污泥陶粒焙烧制度优化及其对陶粒性能的影响

污泥陶粒焙烧制度优化及其对陶粒性能的影响
荣辉;张鸿飞;张磊;张颖;徐蕊;宁彩珍;王雪平
【摘要】研究了污泥掺量对陶粒膨胀倍数的影响,对污泥陶粒的焙烧制度进行了初探与优化.研究结果表明:干污泥掺量(0～20％)越多,助熔成分增多,在相同烧结温度下熔化生成的液相就越多,陶粒更易收缩,膨胀倍数变小.添加污泥使得陶粒的焙烧范围变小,污泥掺量越多,焙烧范围越窄.对堆积密度影响程度较大的因素是烧结温度、预热时间,对陶粒1h吸水率影响程度较大的因素是烧结温度、预热温度.
【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2019(046)004
【总页数】6页(P68-72,87)
【关键词】污泥陶粒;焙烧制度;陶粒性能
【作者】荣辉;张鸿飞;张磊;张颖;徐蕊;宁彩珍;王雪平
【作者单位】天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;天津市建筑垃圾与燃煤废弃物利用技术工程中心,天津 300384;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384;天津城建大学材料科学与工程学院,天津 300384
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.041
0 引言
近年来，我国城镇化和经济发展迅猛，污水排放量逐年增加，与此同时污泥产量也在不断上升。

预计到2020年，我国的污泥产量将达到6000万～9000万t。

污水中所含的有机物、重金属、致病微生物等有害物质都被浓缩于污泥中，若污泥得不到合理的处置将会给环境带来二次污染。

当前，我国处置污泥的方式主要有厌氧消化、好氧堆肥、热干化和焚烧等方式，这些方式的资源化利用率较低[1]。

为提高污泥资源化利用率和附加利用值，可把污泥制备成陶粒，将其应用于建材领域。

陶粒制备过程中的影响因素很多，除了仪器设备等因素外，还有原料组成、成球工艺、料球粒径、干燥方式、焙烧制度等因素，这些因素中焙烧制度因涉及到预烧温度、预烧时间、烧结温度、烧结时间、升温速率等影响陶粒性能的多种参数而显得尤为重要[2-8]。

因此，本文研究了不同污泥掺量对陶粒膨胀倍数的影响，并对污泥陶粒焙烧制度进行了初探与优化，确定最佳的焙烧工艺参数，并对陶粒的性能进行测试表征。

1 试验
1.1 原材料
污泥：取自山东省禹城市第二污水处理厂；渣土：取自山东省禹城市郊区。

2种原材料的物理性质如表1所示，化学组成如表2所示。

表1 原材料的物理性质?
表2 原材料的化学组成%?
1.2 试验方案
为确定污泥的最大掺量及焙烧最佳工艺参数，试验共分5组，如表3所示，其中污泥掺量分别为0、5%、10%、15%和20%。

表3 污泥陶粒试验方案?
1.3 试验方法
将渣土、湿污泥自然晾干，粉磨过筛，按照试验方案混料搅拌均匀，加入25%～35%的水，手工搓成粒径8～12 mm的生料球，然后放入电热鼓风干燥箱中于105℃下干燥4 h；将干燥后的生料球放入快速升温箱式电炉，设置焙烧工艺参数进行焙烧，焙烧结束制成陶粒，取出置于空气中快速冷却，最后称量、保存。

陶粒的堆积密度、1 h吸水率、筒压强度按GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》进行测试。

2 试验结果与分析
2.1 污泥掺量对陶粒膨胀倍数的影响
在预热温度400℃、预热时间20 min、烧结时间10 min、升温速率30℃/min 条件下，研究在不同烧结温度下污泥掺量对陶粒膨胀倍数的影响，结果见表4和表5。

设置不同烧结温度是为了确定各原料配比下的最佳烧结温度；设置不同污泥掺量是为了确定制备轻质污泥陶粒的最大污泥掺量。

相关研究表明，熔融物质的量是决定污泥陶粒膨胀的关键[9-10]。

而熔融物质的产生与助熔成分、烧结温度有关。

助熔成分较少时，陶粒产生液相的温度越高，难以形成液相包裹内部气体使陶粒膨胀；助熔成分较多时，陶粒产生液相的温度越低，容易形成液相包裹内部气体使陶粒膨胀，液相量过多会导致收缩剧烈，颗粒密度更大。

当烧结温度达到产生液相温度时，污泥陶粒膨胀性能受内部产生的气体压力影响，气体压力足以克服陶粒外壳液相表面张力时，体积膨胀。

而气体压力主要与内部产气量有关，在污泥陶粒中，高温阶段产气反应主要是碳（来自预热阶段污泥的热解碳化）与氧化铁之间的氧化还原反应，碳与氧化铁的含量越高，产气量越多，陶粒越容易膨胀。

以上可知，助熔成分含量、液相形成温度、有机物与氧化铁的含量、碳化程度等都会影响污泥陶粒的膨胀性能。

表4 不同烧结温度下陶粒的膨胀倍数?
表5 烧结温度对不同污泥掺量陶粒的影响注：□陶粒烧结不充分，焙烧温度可以继续升高；●此时烧结温度为最佳焙烧温度；○在此焙烧温度下，陶粒出现烧熔现象。

?
从表4、表5可以看出：（1）在同一配方下，随着烧结温度的升高，陶粒的膨胀
倍数先增大后减小。

出现这种现象可能是由于烧结温度较低时，陶粒焙烧不充分，难以形成液相包裹内部气体使其膨胀；逐渐升高烧结温度，陶粒表面形成的液相量逐渐增加，液相足够包裹气体使得陶粒膨胀变大；烧结温度过高，陶粒产生液相较多，容易向陶粒内部回填，内部变得密实，导致内部气体逸出，体积变小。

（2）随着污泥掺量增加，陶粒的最佳烧结温度逐渐降低，陶粒烧结温度范围逐渐变窄。

出现这种现象可能是由于不同配比原材料的化学组成不同，随着污泥掺量的增加，陶粒的骨架成分减少，金属氧化物等助熔成分增多，使得陶粒的最佳烧结温度降低，烧结温度范围变窄。

2.2 污泥陶粒的焙烧制度初探
2.2.1 预热温度、预热时间单因素试验
在配方MS5、烧结温度1170℃、烧结时间10 min、升温速率30℃/min条件下，研究预热温度、预热时间对生料球的影响，结果如表6所示。

相关研究表明，预
热是为了使原料中的有机物热解碳化，给高温阶段产气反应做准备；同时为了减少生料球进入高温时因温度急剧变化引起炸裂[9-10]。

因此，设置不同预热温度、不同预热时间研究预热过程对生料球的影响。

表6 预热温度、预热时间对生料球的影响?
从表6可以看出：初始状态，生料球表面、内部均为浅灰色；在250℃时，由于
温度过低，生料球不发生碳化，即使延长预热时间至30 min，变化也不明显；在350℃预热10 min后表面开始变成浅棕色，预热30 min表面完全变成棕色，内
部开始变成浅棕色，说明在350℃下延长预热时间可以提高碳化程度；在450℃
预热10 min生料球就完全变成棕色，预热30 min表面出现“灰化”现象，说明此温度过高。

因此，预热温度范围应该在350～450℃选择，预热时间范围应该在10～30 min选择。

在配方MS5、预热时间20 min、烧结温度1170℃、烧结时间10 min、升温速
率30℃/min条件下，研究预热温度对陶粒堆积密度和1 h吸水率的影响，结果如图1所示。

图1 预热温度对陶粒堆积密度和吸水率的影响
从图1可以看出：（1）随着预热温度的升高，陶粒的堆积密度先增大后减小然后再增大，但变化范围较小。

出现这种现象，可能是由于250～350℃碳化程度低，使得高温阶段产气不足，陶粒难以膨胀；400℃时，预热阶段陶粒碳化彻底，高温下产气量较多，使得陶粒膨胀，密度降低；450℃时，虽然预热阶段碳化彻底，但随着预热温度的升高，预热阶段产生的气体逸出量增多，影响到高温阶段陶粒的膨胀，从而使得陶粒体积变小，密度增大。

（2）随着预热温度的升高，陶粒的1 h
吸水率略有增大，但增大的幅度很小，说明预热温度对陶粒的吸水率影响不明显。

在这5组预热温度下，陶粒的堆积密度都在同一密度等级，而且变化很小，考虑
预热对生料球的影响，确定400℃为最佳预热温度。

在配方MS5、预热温度400℃、烧结温度1170℃、烧结时间10 min、升温速率30℃/min条件下，研究预热时间对陶粒堆积密度和1 h吸水率的影响，结果如图
2所示。

图2 预热时间对陶粒堆积密度和吸水率的影响
从图2可以看出：（1）随着预热时间的延长，陶粒的堆积密度先减小后增大，在预热时间20 min时堆积密度最小。

出现这种现象可能是由于预热时间10 min时，预热时间太短碳化不彻底，高温阶段产气量不足，陶粒膨胀效果不明显；随着预热
时间的延长，碳化程度加深，高温阶段产气量增多，陶粒膨胀体积变大，堆积密度变小；预热时间30 min时，预热时间过长，此时碳化较彻底，但预热产生的气体逸出量增多，影响到高温阶段陶粒的膨胀过程，使得陶粒堆积密度变大。

（2）随着预热时间的延长，陶粒的1 h吸水率先减小后增大，但变化幅度不大，说明预热温度对陶粒的吸水率影响不明显。

在这3组预热时间下，预热时间20 min陶粒的堆积密度最小，同时考虑预热时间对生料球的影响，优先从10～30 min内选择，确定20 min为最佳预热时间。

2.2.2 烧结温度、烧结时间单因素试验
在配方MS5、预热温度400℃、预热时间20 min、烧结时间10 min、升温速率30℃/min条件下，研究烧结温度对陶粒堆积密度和1 h吸水率的影响，结果如图
3所示。

图3 烧结温度对陶粒堆积密度和吸水率的影响
以往研究表明，烧结温度是影响陶粒发泡膨胀和后期性能的主要因素之一[11-13]。

烧结温度过低，陶粒焙烧不充分，难以形成液相包裹陶粒内部气体，无法使其膨胀；烧结温度过高，陶粒产生液相较多，容易向陶粒内部回填使得气体逸出，进而影响膨胀效果。

从图3可以看出：（1）随着烧结温度的升高，陶粒的堆积密度先增大后减小，在1150℃时堆积密度最大。

出现这种现象可能是由于烧结温度1000～1150℃时，
温度较低，陶粒表面没有形成釉层，未能包裹内部气体，气体逸出体积变小，随烧结温度升高堆积密度变大；烧结温度1150～1200℃时，陶粒表面形成的釉层刚好能够包裹内部气体，产气量逐渐增加，陶粒体积膨胀，堆积密度逐渐变小。

（2）随着烧结温度的升高，陶粒的1 h吸水率先降低后略有升高，升高的幅度较小。

出现这种现象可能是由于低温阶段陶粒表面粗糙未能形成釉层，陶粒1 h吸水率较大；随着烧结温度的升高，陶粒表面逐渐出现液相形成釉层，吸水率逐渐变小；当烧结
温度升至1200℃时，陶粒产生更多的液相，向陶粒内部回填，此时气体向外逸出形成逸出通道出现部分连通孔，使得吸水率略有增大。

在配方MS5、预热温度400℃、预热时间20 min、烧结温度1170℃、升温速率30℃/min条件下，研究烧结时间对陶粒堆积密度和1 h吸水率的影响，结果如图
4所示。

图4 烧结时间对陶粒堆积密度和吸水率的影响
从图4可以看出：（1）随着烧结时间的延长，陶粒堆积密度呈先下降后趋于基本平稳趋势。

出现这种现象可能是由于当烧结温度达到膨胀温度后，陶粒内部开始产生气体，随着烧结时间的延长，气体逐渐增多形成一定膨胀气压，当气体膨胀压力足以克服陶粒外壳液相表面张力时，体积膨胀密度减小。

继续延长烧结时间，若产气反应尚未结束，气压膨胀压力将大于液相表面张力，气体冲出陶粒，体积会出现一定程度的缩小；若产气反应已经结束，陶粒处在一种膨胀力与收缩力的动态状态，密度不会发生较大变化。

（2）随着烧结时间的延长，陶粒的1 h吸水率先减小后增大，但变化不大，说明此时的烧结温度已经达到形成液相的温度，陶粒表面形成较多液相，可以有效阻隔水的进入，而延长烧结时间对陶粒1 h吸水率影响并不会太明显。

2.3 污泥陶粒焙烧制度的优化
2.3.1 正交试验设计
经过污泥陶粒的焙烧制度初探，可确定初步的焙烧工艺参数，但是它存在着不确定性。

为了得到最优的焙烧工艺参数，在上述单因素试验基础上设计正交试验，因素水平见表7，正交试验结果及极差分析见表8。

表7 正交试验因素水平?
2.3.2 正交试验结果与分析
表8 正交试验结果及极差分析?
从表8可以看出：（1）通过正交试验可以制备出1000、1100、1200、1300
kg/m3密度等级的污泥陶粒。

对堆积密度影响程度最大的因素是烧结温度，其次
分别是预热时间、升温速率、烧结时间、预热温度。

对陶粒1 h吸水率影响程度最大的因素是烧结温度，其次分别是预热温度、预热时间、烧结时间、升温速率。

（2）随着烧结温度的升高，污泥陶粒的堆积密度呈现逐渐减小的趋势，在烧结温度1130℃时堆积密度最大，在烧结温度1190℃时堆积密度最小。

烧结温度较低时，陶粒焙烧不充分，表面没有形成釉层，未能包裹内部气体，气体逸出体积变小，堆积密度较大。

烧结温度为1150～1190℃时，陶粒表面形成的釉层刚好能够包裹内部气体，随着烧结温度的升高，产气量逐渐增加，陶粒体积膨胀，堆积密度逐渐变小。

预热温度为300～350℃时，碳化程度低，使得高温阶段产气不足，陶粒难以膨胀；预热温度为350～400℃时，预热阶段陶粒碳化彻底，高温下产气量较多，使得陶粒膨胀，密度降低；预热温度为400～450℃时，虽然预热阶段碳化彻底，但随着预热温度的升高，预热阶段产生的气体逸出量增多，影响到高温阶段陶粒的膨胀，从而使得陶粒体积变小，密度增大。

因此，预热温度选择400℃，烧结温
度选择1190℃。

（3）随着烧结温度的升高，陶粒的吸水率呈先减小后增大的趋势，在烧结温度为1170℃时吸水率最小。

温度较低时，陶粒表面粗糙未能形成釉层；烧结温度较高时，陶粒产生更多的液相，向陶粒内部回填，此时气体向外逸出形成逸出通道出现部分连通孔，使得吸水率略有升高。

预热时间10 min时，预热时间太短碳化不彻底，高温阶段产气量不足，陶粒膨胀效果不明显；随着预热时间的延长，碳化程度加深，高温阶段产气量增多，陶粒膨胀体积变大，堆积密度变小；预热时间30 min时，预热时间过长，此时碳化较彻底，但预热产生的气体逸出量增多，影响到高温阶段陶粒的膨胀过程，使得陶粒堆积密度变大。

因此，烧结温度选择1170℃，预热时间选择20 min。

（4）对堆积密度影响较大的因素是烧结温度和预热时间。

对陶粒1 h吸水率影响较大的因素是烧结温度和预热温度。

烧结时
间、升温速率对陶粒堆积密度和吸水率的影响不明显，因此，选择烧结时间10 min，升温速率30℃/min。

综合5种因素对陶粒性能的影响，确定最佳焙烧工艺参数为：预热温度400℃，预热时间20 min，烧结温度1170℃，烧结时间10 min，升温速率30℃/min，在干污泥掺量为20%条件下可烧制出堆积密度为996 kg/m3，1 h吸水率为0.12%的污泥陶粒。

2.3.3 焙烧制度优化后烧制陶粒的XRD、SEM分析（见图5）
图5 陶粒的矿物组成
由图5可见，渣土陶粒（MS1）的晶相主要是石英与钙长石，污泥陶粒（MS5）
的晶相主要是石英与斜方钙沸石，而且石英相的衍射峰明显增强，衍射峰的数量明显增多。

出现这种现象可能是由于高温环境有利于石英晶相的形成，当仅有渣土时容易形成钙长石，当掺加污泥后渣土中的矿物容易与污泥中的矿物形成斜方钙沸石。

对配方MS5、预热温度400℃、预热时间20 min、烧结温度1170℃、烧结时间10 min条件下烧制的陶粒进行SEM分析，结果见图6。

图6 污泥陶粒的SEM照片
从图6（a）可以看到，陶粒表面釉层致密，能有效阻隔水的进入，并且一定程度
上可提高陶粒的强度，因此陶粒的吸水率较低；从图 6（b）、（c）、（d）可以看到，陶粒内部经过发气形成的气孔较多，大孔、小孔相间分布，多为封闭孔，这大大地降低了陶粒密度，同时进一步增强了吸水率低的特性。

3 结论
（1）污泥掺量越多，助熔成分增多，在相同烧结温度下熔化生成的液相就越多，陶粒更易收缩，膨胀倍数变小。

掺加污泥使得陶粒的焙烧温度范围变小，污泥掺量越多，焙烧温度范围越窄。

（2）通过焙烧制度研究，发现预热温度、预热时间、烧结温度、烧结时间都对陶粒的堆积密度有一定程度的影响；对堆积密度影响程度最大的因素是烧结温度，其
次分别是预热时间、升温速率、烧结时间、预热温度。

（3）通过焙烧制度优化可以得出，在干污泥掺量20%、预热温度400℃、预热时间20 min、烧结温度1170℃、烧结时间10 min条件下可以烧制出堆积密度996 kg/m3、1 h吸水率0.12%的污泥陶粒。

【相关文献】
[1] 何志锋，袁博威，牛涛，等.国内市政污泥处理处置技术政策、难点与趋势[J].低碳世界，2017（15）：27-28.
[2] 闫振佳，何艳君.陶粒生产实用技术[M].北京：化学工业出版社，2006：10-16.
[3] 马先伟，朱凯，陈胡星.制备工艺对污泥陶粒表面裂缝和孔隙率的影响[J].新型建筑材料，2016，43（12）：94-98.
[4] 朱哲，朱航，何捷，等.焙烧制度对武汉东湖淤泥-粉煤灰陶粒性能影响研究[J].新型建筑材料，2016，43（4）：21-24.
[5] 刘蓉，王科颖.污泥页岩陶粒焙烧制度影响因素的研究[J].砖瓦，2014（7）：3-8.
[6] 张西玲，陈林，向芸.烧结制度对煤矸石陶粒物理性能的影响[J].萍乡高等专科学校学报，2014，31（6）：48-50+63.
[7] 刘军，李振国，王东山，等.焙烧制度对矿渣粉煤灰陶粒物理性能的影响[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2005（5）：93-96.
[8] 荣辉，张鸿飞，扈世凯，等.一种增加造纸污泥陶粒膨胀倍数的方法：
CN106699122A[P].2017-05-24.
[9] 岳敏.污泥的粉煤灰调理和污泥陶粒的制备及应用研究[D].济南：山东大学，2011.
[10] 齐元峰.超轻多孔污泥固废陶粒研制及膨胀机理探讨[D].济南：山东大学，2011.
[11] Xu G R，Zou J L，Li G B.Effect of sintering temperature on the characteristics of sludge ceramsite[J].Journal of Hazardous Materials，2008，150：394-400.
[12] 曲烈，王渊，杨久俊，等.焙烧温度对污泥陶粒烧胀过程及结构特征的影响[J].材料导报，2016，30（6）：125-128.
[13] 张腾飞，荣辉，刘志华，等.900密度等级渣土陶粒的制备及性能研究[J].新型建筑材料，2017，44（1）：109-113.。