固废循环利用制备发泡陶瓷工艺浅析

2022-09-01 06:10王昭
佛山陶瓷 2022年8期
关键词:坯体尾矿陶瓷

王昭

(咸阳陶瓷研究设计院有限公司,咸阳 712000)

1 固体废弃物的概况

在工业生产和其他活动中产生的废弃物,丧失了原有的利用价值被抛弃,或者被丢弃的固态、半固态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品被统称为固体废弃物。固体废物按其来源大致分为工业固体废物、矿业固体废物、农业固体废物、城市生活垃圾、危险固体废物、放射性废物和非常规来源固体废物。

大宗的固体废弃物通常分为三类:工业固体废物、城市生活垃圾和危险废物。工业固体废物是指来自各工业生产部门的生产和加工过程及流通中所产生的废渣、粉尘、污泥、废屑等;城市生活垃圾,也被称为城市固体废弃物,通常指城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中所产生的固体废弃物;危险废弃物是指列入国家危险废弃物名录,或者根据国家规定的危险废弃物鉴别标准和鉴别方法所认定的具有危险特性的废弃物。简而言之,就是含有高度持久性元素、化学品或化合物的废物,且该废物对人体健康和环境具有及时的和潜在的不良作用和危害。

很多固体废弃物往往来自工业化生产活动,此类固体废弃物是工业生产过程中产生的各种废渣、粉尘及其他废物,可分为一般工业废物和工业有害固体废物。其中一般工业废物是我国固体废弃物中占有比重大且最具有潜在利用价值的废弃物,主要包括尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣、赤泥、污泥等,占固体废弃物总量的80%。

目前,全国累计堆存的工业固体废物超过300 亿吨(不包括废石),其中大宗工业固废产生量约36 亿吨,尾矿、煤矸石、粉煤灰占全国固废年增量的约80%。目前我国矿山保有量近10 万座,其中金属矿约6.9 万座、各类尾矿库1.45 万座、煤矿7700 座,煤矸石山超1700 座、各类石油化工企业近2.6 万家,钢铁冶炼企业560 家、氧化铝生产企业1000 家,火电企业1150 余家,各类大型产废企业约13 万家。固体废弃物的存量触目惊心,对环境产生了严重危害。目前,我国工业固废综合利用率仅为60%,而我国台湾地区固体废弃物综合利用率高达80%。我国尾矿综合利用率为20%,而发达国家尾矿综合利用率平均水平高达60%,因此消化固废,变废为宝,提升固废的综合利用率是我国当前生态环保治理工作的首要任务。固体废弃物的循环利用受到社会各界的高度关注。

2 固体废弃物处理现状以及存在的主要问题

固体废弃物存在的主要问题有:综合利用率低;高附加值尾矿少;废矿较多,矿区生态恢复重建滞后;投入不足,国家扶持力度不够;资源保护意识、环境保护意识不强、粗放式增长方式是产生环境问题、尾矿资源利用率低的根本原因。

固体废弃物综合利用率低的主要原因是一些个体采矿回采率不到10%,大部分矿产资源的综合回采率均在30%~50%左右,造成资源浪费。我国尾矿固体废弃物在工业上的应用大多数停留在对尾矿中有价元素的回收上,高附加值的尾矿产品越来越少。废矿较多,矿区生态恢复重建滞后,导致森林和林地退化。尾矿综合利用项目、矿山环境修复治理项目和政府资金得不到保证,治理资金投入严重不足。生态环境脆弱是我国的基本国情,建立在粗放型经济增长模式基础上的经济快速增长,使资源消耗非常严重,环境遭到不同程度的破坏。

3 可用于生产发泡陶瓷的固体废弃物

目前发泡陶瓷普遍采用工业固废或矿山尾矿等作为主要原料。常见的固废有陶瓷厂的抛光渣、原料车间淤泥、炼钢厂钢渣、水渣、铁渣、钼尾矿、金尾矿、铁尾矿、页岩渣、煤矸石、粉煤灰、钨矿尾砂、石墨尾矿、稀土尾砂、花岗岩尾矿等。根据不同的原料化学成分和烧结性能,掺入量为70%~90%不等,发泡陶瓷容重从110~990kg/m3,可根据用户需要调整,烧成温度一般为1150~1200℃。全国600~700 亿吨的固废量,完全可以支撑发泡陶瓷产业的长远发展。

根据目前研究成果和技术,能够用于生产发泡陶瓷的固废如表1。

表1 用于生产发泡陶瓷的固废汇总表

4 发泡陶瓷产业发展现状

国外研究出利用氧化铝和高岭土等为作为原料制取多孔陶瓷材料,用于铝合金铸造的过滤工序,随着工业的发展,多孔陶瓷的生产工艺日趋完备,研制出Al2O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等多种材质,适合于不同用途的多孔陶瓷过滤器,多孔陶瓷产品已形成一个新产业门类。此前,多孔陶瓷的研究大多集中在开口气孔的蜂窝陶瓷或泡沫陶瓷上,而对应用于建筑材料领域的闭孔发泡陶瓷的研究很少,大规模应用研究的案例更难觅实物。国外有关报道将闭孔发泡陶瓷用于保温绝热,认为“真空闭孔发泡陶瓷”是世界上最好的绝热材料,其传热系数仅是硬质聚甲酸乙酯泡沫材料千分之几,被称为“超级绝热材料”。其应用大都在高端领域,如高级保温、保冷集装箱、顶级产品可用于航天飞机的外壳隔热。

国内科研机构80 年代初才开始涉及多孔陶瓷研究和制备工作,多孔陶瓷整体技术水平和国外还存在一定的差距。蜂窝陶瓷属于开口型多孔陶瓷体,具有高气孔率的三维空间网架结构,造型非常像钢化的泡沫塑料或瓷化的海绵体。它的特性是:气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能,被大批量应用于热交换材料、汽车尾气装置、净化冶金工业过滤熔融态金属、热能回收、轻工喷涂行业、工业污水处理、吸音材料、化学催化剂载体、电解隔膜及分离分散元件等行业。

我国真正应用于建筑材料的闭孔发泡陶瓷产业化,借鉴了发泡玻璃的发泡原理,生产出强度可靠的发泡陶瓷保温板,最初用于建筑物外墙保温,但由于成本偏高,和其他保温材料对比,巨大的成本差价制约了外保温发泡陶瓷的发展。

5 发泡陶瓷的生产工艺及主要装备

5.1 发泡陶瓷的生产工艺

发泡陶瓷生产工艺不仅是限于“配方”的概念,涵盖产品定位、原料甄选和配方、工艺流程、技术路线、设备选型,以及贯穿于整个生产的管理与过程控制。

目前发泡陶瓷分为两个类别五种产品结构。两个类别是指:纯发泡坯体和装饰保温一体化发泡陶瓷;五种产品结构是指外墙外保温泡沫陶瓷 ( 国标GB/T33500-2017)、尾砂微晶发泡板材及砌块(行标JG/T 506-2016)、工业防腐砖、釉面装饰保温板和发泡陶瓷隔墙板(T/CBCSA12-2019)。

目前已经投产的釉面装饰保温板大多采用以长石、页岩、珍珠岩等为主要配方原料,成型方式采用干压成形、喷墨打印和辊道窑裸板烧成,出窑后再进行磨边加工的工艺技术路线,生产出的发泡陶瓷产品质量较轻、发泡细腻均匀、平整度良好、装饰面多彩丰富,作为外墙保温装饰一体化产品,市场接受程度较高。

尾砂微晶发泡板材及砌块,采用的是熔制工艺。外墙外保温泡沫陶瓷、发泡陶瓷隔墙板均属于纯发泡坯体,纯发泡陶瓷坯体将成为这个行业的主流产品。

作为纯发泡坯体,工业防腐砖比较少提及,大多是从板材裁剪下来的。而从国内纯发泡陶瓷发展的历程来看,最初从低容重外墙外保温发泡陶瓷开始,发展到高容重的工业防腐砖,再到中等容重的室内隔墙板。在此,重点介绍外墙外保温发泡陶瓷、发泡陶瓷隔墙板的生产工艺。

(1)纯以发泡陶瓷坯体规模化生产多采用“湿法制粉”工艺,如图所示:

图1“湿法制粉”工艺

湿法制粉发泡的孔径分布范围: 直径≤1mm 的孔径占60%~80%,直径1~2mm 的孔径占20%~40%,并且孔壁较薄。这种生产工艺的优点是产量大、原料加工均匀、稳定性好。缺点是排水、排气污染较难控制、制粉干燥能耗较高。

陶瓷业内也有人提出过“干法制粉+造粒”的生产工艺路线,一些工程技术人员通过干法工艺实验,在实验室也能做出与湿法工艺大体相当的闭孔发泡陶瓷。从产品工艺和节能环保方面考虑,应用干法制粉工艺技术是下一步的发展方向,目前需要解决的问题是:其一、发泡陶瓷实验室小样试制时每次试制的发泡孔径大小略有不同,孔壁厚薄的均匀性很难把握;其二、小型化中试,由于发泡剂配比较少,出现混合不均匀等,导致发泡过程和效果难以控制;其三、干法制粉设备投资比传统的湿法制粉大。干法制粉工艺还需要解决的几个技术难点:提升产量、稳定性能、保证质量。

(2)烧成工艺

早期投产的发泡陶瓷企业,都采用窑前干燥工艺,因粉料6%~10%的含水率,按常规坯体需要经干燥才能烧成,但初期设计用隧道窑烧成发泡陶瓷,烧成周期超过20 小时,窑炉前段的温度已足于干燥坯体,实际应用中不再使用干燥设备。

合理使用发泡剂使坯体均匀发泡达到产品轻质化的效果,目前常用的发泡剂是碳化硅。碳化硅在高温下与坯体粉料中碱性物质发生化学反应产生分解,产生大量的CO 或CO2气体,持续反应生成的气体逐渐增多,这些气体不能迅速扩散出去,从而被封闭在烧结体中,随着温度的升高,烧结体中形成大量均匀分布的微孔结构,随着冷却逐渐生成陶瓷发泡体。大量的研究和实验结果表明:SiC 的粒径、添加量可显著影响发泡陶瓷的发泡效果;SiC 的粒径越小、添加量越多发泡效果越显著;氧化镁能使含有SiC 的陶瓷坯体在烧成中剧烈反应产生发泡,氯氧镁水泥或氧化镁(也是抛光磨头的一种)含量越多发泡越显著;同时少量的氧化钙加入,大大促进了含有SiC 的陶瓷烧结体的发泡效率,实验表明当CaO 加入量过高时,坯体中产生的钙长石会提高陶瓷的烧成温度影响发泡效果。

需要指出的是,如果企业在生产中使用SiC 做发泡剂,基本认知是:“温度没有达到1050℃,基本上是不会发泡的”。即,SiC 超过1050℃才会发生氧化反应,1250℃开始剧烈反应。

随着工艺技术的不断进步,不断引入一些新原料(催化剂),可以降低SiC 的反应温度,约900℃开始出现液相并发泡,1050℃发泡基本完成。

5.2 发泡陶瓷的主要生产装备

(1)布料工艺

按照成型工艺发展的历程来看,发泡陶瓷布料工艺发展阶段主要为:采用手工布料制作外墙外保温板;采用单层自动布料机;采用双层自动布料系统;研发采用三层自动布料系统。

(2)装卸围边及铺贴陶瓷纸

行业发展前期装卸围边和铺贴陶瓷纸都采用人工的方式,2017 年企业首次使用自动装卸围边。迄今为止,铺贴陶瓷纸还是人工,自动铺贴系统虽有多家企业在设计研究,但尚未得到应用。

(3)烧成品卸车。

10 年前,生产外墙外保温板靠人工使用夹具卸板,后来使用单层自动卸板机,后期双层自动卸板系统得到普及和应用。

5.3 智能化使用情况

早期,对发泡陶瓷的工艺流程还不是很熟悉,无论是设备供应商还是生产企业都是摸着石头过河,原料车间、窑炉车间、冷加工车间三大部分完全是分段运作,以人工作业方式搬运连接。原料车间生产的粉料需袋装或者桶装,人工搬运到窑炉旁,再人工一瓢一瓢往窑车上布料,最后靠人工手动刮平粉料。窑炉出来的半成品也是靠人工卸板,再用人工搬运到切割线,最后人工包装。经过逐步摸索、改进和提升,目前的生产工艺流程发展到可实现半自动化作业。原料通过输送线进入自动布料系统,原来需要布料的人工工位,现在铺陶瓷纸、整理围板和清理残渣的人数大大减少。窑尾出半成品板,通过自动卸板系统,自动输送到切割线,减少人工搬运过程。

6 结语

智能制造是中国制造业未来发展的必由之路。目前国内发泡陶瓷保温材料生产的的隧道窑自动围板装置正在改进,行业装备龙头企业科达洁能的辊道窑自动围板系统也日趋完善,一些装备制造企业正在研究如何实现自动铺贴陶瓷纸,或者通过工艺技术改进弃用陶瓷纸,改用喷涂防粘涂料。也有企业提出玻璃熔制工艺,完全不要垫板和围板,既可以减少人工又能节能降耗,该种生产工艺已经在量产; 近期,行业又出现了四层隧道窑,进步一提高生产效率。而生产釉面装饰一体板采用干压成形裸烧方式的企业在智能化装备方面也做了改进,大大减少了用工量。智能化将是发泡陶瓷行业的重中之重。

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