制造中粘土的部分替代方面的广泛工作（Anderson等，1996; Trauner， 1993; Wiebusch和Seyfried，1997; Wiebusch等，1998），据报道一个在东京附近经营的工厂，生产100％SSA（Okonu和Takahashi， 1997).
关于从SSA生产玻璃陶瓷的研究也有报道（远藤 等人，1997; Suzuki等，1997）， 添加SSA对水泥砂浆的影响（Bhatty和 里德，1989a; Monzo#39;等人，1999; Pan等人，2003）和沥青铺路混合料中SSA的使用（Al Sayed等，1995）。
用于建筑的天然骨料的提取与显着的不利环境影响相关。 因此，英国政府已经对天然集料，沙子，岩石和砾石（除了一些例外）提取税。 预计这将增加替代“二级”或废物衍生的生产聚集体的可行性和使用性（HM Customs and Excise，2002）。
由于某些类型的精细矿物废料和燃烧残渣的轻质集料（LWA）的生产代表了特别有吸引力的再利用应用，因为LWA具有比正常体重总量更高的值（欧文斯和纽曼，1999a，b）。 天然聚集体通常具有2.4-2.8g cmminus;3的颗粒密度，而LWA密度范围为0.8到2.0克厘米minus;3。 因此，LWAs被用于生产轻质混凝土，轻质砌块和其他轻质建筑产品。 低密度还提供了额外的好处，例如更高的绝热性和热惰性，并且它们还用于其他应用，例如轻质土工填料，绝缘产品，土壤工程，水文化，排水，屋顶花园和过滤器。
有许多类型的商用LWA。 这些材料可以是天然存在的低密度材料，例如浮石，矿渣，火山灰或硅藻土，也可以通过热处理粘土，页岩，硅质岩或石板（Liapor，Optiroc，Buildex，Stalite，Haydite，Perlite，Norlite和Solite）。 LWA也由工业副产品制造，如粉煤灰，造纸厂污泥，污水污泥和膨胀高炉矿渣。 Lytag是英国生产的主要LWA，它是通过烧结来自燃煤发电站的粉煤灰而制造的（Owens，1993）。
SSA制造LWA在英国可能是可行的，因为：
(i)由于填埋税和欧盟填埋指令的要求，垃圾填埋场处置SSA的成本正在增加。
(ii)由于征收每吨提取总量的总量税，初级天然总量的成本已经增加。
(iii)在英国的一些地区，尤其是在伦敦和英格兰东南部等大型房屋建筑正在发生的地区，缺乏现成的集料。 因此，天然集料越来越多地被运往这个地区，并对可持续性产生影响。
(iv)生产SSA的污泥焚烧炉厂往往位于靠近施工活动发生地的城市地区。 因此，LWA的潜在来源可以在需要这些材料的地方使用。
(v)低成本废弃LWA的可用性为开发具有改善的隔热和隔音性能的产品提供了机会。
之前已经报道了研磨和压实的SSA的烧结和浸出特性（Cheeseman等，2003）。 当样品在1000和1020◦℃之间烧制时，烧结产生具有最大密度的潜在有用的陶瓷材料。
早期的工作也证明了SSA生产LWA的潜力（Bhatty 和Reid，1989b; 叶和泰，1999年）。 这项研究的目的是表征由Beckton污泥焚烧炉生产的造粒和烧结SSA生产的轻质集料的性能和微观结构。 SSA用于“原样”，没有通过研磨减小粒度，报道了烧结温度对关键物理和微观结构特性的影响，并且烧结的SSA粒料的性能与Lytag相比。
2. 试验
2.1. 物料
Beckton污泥焚烧炉的总吞吐量为每小时4.5吨干固体，并有三个工作流，每个工作流的床面积为20米2。 最大发电量为11.4兆瓦，工厂每天生产大约21.6吨的垃圾填埋场。 从Beckton焚化炉收集代表性的一批SSA。 这似乎是一种均匀的细粉，不含任何明显的块状物或附聚物。 从14个月期间收集的23个样品中获得的SSA中重金属平均浓度数据， 表格1。 SSA含有相对高浓度的一系列潜在环境问题的金属，包括Zn，Cu，Pb，Mn，Cr，Ni和Cd。
2.2. 污水灰渣表征
通过将样品加热至105◦C 24小时来测量原样SSA的平均含水量。 通过将10g样品加热至775◦C确定灼烧减量24小时。 通过激光衍射（Beckman Coulter LS-100）在0.4至900mu;m范围内分析所接收的SSA的粒度分布。 使用具有40mA和40kV Cu Kcx辐射的Phillips PW 1830衍射仪系统通过X射线衍射（XRD）测定存在于干燥的SSA中的结晶相。
表格1
Beckton污泥灰（SSA）中重金属的平均浓度
2.3. 从SSA制备LWA小丸
将SSA与不同量（1-16重量％）的干伦敦粘土充分混合以帮助形成颗粒。 还使用1重量％的有机粘合剂（Alcotac CB6，Ciba Specialty Chemicals）在后来的混合物中代替粘土粘合剂。 加入控制量的水直至混合物稠度允许形成近似球形的8-10mm直径丸粒。 然后将粒料通过旋转电子管炉（Carbolite）进行烧结。 该管具有7.7厘米的内径和150厘米长，具有90厘米的加热区。 旋转速度为每分钟2.8转，倾斜角度保持恒定2◦。 为了控制颗粒横穿炉子，在管内安装了一系列挡板。 在这些条件下平均颗粒横越时间为10分35秒（标准差，2分钟，n = 30）。
2.4. 烧结样品的表征
通过测量颗粒的干质量m干，浸泡质量mIMM和24小时饱和表面干质量mSAT来测定烧结的SSA颗粒的干密度（表观比重）和吸水性质内维尔，1994）。 使用阿基米德的原理，单个颗粒密度计算自：
24小时吸水值由下式计算得出：
已经装载单个小球以在两块平行板之间断裂。 应力分析表明，当球体在直径相对的点上被压缩时，压缩强度S由（Yashima等，1987）：
其中X是加载点之间的距离，Pc是断裂载荷。通过在每个烧结温度下制备的最少10个丸粒完成的测试来计算强度的平均值。
商业制造的轻质集料Lytag的物理性质（颗粒密度（n = 12），吸水率（n = 12）和抗压强度（n = 10））也使用与烧结SSA颗粒相同的测试技术测定。 将粉碎的SSA烧结样品研磨至lt;150mu;m以确定XRD存在的结晶相，使用与表征原样的条件相同的条件SSA。 还使用扫描电子显微镜（JEOL JSM-5610LV）研究了样品的断裂表面（Au涂层）以研究烧结微结构。
3. 结果
3.1. 收到的SSA属性
存在于原样SSA中的残留水分含量为0.14wt％。 灼烧失重一直导致重量损失约1.3％，这被认为是由于灰中存在的残余有机碳的氧化和挥发造成的。
SSA的不同亚样品的粒度分析显示在图5中 图。1。 这表明具有相当一致的材料，其平均粒度约为100mu;m并具有相对宽的粒度分布。
如图所示的原样SSA的XRD数据 图2 （底部痕迹）表明存在的主要晶相是石英SiO2，磷酸钙镁矿物白石Ca7Mg2P6O24和一些赤铁矿Fe2O3。
3.2. 烧结的SSA颗粒的物理性质
烧成温度随烧结温度的变化如表1所示 图3。 吸水率数据显示在 图4 这两个数字都包含了Lytag的对比测试数据。
在1040和1060◦C之间烧结的样品的最大密度更高
温度导致密度降低。 在1080◦C以上烧制会产生在炉内凝聚的粒料，因此这代表了烧结温度的上限。
在1000◦C以下烧制的SSA颗粒较弱，颗粒上松散结合的颗粒
表面。 可以烧结SSA以得到具有合适密度的丸粒，用作相对较宽温度范围内的轻质骨料。
理想情况下轻质骨料颗粒的吸水率应尽可能低。 烧结SSA吸水率数据不断下降
烧结温度表明可接触水的表面连通孔隙的体积减少。 似乎SSA需要在大约1050◦C下烧结以具有与Lytag类似的吸水性质，并且在1060◦C以上的烧结产生具有非常低吸水性的颗粒。 比较密度和吸水率数据清楚地表明随着烧结温度的升高，孔隙性质的变化。 在低于密度峰值的温度下，颗粒含有显着的连续的，表面连通的水可达孔隙。 随着温度的升高，孔隙率变得不连续和分离，导致密度低，吸水率低的产品。
图5 显示了烧结温度对压缩强度的影响。 Lytag被认为是一种相对较高强度的轻质骨料，烧结SSA在1050和1070◦C之间烧制时可生产具有相同强度的丸粒。
3.3. 烧结SSA的微观结构分析
在1020◦℃下烧结的原样接受的SSA和SSA颗粒的XRD数据的比较（图2， 中间痕迹）和1070◦C（图2， 顶部痕迹）表明没有发生显着的晶体学变化。 存在的主要结晶相为石英，具有一些赤铁矿（Fe2O3）的白石（Ca7Mg2P6O24）。
图6 显示了使用在1020,1060和1070◦℃下烧结的有机粘合剂制备的SSA轻质骨料颗粒样品的断裂表面的SEM显微照片。 这些清楚地显示了通过增加烧结温度引起的显微组织变化，
在1020◦C烧结产生相对较差烧结的细粒状材料（图6一个）。 断裂主要发生在颗粒之间，并且存在广泛的颗粒间连通孔隙。 这与这种样品获得的高吸水率和低抗压强度数据一致。
在1060◦C（图6b）显示一个结构良好，密集的矩阵
含有大量孤立近似球形孔隙的材料。 尽管有证据显示一些更大的孔隙，但这些孔隙似乎主要位于1-10微米直径范围内。 在此温度下烧结产生密度相对较低的样品，虽然这些样品比在较低或较高温度下烧结获得的样品要高。 由于孔隙的封闭性质和高强度，由于相对小的孔径和强的基质材料，样品也具有低吸水率。 这
全文共6916字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11012]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
