發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及使用工業(yè)廢料，特別是煤燃燒廢料，制造瓷磚的改良方法。

發(fā)明背景

對(duì)于煤燃燒產(chǎn)物的處理是與在發(fā)電站中燃燒煤產(chǎn)生的蒸汽相關(guān)的長(zhǎng)期問(wèn)題。世界各地的發(fā)電站內(nèi)，每年產(chǎn)生超過(guò)十億噸的煤灰。迫切需要為這些廢料提供有用的、高價(jià)值的出路。低價(jià)值的用途包括道路填充物、瀝青補(bǔ)充劑以及可流動(dòng)的礦井填充物。這些出路不足以吸收每年產(chǎn)生的所有煤燃燒廢料并且它們的經(jīng)濟(jì)價(jià)值低。此外，這些應(yīng)用僅用于正在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的地區(qū)。這種廢料的一小部分適于中等價(jià)值的應(yīng)用例如水泥補(bǔ)充劑，但是其僅使用最精細(xì)的材料并且不可應(yīng)用于所有煤灰類型。

本發(fā)明涉及利用煤燃燒產(chǎn)物例如粉煤灰制造瓷磚的方法。粉煤灰塵是在燃燒煤以發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)灰，其在排氣豎道中升起并被電沉淀器捕獲。最精細(xì)的粉煤灰被水泥公司使用，但是較粗的材料被簡(jiǎn)單地掩埋。煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的其它灰為底灰和爐渣。

一些瓷磚包含在瓷磚本身的制造中生成的廢材料，例如研磨粉塵以及破損或未焙燒的磚。這種材料被放回初始的原料中并被用于擴(kuò)展主體組成原料。然而，還沒(méi)有這樣的磚，其在商業(yè)上由與瓷磚生產(chǎn)無(wú)關(guān)的廢料制造。用于內(nèi)部和外部地板和墻面的瓷磚具有巨大市場(chǎng)，且沒(méi)有商業(yè)可行且環(huán)境友好的產(chǎn)品。使用這種創(chuàng)造性方法，由廢料(尤其是與磚工業(yè)本身無(wú)關(guān)的廢料)制造的磚將會(huì)受歡迎，因?yàn)槠鋾?huì)被認(rèn)為是首個(gè)能夠被生產(chǎn)并具有商業(yè)可行利潤(rùn)率的且環(huán)境可持續(xù)的瓷磚方案。

由本發(fā)明的方法生產(chǎn)的產(chǎn)品是根據(jù)需求具有不同尺寸和形狀、上過(guò)釉或未上釉的、平面或彎曲的瓷材料。這種方法的產(chǎn)品的主要應(yīng)用是地板和墻面磚、建筑覆層、屋頂瓦或者壓制磚和道路鋪設(shè)材料。這些產(chǎn)品可以用于作工業(yè)用途而未被上釉或是為了美觀而用釉裝飾。該產(chǎn)品由于其環(huán)境有益的主體組成而區(qū)別于其它產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈儚某晒I(yè)之外的工業(yè)回收原料制成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目標(biāo)是提供使用工業(yè)廢料例如煤燃燒產(chǎn)物生產(chǎn)瓷磚的改良方法，由此降低生產(chǎn)中的原材料成本。

本發(fā)明方法的另一個(gè)目標(biāo)是在能夠生產(chǎn)瓷磚的同時(shí)減少黃鐵礦薄片瓷原材料資源的消耗。

本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是使得能夠從與瓷工業(yè)無(wú)關(guān)的廢物流生產(chǎn)瓷磚，由此減少環(huán)境中的總體污染。

所公開的方法包括以下列方法處理煤灰的步驟：顆粒尺寸分級(jí)、使顆粒不成團(tuán)、磁分離、混入組分、噴涂干燥、水力壓擠以形成磚胚、侵略性干燥以形成蒸汽通道、加熱至中間溫度以通過(guò)所形成的蒸汽通道燒盡有機(jī)雜質(zhì)，和隨后最終焙燒磚。

具體而言，本發(fā)明的方法使用這樣的一組工藝步驟：其允許在體材料內(nèi)使用中等百分比(按重量計(jì)大約30％-50％)的煤灰以利用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)瓷磚。

附圖說(shuō)明

圖1.利用煤灰生產(chǎn)瓷磚的工藝的一般流程圖。

圖2.現(xiàn)有技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線。

圖3.本發(fā)明方法中的示例焙燒曲線。

現(xiàn)有技術(shù)

已公開的專利申請(qǐng)us2003/0183988a1描述了使用鐵礦石黏土、粉煤灰、高爐渣、另外的鋁硅酸鹽類以及選擇組的礦物質(zhì)添加劑的混合物生產(chǎn)瓷磚的方法。除了需要可能不易可得的材料的混合物之外，該申請(qǐng)還教導(dǎo)了10-15小時(shí)的干燥步驟，這可能造成該方法不經(jīng)濟(jì)。

us2576565教導(dǎo)了利用粉煤灰和爐渣制作瓷磚。該發(fā)明應(yīng)用燒盡混合物中的過(guò)量碳；然而，該發(fā)明要求能夠在材料上和助熔劑一樣起作用的爐渣。此外，該發(fā)明教導(dǎo)了使用具有高碳含量的粗灰，因此只有控制比例的粉塵與爐渣可以被用于磚體材料。具有高碳量的粉煤灰必須以相對(duì)于爐渣較低的比例被使用。根據(jù)該發(fā)明，高碳量導(dǎo)致不期望的多孔并脆弱的磚。為了實(shí)現(xiàn)有機(jī)雜質(zhì)的適當(dāng)氧化，其教導(dǎo)了在玻璃化之前需要在大約1000℃下焙燒24-36小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間(并且在一個(gè)實(shí)例中長(zhǎng)達(dá)4周)以充分地?zé)M碳。這種長(zhǎng)的焙燒時(shí)間是昂貴且低效的。

us5175134公開了使用淤泥爐渣的瓷磚，其是來(lái)自于燃燒掉的有機(jī)淤泥的灰殘?jiān)?，被熔融、碾碎并隨后被通過(guò)摻合堿金屬氧化物添加劑形成為粘土樣材料以幫助降低焙燒溫度。該方法是低效且昂貴的，因?yàn)闋t渣灰先被熔化、然后粉碎，再然后在焙燒窯爐內(nèi)再次加熱。此外，添加的組分(例如硼砂)需要被混合，熔化并且隨后被粉粹以產(chǎn)生化學(xué)上一致的玻璃料(釉料，frit)。

us5521132教導(dǎo)了由廢煤和市政廢品焚燒灰制造的瓷材料。該發(fā)明要求特別且昂貴的混合物被混和以灰，例如四硼酸鈉，含有鈣的三元過(guò)磷酸鈣以及高鎂石灰。這些添加劑在材料來(lái)源和經(jīng)濟(jì)性方面都限制了該發(fā)明的實(shí)用性。

us5935885教導(dǎo)了這樣的方法，其中包含有機(jī)材料、金屬污染物和玻璃形成材料的粉煤灰被氧化以消耗有機(jī)原料并且隨后被完全地熔融(需要高達(dá)1550℃的溫度)、成型并粉碎以形成均勻的碎玻璃并儲(chǔ)存。為了制造磚，該碎玻璃被加熱直至再次熔化并且倒入模具中。完全熔融、形成碎玻璃并隨后再熔融、成型所需要的電力、時(shí)間和設(shè)備使得這種方法不經(jīng)濟(jì)。

us6342461教導(dǎo)了使用粉煤灰和粘土來(lái)結(jié)合在電弧爐爐塵、鋼渣、鋁浮渣、以及紙灰中發(fā)現(xiàn)的重金屬?gòu)U料以制造瓷材料。這些其它組分通過(guò)降低混合物熔點(diǎn)和增加體的塑性以及干燥材料的坯強(qiáng)度來(lái)幫助磚的形成。這些添加劑對(duì)于該發(fā)明的可行性是必要的。

us5227047教導(dǎo)了使用包括低高斯(≤10,000g)磁分離(lowgaussmagneticseparation)和浮選的技術(shù)富集粉煤灰的方法。然而，這些分離是在分離專用儀器上進(jìn)行的，其不是連續(xù)方法的部分。此外，鐵和碳需要被降低至不實(shí)際的低含量。為了達(dá)到這樣，其以鐵(0.4％)和碳(1.6％)已經(jīng)很低的廢材料起始。此外，該專利沒(méi)有解決粒析。

us3533819和3769054教導(dǎo)了干燥分離技術(shù)，其包括空氣分級(jí)以獲得用于混凝土的在人工集料形成中使用的粗材料。這些技術(shù)利用了粒析，但是其使用了較大的材料替代較小的材料。該專利沒(méi)有教導(dǎo)任何關(guān)于除去廢材料中的其他雜質(zhì)，也沒(méi)有教導(dǎo)如何優(yōu)化獲得期望的用于粘土替代材料的小顆粒的方法。

以上方法具有除了已述的之外的其它缺點(diǎn)。因此，工業(yè)必須繼續(xù)尋找由回收材料(尤其是從工業(yè)之外產(chǎn)生的廢料)制造瓷磚的改良方法。這種方法應(yīng)該使用較少的能量、較低的生產(chǎn)成本并且提供由豐富的廢材料——例如煤灰——制造的高質(zhì)量瓷磚。

發(fā)明詳述

使用空氣分級(jí)器或者自動(dòng)篩選系統(tǒng)對(duì)引入的煤灰按尺寸進(jìn)行分級(jí)。其它分級(jí)方法也是可能的并且能夠被本領(lǐng)域技術(shù)人員使用而不損害本方法的創(chuàng)造性特征。這去除了大量的雜質(zhì)，留下了較少污染的鋁硅酸鹽類。不論灰被分級(jí)的方式如何，分級(jí)后的最終灰產(chǎn)物的大小都將低于大約50微米，例如，大約45微米或更小，具有的碳含量低于按重量計(jì)約3％，并且鐵含量低于按重量計(jì)約5％。

分級(jí)之后，灰與水一起(例如，按重量計(jì)大約60％的固體和按重量計(jì)約40％的水)在攪拌機(jī)或粉碎機(jī)中均質(zhì)化?；矣贊{隨后被遞送通過(guò)鐵分選機(jī)在20,000高斯以去除鐵類。可選地，如果鐵量低(低于大約3％)，可以使用干的磁分離步驟。

灰淤漿隨后與在攪拌機(jī)或粉碎機(jī)中的黏土和粘合劑的標(biāo)準(zhǔn)混合物混合。最終混合物包含，例如按重量計(jì)大約40％的灰，按重量計(jì)大約50％的標(biāo)準(zhǔn)黏土，以及按重量計(jì)大約10％的高塑性黏土(例如，膨潤(rùn)土或者阿特堡塑性指數(shù)(atterberg‘splasticityindex)高于25的其它黏土)。另外的添加劑可以包括長(zhǎng)石或者調(diào)節(jié)最終磚的燒結(jié)溫度的其它礦物。向該混合物加入按重量計(jì)大約1％的有機(jī)粘合劑?？赡艿挠袡C(jī)粘合劑包括聚乙烯醇、超增塑劑、甲基纖維素、羧甲基纖維素或者糊精。其它的粘合劑對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。對(duì)于每種混合物，添加劑的量被經(jīng)驗(yàn)地確定以賦予壓制物品足夠的坯強(qiáng)度。

向這些組分中加入足夠的水以使得最終的水百分比為按重量計(jì)約35％固體。該混合物在攪拌機(jī)或粉碎機(jī)中均化10-15小時(shí)(通常大約13小時(shí))。淤漿隨后被噴射干燥，使用標(biāo)準(zhǔn)單效方法利用空氣在大約400℃干燥。干燥的顆?？梢员环湃雰?chǔ)存直至使用。

使用傳送器或其它設(shè)備以標(biāo)準(zhǔn)方法將材料遞送至標(biāo)準(zhǔn)瓷水壓機(jī)。壓制機(jī)器是用于標(biāo)準(zhǔn)方法的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器。每次壓制由液壓機(jī)的如下三次獨(dú)立行為組成：前兩次壓制被用于壓緊并使瓷體脫氣，其允許最終的壓制(于大約300kg/cm²的壓力下)形成具有很少殘留空氣、高坯強(qiáng)度以及很少疊層的制品。

壓制后，坯磚被傳送至干燥器，其中它們被侵略性地干燥以產(chǎn)生在材料體內(nèi)打開的蒸汽通道。侵略性干燥被調(diào)整以便其不會(huì)有使磚爆裂那樣的侵略性，卻仍舊具有足夠的侵略性以使得蒸汽通道形成，該蒸汽通道將在之后在磚的有機(jī)材料燒盡時(shí)用于逸出氣體。

作為這種侵略干燥的實(shí)例，磚進(jìn)入大約90℃的干燥器并保持在該溫度大約4-5分鐘，隨之其在4-5分鐘內(nèi)被加熱至175℃-225℃，優(yōu)選大約200℃。磚處于此溫度大約5-10分鐘。這種干燥程序迫使蒸汽離開磚體而坯體內(nèi)形成微通道。這些通道在之后該磚被加熱到大約450℃，隨后至大約850℃以將碳雜質(zhì)氧化成co2時(shí)被利用。該通道允許co2逸出而不造成磚體的膨脹。

在形成蒸汽通道之后，溫度被充分地升高以燒盡容易被氧化的碳雜質(zhì)。磚在約4-5分鐘內(nèi)被加熱至400℃-500℃，優(yōu)選大約450℃，并且被保持在該溫度持續(xù)實(shí)驗(yàn)確定的一段時(shí)間，通常大約10-20分鐘，以燒盡易于氧化的碳。如果設(shè)備允許，這種加熱步驟可以再干燥箱中進(jìn)行，或者其可以為焙燒窯爐的第一溫度區(qū)。這種碳氧化至co2的速率必須足夠慢以便不淹沒(méi)該蒸汽通道和因此造成膨脹或氣泡。產(chǎn)生的co2利用預(yù)形成的蒸汽通道逸出。

在最初的碳氧化之后，磚被傳送進(jìn)入窯爐內(nèi)(如果第一次氧化在干燥器中進(jìn)行)以進(jìn)行進(jìn)一步的碳氧化和隨后的最終的玻璃化。第二階段的碳氧化在窯爐內(nèi)完成，并且足夠熱以便燒盡殘余的碳雜質(zhì)。例如，磚溫度被升高至900-1000℃，優(yōu)選大約950℃，并且保持在該溫度持續(xù)實(shí)驗(yàn)確定的一段時(shí)間，通常大約5-10分鐘，以燒盡最后的碳雜質(zhì)。產(chǎn)生的co2再次利用預(yù)形成的蒸汽通道逸出。

在這種延長(zhǎng)的預(yù)先加熱區(qū)域之后，焙燒曲線的其余部分和用于瓷制造的其它焙燒曲線相似，除了加入了定制的冷卻時(shí)間。如在標(biāo)準(zhǔn)焙燒曲線中，磚在大約4-6分鐘內(nèi)被在加熱至1170-1220℃(例如1200℃)(加熱速率大約50-70度每分鐘)并且保持在此溫度約5-10分鐘。隨后以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行受控冷卻，除了另外在635℃保持三分鐘，以允許磚體內(nèi)部發(fā)生晶體改變。剩余的冷卻可以為不受控的。

磚成型，qa/qc，以及包裝階段在主要焙燒之后，和使用標(biāo)準(zhǔn)方法。焙燒的總時(shí)間在大約60至大約80分鐘之間(不包括不受控冷卻時(shí)間)，優(yōu)選大約70分鐘。這可以與傳統(tǒng)的瓷磚焙燒曲線相比較。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道這些技術(shù)和程序。

在一個(gè)實(shí)施方式中，體組合物混合物包含按重量計(jì)大約30–50％的灰，按重量計(jì)大約40–50％的標(biāo)準(zhǔn)黏土和按重量計(jì)大約10-20％的高塑性黏土以及水。

在一個(gè)實(shí)施方式中，該混合物進(jìn)一步包含粘合劑，優(yōu)選地，有機(jī)粘合劑，更優(yōu)選地，液體有機(jī)粘合劑。

在一個(gè)實(shí)施方式中，有機(jī)粘合劑包括，超增塑劑、乙烯醇、甲基纖維素、羧甲基纖維素、或者糊精。

在一個(gè)實(shí)施方式中，優(yōu)選有機(jī)粘合劑的量為按重量計(jì)大約0.1-1％的百分比。

在一個(gè)實(shí)施方式中，高塑性黏土包含膨潤(rùn)土。

在一個(gè)實(shí)施方式中，干燥步驟被足夠侵略性地執(zhí)行以在磚體內(nèi)形成蒸汽通道，但又不那么侵略而導(dǎo)致膨脹。

在一個(gè)實(shí)施方式中，碳氧化步驟在400-500℃以及在900-1000℃被足夠慢地執(zhí)行以允許co2通過(guò)產(chǎn)生的蒸汽通道逸出(實(shí)驗(yàn)確定，通常每步大約10分鐘)。對(duì)于較低溫步驟，若碳含量低，溫度的緩慢增加(超過(guò)15分鐘)可以被執(zhí)行而不是保持在期望的溫度。

實(shí)施例

將1000kg煤灰按照尺寸進(jìn)行分級(jí)以去除所有不能通過(guò)325目篩的材料(即，所有微粒小于45微米)。該灰被轉(zhuǎn)移至配有氧化鋁球的球粉碎機(jī)并向此加入650升水。淤漿在球粉碎機(jī)中翻滾一小時(shí)以使材料不成團(tuán)。該淤漿隨后通過(guò)35,000高斯的磁分離器。

淤漿被轉(zhuǎn)移至另一個(gè)球粉碎機(jī)并向其加入1250kg標(biāo)準(zhǔn)黏土，250kg高塑性黏土和25kg粘合劑。加入另外的250升水以使得最終的淤漿為大約35％的水和大約65％的固體。這些組分被粉碎13小時(shí)以形成均勻的混合物。

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在空氣中噴射干燥而使混合物成粒。使用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)將干燥的顆粒傳送至液壓機(jī)。該壓制機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)瓷磚壓制機(jī)。

壓制機(jī)自動(dòng)填充有干燥顆粒并且以連續(xù)的方式壓制。壓制由三次頂部沖壓入材料的壓制組成。前兩次壓制是不完全壓制(無(wú)壓力形成)，其被用于壓緊材料。最終的壓制達(dá)到280kg/cm²的壓力并形成具有充足坯強(qiáng)度的最終磚以待進(jìn)一步加工。

磚被傳送進(jìn)入干燥機(jī)，其中它們?cè)?50℃干燥10分鐘，該磚被傳送入窯爐，于其中它們被加熱至450℃持續(xù)15分鐘，隨后溫度升高至950℃持續(xù)10分鐘，隨后以標(biāo)準(zhǔn)方法在1200℃焙燒它們。

所制成的磚符合所有關(guān)于瓷磚的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(astm)代碼已提供。本方法的細(xì)節(jié)是熟知的并且可公開地得自astm：

耐摩擦性(astmc1027)：4級(jí)和以上

水吸收(astmc373)：對(duì)于玻璃磚<3％

斷裂強(qiáng)度(astmc648):≥250lbf。