一种水泥固化飞灰的方法

本发明涉及飞灰固化，尤其涉及一种水泥固化飞灰的方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、垃圾在焚烧过程会产生大量的飞灰，约占入炉垃圾量的3％～5％。飞灰因其富含重金属、二噁英类污染物被归为危险废物(hw 18)。飞灰在进行填埋和其他处置方式之前必须要经过处理使其污染物含量达到相应标准，对于飞灰中的重金属，水泥固化技术是应用时间最早的固化技术，其原料价格低廉、操作简易、固化效果好。然而在水泥固化技术的长期使用过程中存在以下不足：

3、(1)传统水泥固化处理若要使重金属浸出浓度达标，往往需要添加大量的水泥和水，现有技术中，水泥固化中水泥掺量大于40％，液固比大于0.4。经过水泥固化处理后，固化产物体积会显著增加，在后续填埋处置中需要占用更多的土地资源。

4、(2)在传统水泥固化处理中若要减少水泥的添加量，往往会辅助加入一些螯合剂增加其对重金属的固化/稳定化效果，这样会增加其处理成本。

5、(3)传统水泥固化处理的过程中水泥水化反应活性低，飞灰自身的火山灰活性难以有效激发，浪费其富含的大量火山灰组分。

6、因此，如何调控水泥与飞灰的比例，充分发挥飞灰自身的火山灰活性同时又能固化飞灰中的重金属成为飞灰固化的关键。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明提供了一种水泥固化飞灰的方法。本发明中通过理论模型计算飞灰与水泥的配比以及固化所需的水的量，充分发挥飞灰自身火山灰组分的性能，减少水泥的浪费，进一步减少填埋处置的固化产物的体积。同时通过球磨以及水泥固化，可以将飞灰中的重金属进行固化，使其达到相应污染控制标准。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种水泥固化飞灰的方法，包括：

4、(1)测定飞灰和水泥的化学组成，确定飞灰与水泥的添加配比以及加水量；飞灰中的化学组分在补充水泥后，组成水泥熟料矿物，计算飞灰中化学组分的质量分数与水泥中化学组分的质量分数，进而确定飞灰与水泥的添加配比；飞灰中的化学组分在补充水泥后，组成的水泥熟料矿物发生水化反应，通过计算水化反应方程式中水泥熟料矿物组分与水的质量比，进而获得加水量；

5、(2)按照步骤(1)中计算的配比将飞灰和水泥置入球磨机中，进行球磨；

6、(3)球磨完成后，按照步骤(1)中计算的加水量进行加水，后搅拌混合均匀；

7、(4)将混合均匀后的产物进行填埋处理。

8、进一步地，所述飞灰和水泥为烘干后的飞灰和烘干后水泥；优选的，烘干的条件为在100～110℃下，烘干至恒重。

9、进一步地，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

10、进一步地，所述飞灰的化学组成包括：cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3；

11、优选的，所述飞灰中的化学组成是通过x射线荧光光谱仪测定。

12、进一步地，所述水泥的化学组成包括：cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3；

13、优选的，所述水泥的化学组成可以通过x射线荧光光谱仪测定。

14、进一步地，所述水泥熟料矿物组分包括硅酸三钙(3cao·sio3简写成c3s)、硅酸二钙(2cao·sio2简写成c2s)、铝酸三钙(3cao·al2o3简写成c3a)和铁铝酸四钙(4cao·al2o3·fe2o3简写成c4af)。

15、优选的，当确定了水泥中cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3的量，可以利用bogue公式计算水泥熟料矿物组分的量；

16、其中，bogue公式：

17、c3s＝(4.071×％cao)-(7.600×％sio2)-(6.718×％al2o3)-(1.430×％fe2o3)-(2.852×％so3)；

18、c2s＝(2.867×％sio2)-(0.7544×％c3s)＝(-3.075×％cao)+(8.608×％sio2)+(5.073×％al2o3)+(1.071×％fe2o3)+(2.154×％so3)；

19、c3a＝(2.650×％al2o3)-(1.692×％fe2o3)；

20、c4af＝3.043×％fe2o3。

21、进一步的，所述飞灰和水泥的添加配比通过以下公式进行确定：

22、每1g飞灰(干基)需要加入的水泥(干基)质量x(g)：

23、

24、其中，a、b、c和d分别为飞灰(干基)中cao、sio2、al2o3和fe2o3质量分数；a、b、c和d分别为水泥(干基)中cao、sio2、al2o3和fe2o3的质量分数；

25、本着将飞灰自身火山灰组分最优利用、水泥最少浪费为原则，理论上将飞灰(干基)假设为水泥(干基)，即假设飞灰中cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3也会如同水泥中的cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3按照bogue公式组成水泥中熟料矿物，后熟料矿物组分发生水化反应。由于飞灰(干基)中cao的质量相比较于其他参与水化反应的成分的占比是最大的，且sio2、al2o3、fe2o3的质量分数小于水泥中sio2、al2o3、fe2o3的质量分数，飞灰中的so3质量分数大于水泥中so3的质量分数，所以只需要补充sio2、al2o3、fe2o3即可。1g飞灰(干基)相当于水泥(干基)，水泥(干基)中应含有的sio2、al2o3、fe2o3；而实际这1g飞灰(干基)中有b g sio2、c g al2o3、dg fe2o3；所以需要补充sio2、al2o3、fe2o3；相当于需要补充水泥。因此，限定水泥(干基)的量为g和中的最大值即可以满足补充sio2、al2o3、fe2o3的需求。

26、进一步的，所述飞灰与水泥的加水量通过以下公式进行确定：

27、每1g飞灰(干基)的加水量(质量)的公式为：

28、

29、其中，a为飞灰(干基)中cao的质量分数；a、b、c、d和e分别为水泥(干基)中cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3的质量分数；

30、a'＝4.071×a-7.600×b-6.718×c-1.430×d-2.852×e；

31、b'＝2.867×b-0.7544×a'＝-3.075×a+8.608×b+5.073×c+1.071×d+2.154×e；

32、c'＝2.650×c-1.692×d；

33、d'＝3.043×d。

34、利用bogue公式计算水泥中水泥熟料矿物组分：硅酸三钙(3cao·sio3简写成c3s)、硅酸二钙(2cao·sio2简写成c2s)、铝酸三钙(3cao·al2o3简写成c3a)和铁铝酸四钙(4cao·al2o3·fe2o3简写成c4af)的量。

35、bogue公式：

36、c3s＝(4.071×％cao)-(7.600×％sio2)-(6.718×％al2o3)-(1.430×％fe2o3)-(2.852×％so3)；

37、c2s＝(2.867×％sio2)-(0.7544×％c3s)＝(-3.075×％cao)+(8.608×％sio2)+(5.073×％al2o3)+(1.071×％fe2o3)+(2.154×％so3)；

38、c3a＝(2.650×％al2o3)-(1.692×％fe2o3)；

39、c4af＝3.043×％fe2o3。

40、因此，1g水泥(干基)中：

41、c3s的量为：a'＝(4.071a×1g－7.600b×1g－6.718c×1g－1.430d×1g－2.852e×1g)，

42、c2s的量为：b'＝(2.867b×1g-0.7544c3s＝-3.075a×1g+8.608b×1g+5.073c×1g+1.071d×1g+2.154e×1g)；

43、c3a的量为：c'＝(2.650c×1g-1.692d×1g)；

44、c4af的量为：d'＝3.043d×1g。

45、加入的水是用于水泥中熟料矿物组分发生的水化反应，其水化反应方程式为：

46、2(3cao·sio2)+6h2o→3cao·2sio2·3h2o+3ca(oh)2；

47、2(2cao·sio2)+4h2o→3cao·2sio2·3h2o+ca(oh)2；

48、3cao·al2o3+6h2o→3cao·al2o3·6h2o；

49、4cao·al2o3·fe2o3+7h2o→3cao·al2o3·6h2o+cao·fe2o3·h2o；

50、因此，通过每一个水化方程式中水泥熟料矿物组分与水的质量比，可以获得1g水泥(干基)发生水化反应所需的水的量为1g飞灰(干基)相当于水泥(干基)，因此每1g飞灰(干基)需要加入水量为：

51、进一步的，球磨过程中，球料比为(3～5):1，优选为4:1；主盘公转转速为200～400rpm，优选为300rpm；磨罐自传转速为500～800rpm，优选为600rpm；球磨时间为20～40min，优选为30min。

52、本发明的有益效果在于：

53、(1)本发明能够固化重金属的机理在于：一方面，球磨过程中部分重金属会被固化/稳定化。球磨过程中，反应物存在晶格破损、重组的现象，部分重金属离子会在此过程中被包裹在晶格空隙内；部分重金属化合物在机械力的激发下，自身晶型发生转变，由易溶态晶型转化为难溶态晶型；部分重金属在机械力的激发下，与反应物中的oh-、sio32-等离子结合，形成沉淀。反应物颗粒粒径减少，产生的新鲜表面可以吸附重金属；较小的颗粒在机械力作用下相互粘结形成团聚体，部分重金属会被包裹在其中。另一方面，在水化反应过程中，重金属离子可以通过吸附、化学吸收、沉降、离子交换、钝化等多种方式与水泥发生反应，最终以溶解度较低的盐类或络合物的形式停留在水泥水化形成的水化胶体中。形成固化体后，重金属被包裹在其中，降低了重金属的浸出。并且在球磨过程中，反应物(飞灰和水泥)的颗粒粒径减小，从而暴露出更大的接触面积，反应活性增强，两者被充分混合并均质化，故水化反应过程也会更加充分，重金属的固化效果更好。因此本发明最终固化产物的浸出液中主要重金属污染物(zn、pb、cu、cd、cr、ni)的浸出浓度全部满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(gb 16889-2008)中对固化飞灰入场填埋的要求。

54、(2)假设飞灰中cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3也会如同水泥中的cao、sio2、al2o3、fe2o3和so3按照bogue公式组成水泥中熟料矿物，通过理论模型计算飞灰与水泥的配比以及固化所需的水的量，充分发挥飞灰自身火山灰组分的性能，减少水泥的浪费，进一步减少填埋处置的固化产物的体积。