污泥与钢渣协同制备工程用超轻陶粒的技术及方法

随着城市化进程的加速和工业生产的持续发展，污泥和钢渣等固体废弃物的处理与资源化利用已成为亟待解决的环境与资源课题。将市政污泥与工业钢渣相结合，通过特定工艺制备成工程用超轻陶粒，不仅实现了废弃物的高效增值利用，还契合了绿色、低碳的可持续发展理念。这种陶粒具有密度低、强度高、保温隔热性能优良、化学稳定性好等特点，广泛应用于建筑材料、园林绿化、水处理滤料及路基轻质填料等领域。

一、 原料特性与预处理

1. 污泥：主要来源于城市污水处理厂，富含有机质和硅铝酸盐矿物，但含水率高且可能含有重金属等污染物。需经过脱水、干燥、粉碎及必要的稳定化/无害化处理（如高温焚烧去除有机物、固定重金属），使其成为成分稳定、粒径适宜的干粉。
2. 钢渣：是钢铁冶炼过程中的副产品，主要成分为硅酸钙、铁酸钙等，富含铁、钙、硅元素，具有潜在的胶凝活性和作为骨架材料的能力。需经过破碎、磁选除铁、粉磨至一定细度，以增加其反应活性。

二、 核心制备工艺流程

超轻陶粒的制备核心在于利用原料在高温下的物理化学反应，形成多孔、轻质的陶瓷结构。典型工艺流程如下：

1. 配料与均化：将处理后的干化污泥粉、钢渣粉按一定比例（通常污泥为主料，占比可达60%-80%，钢渣为20%-40%，并可视情况添加少量膨润土、粉煤灰等调节组分）进行精确计量。随后投入强制式搅拌机中充分混合均匀，确保物料成分均一。

1. 造粒与成球：向混合均匀的干料中喷洒适量水分（或有时加入少量粘结剂如粘土浆），在成球盘或成球筒中滚动成生料球。控制加水量和成球参数，使生料球粒径均匀（通常目标为5-20mm）、具有足够的初始强度。

1. 预热干燥：将生料球送入干燥装置（如带式干燥机），在较低温度（200-400℃）下缓慢脱除物理结合水，并促使有机物部分分解，防止后续高温阶段因急剧升温导致爆裂。此阶段需控制升温速率。

1. 高温焙烧：这是陶粒形成多孔轻质结构的关键阶段。干燥后的生料球被送入回转窑或烧结机中，经历以下过程：

• 氧化与有机物燃烧段（约400-800℃）：剩余有机物充分燃烧，提供部分热量，并开始产生气体。

• 玻化与膨胀段（约1050-1250℃）：达到物料共熔温度后，污泥及钢渣中的氧化物（SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO等）形成粘稠的液相。钢渣中的铁氧化物等物质在还原气氛（通过控制窑内通风或添加少量碳质材料实现）下可能生成气体（如CO），同时污泥中有机物燃烧残留的气体被包裹在粘稠液相中。随着温度继续升高，液相粘度适宜时，内部气体受热膨胀，使料球体积显著增大，形成大量封闭或连通的微孔。

• 冷却段：膨胀后的陶粒经过控制冷却（通常有一段保温均热过程），使表面和内部液相部分结晶固化，形成坚硬的外壳和内部多孔结构，从而获得足够的颗粒强度。

1. 冷却、筛分与包装：焙烧后的陶粒经冷却机冷却至常温，然后通过多层振动筛进行分级，得到不同粒径规格的成品超轻陶粒，最后进行包装。

三、 工艺控制要点与产品性能

• 配比优化：污泥与钢渣的比例直接影响陶粒的化学成分、烧成温度、膨胀性能和最终强度。需要通过实验确定最佳配比。
• 烧成制度：最高烧成温度、高温区停留时间及升温速率是控制膨胀率、孔径分布和强度的关键。温度过低膨胀不充分，过高则易软化坍塌。
• 气氛控制：在膨胀阶段营造适当的弱还原气氛，有利于气体生成和膨胀。
• 产品特性：通过优化工艺，制备出的超轻陶粒堆积密度可低至300-500 kg/m³，筒压强度可达1.0-3.0 MPa，吸水率约为10%-20%，且重金属浸出毒性远低于国家标准，安全环保。

四、 优势与展望

该制备方法实现了“以废治废、变废为宝”，具有显著的环境效益和经济效益。它有效消耗了大量污泥和钢渣，减少了土地占用和环境污染；生产的超轻陶粒作为一种绿色建材，市场需求广阔。未来研究可进一步聚焦于降低烧成能耗、精确调控孔结构以适应不同工程需求（如高强度或高吸水率），以及探索更广泛的工业固废配伍可能性，推动该技术向更高效、更智能化的方向发展。