1、利用工業廢棄物生產新型建材的資源化開發研究摘要：本項目以煤矸石、石墨尾礦、粉煤灰、垃圾焚燒灰等固體廢物為主要原料生產新型綠色建材-環保陶瓷生態磚。鑒定認為該成果具有明顯的創新性和先進性：以煤矸石、石墨尾礦、垃圾焚燒灰等固體廢棄物為主要原料研制環保陶瓷生態磚是國內外首創；燒成后的廢品及用后的廢品可作為原料再利用，這可解決廢品的二次污染，實現產品生產的真正綠色化，國內外未見報道；采用固體廢物為主要原料（可達70%以上），使環保陶瓷生態磚的生產成本相對較低，可為生產企業帶來良好的經濟效益，從而使固體廢物資源化利用技術更長久。關鍵詞：固體廢棄物；石墨尾礦；生態磚；資源化 1 引言固體廢物是指在社會的生

2、產、流通、消費等一系列活動中產生的一般不再具有原使用價值而被丟棄的以固體和泥狀賦存的物質。固體廢物對人類環境的危害，主要表現在以下幾個方面：1）侵占土地，固體廢物如不能利用，就需堆存放置，堆存量越大，占地面積越大，甚至占用大面積農田，給相關企業造成沉重負擔。2）污染土壤，固體廢物長期露天堆存，其中有害成分經過風化、雨淋、地表徑流的侵蝕很容易深入土壤之中，殺死土壤中的微生物，破壞土壤的腐解能力，導致草木不生。3）污染水體，固體廢物一般通過天然降水徑流、滲瀝水浸出、隨風遷移獲直接排入水系，污染水體。4）污染大氣，固體廢物一般通過粉塵、產生的有害氣體使大氣受到污染。目前，影響我國各大城市空氣質量的可

3、吸入固體懸浮物，主要由固體廢物引起。5）影響環境衛生，工業廢渣、垃圾在城市的堆存，既有礙觀瞻，又容易滋生細菌、蚊蠅，傳染疾病。自上世紀60年代中期，環保工作開始受到多數國家的重視，特別是西方發達國家開始對污染治理技術進行深入的研究和廣泛的應用，逐步形成了一系列處理方法。70年代，西方發達國家針對固體廢物處置場地緊張，處理費用大，以及資源短缺等問題，開始研究固體廢物資源環利用技術，并取得成效。我國則始于80年代，起步較晚，并且由于技術、資金等原因，目前仍以無害化、減量化為主，但對固體廢物資源化、產業化是最終目標。固體廢物資源化利用就是對其中有用的物質及能量加以回收利用的同時，使其無用部分達到無害

4、化、減量化，以取得一定的社會效益、經濟效益，并達到保護環境的目的。美國、日本、歐洲等一些國家將其作為解決固體廢物污染的主要方式之一，投入巨資進行開發。我國資源消耗高，二次資源利用率低，有相當一部分資源變成了污染物。因此固體廢物資源化利用及技術的研究在我國尤為重要。固體廢物資源化利用一般遵循以下幾個原則：第一，資源化利用技術應是可行的；第二，固體廢物資源化利用的經濟效益要比較好，否則采用的技術不可能長久；第三，資源化產品應當符合國家相應產品的質量標準，與相應其他原料制品相比，有較強的競爭力；第四，廢物應盡可能在產生地就近利用，以節省廢物在貯放、運輸等過程的投資。固體廢物資源化利用，變廢為寶，是一

5、項具有重大社會經濟效益的課題。本課題研究與山東省密切相關的有代表性的石墨尾礦、煤矸石、粉煤灰、垃圾焚燒灰等固體廢物的資源化利用技術。煤矸石是采煤和洗煤過程中排出的固體廢物，一般每采一噸原煤就產生0.2噸左右煤矸石。歷年堆積下來的煤矸石有近300億噸，是堆放量最大的固體廢物。煤矸石露天堆放，由于長期風吹雨淋產生的物理化學變化，帶來一系列問題，如大氣污染、生態污染；堆放的矸石還可能產生崩塌，滑坡，甚至爆炸、泥石流等；煤矸石堆積在礦區周圍，不僅污染了環境，也給企業帶來了沉重的負擔。山東省是我國的煤炭資源大省，在兗州、新汶、淄博等地有豐富的煤炭，也存放了大量的煤矸石。目前，煤矸石綜合利用的途徑主要有：

6、制取矸石磚、煤矸石水泥，生產輕質骨料，制取結晶氯化鋁、聚合氯化鋁，作為填料復田、筑路等。目前我國煤矸石利用率約10%，如不加緊開發利用將影響煤炭行業的發展。在美麗的青島，有著豐富的優質石墨礦產資源。主要分布在平度、萊西等地，是我國最大的石墨礦區之一。而每開采5噸石墨，則產生大約95噸石墨尾礦。這些工業廢物堆積在礦區周圍，有幾十億立方。不僅占據了大量的土地，還對周圍的空氣、水等環境造成污染，這給企業帶來了巨大的經濟負擔。企業也曾多次對其開發利用，由于技術資金等原因均告失敗。目前仍無法治理和利用。粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢物，我國每年產生約7000萬噸左右的粉煤灰。山東省也是我國的能源大省，魯能

7、集團的鄒縣、黃臺、聊城、黃島等十幾個熱電廠都以煤為燃料，這樣就產生了大量的粉煤灰。這些粉煤灰一部分用于生產粉煤灰磚、粉煤灰水泥，制作粉煤灰硅酸鹽砌塊，生產粉煤灰加氣混凝土、陶粒，用于道路建設。而大部分貯存于農場，少量排入江河湖泊，既污染了環境，又占用了大量的土地。我國目前粉煤灰的利用率只有25%左右，粉煤灰的開發利用具有現實意義。隨著城市的發展，人口數量的增多，城市生活垃圾的處理也成了一大難點。近年來我國已有不少城市，如上海、廣州、常州、青島等，開始或計劃興建大型生活垃圾焚燒廠。通過焚燒可大大減少生活垃圾的體積（減少體積約90%），但仍有20-30%的質量留在了灰渣當中。如此大量灰渣的產生，帶

8、來處置的困難。為節約日益緊張的填埋場地，降低灰渣的處置費用，焚燒灰的資源化利用將是比較符合中國國情的可行方法。但目前我國的生活垃圾焚燒廠較少，有關灰渣資源化利用的研究和實例較少。發達國家對灰渣的利用主要是用于：石油瀝青路面的替代骨料；水泥或混凝土的替代骨料；填埋場覆蓋材料；路體、路基等的填充材料。對于城市下水污泥的處理也存在同樣的問題。隨著經濟的發展和城市建設步伐的加快，城市的地表逐步被建筑物和混凝土等路面硬化材料所覆蓋。這給人們出行帶來方便的同時也帶來負面效應，這些路面硬化材料是不透氣、不透水材料，路面硬化后，自然降水不能滲入地下，影響地表植物的生長；產生所謂的“熱島效應”，惡化城市生態環境

9、；同時，也破壞了大自然的水循環，浪費日益緊缺的天然淡水資源。自上世紀90年代，日本、歐美等世界發達國家開始研制新型環境友好地面鋪裝材料，90年代末，成功研制出環保陶瓷生態磚。環保陶瓷生態磚是一種新型城市地面裝飾材料，是面向二十一世紀的環保生態建材。它具有良好的透水性，雨天，路面的雨水可及時滲透地下，避免街道積水，有利于行人行走，有利于車輛交通，減少廢氣造成的大氣污染；而且，由于降水能滲透到地下，能改善地表植被的生長，減輕下水道的負擔，防止河流的泛濫，使天然淡水資源得以充分利用，能使城市地下水及時得到雨水的補充，避免城市因地下水過度取用而下陷。環保陶瓷生態磚具有良好的保水性，雨后，保留在磚內及下

10、層的水分緩慢蒸發，有利于調節城市地表溫度和濕度，減少空氣污染，降低熱島效應；另外，由于其特殊的多孔結構，它具有吸收噪音，減輕城市噪音污染功能。環保陶瓷生態磚經高溫燒結而成，其表面粗糙，具有良好的防滑性能，行走更安全；其表面硬度高，強度大，耐腐蝕，顏色多樣，造型各異，可應用于人行道、綠蔭道、公園、廣場的鋪設，具有美化環境、保護環境的功能。這對城市大氣調節、地下水資源保護，對整個城市的生態環境具有重大意義。本課題以石墨尾礦、煤矸石、粉煤灰等固體廢物為主要原料研制環保陶瓷生態磚。這可減輕這些固體廢物給相關企業帶來的經濟負擔，減少對周邊環境的污染；同時，對廢棄物進行資源化利用，變廢為寶，降低了環保陶瓷

11、生態磚的成本，為生產企業帶來良好的經濟效益，是一項具有重大社會、經濟效益的工作。2 實驗內容2.1 原料分析及處理 從各原料產地采集樣品后對其進行化學組成、礦物組成、粒度組成及物性分析。并對各個主要原料進行成型及燒結性能實驗，對其工藝性能進行相應評價。 考慮到石墨尾礦的粒度基本符合要求，為了減少工序，降低成本 ，將石墨尾礦篩分分級后，直接利用。煤矸石粉碎后篩分分級利用，部分細磨至200目以下利用 。廢玻璃加熱到600后，水淬、細磨備用。粉煤灰、垃圾焚燒灰烘干后直接利用。長石等細磨后烘干備用。2.2 樣品制備樣品制備工藝如下所示：按配方配料 加水、結合劑混合 坯料陳放 成型 坯體干燥燒成 性能測

12、試2.3 性能測試按國標GB 257989 建筑衛生陶瓷吸水率試驗方法, 測定樣品的吸水率。按國標GB 891788陶瓷磚彎曲強度試驗方法，測定樣品的彎曲強度。按國標GB 848987陶瓷磚抗壓強度試驗方法，測定樣品的抗壓強度。按國標GB /T3810.121999試驗方法測定樣品的抗凍性。按國標GB/T1347992無釉磚耐磨性試驗方法，測定樣品的耐磨性。按日本工業標準JIS A 1218，測定樣品的透水系數。3 結果討論3.1 石墨尾礦加入量及粒度對陶瓷生態磚成型工藝及性能的影響在保持石墨尾礦粒度不變情況下，只改變其加入量，生態磚的性能變化如圖1所示，由圖可見，隨石墨尾礦加入量的增加，樣品

13、的吸水率先降低，加入量為40%時達到最低。加入量再增加，吸水率則升高。樣品強度的變化規律與吸水率相反。 這是由于石墨尾礦中含有熔劑類原料，如長石、云母等，隨加入量的增加，高溫時形成的液相量增加，坯體的燒結程度好，因而強度增加，吸水率降低：但若加入的石墨尾礦量過大，則形成的液相量太多，從而過燒、發泡。強度反而降低，吸水率升高。 在石墨尾礦加入量（40%）不變，只改變石墨尾礦中大顆粒的比例，其影響規律如圖2所示，隨石墨尾礦中大顆粒比例的增加，樣品的吸水率升高，強度則降低。這是因為大顆粒比例的增加導致顆粒之間的接觸面積減小，顆粒間的孔隙增大，因而強度減小，吸水率增大。另外，在成型時發現，隨石墨尾礦加

14、入量的增加或大顆粒比例的增加，樣品的成型性變差，這與石墨尾礦為瘠性料有關。為此我們加入部分塑性好的粘土來改變其成型性能。 圖 1 石墨尾礦加入量對生態磚性能的影響 圖2 石墨尾礦粒度對生態磚性能的影響 3.2 粘土加入量對陶瓷生態磚成型工藝及性能的影響隨著塑性粘土加入量的增加，制品成型性能變好，生坯強度增加，坯體的干燥和燒成收縮變大。粘土加入量與樣品性能的關系如圖3、圖4所示，最初，隨加入量的增加，抗壓強度、抗折強度增加，吸水率降低，透水系數略有升高。當加入量超過27% 時，抗壓、抗折強度隨粘土加入量增加而降低，吸水率則升高。對于透水系數，在粘土加入量為20%時達到最大值。 圖 3 粘土加入量

15、對生態磚性能的影響 圖 4 粘土加入量對陶瓷生態磚性能的影響這是因為，在陶瓷生態磚的制備中，粘土在成型時粘合骨料顆粒，使之獲得較好的成型性能，具有較高的生坯強度；在高溫燒結時，適量的粘土與燒結助劑形成低共熔的液相，促進液相潤濕骨料顆粒，把骨料顆粒互相粘結起來，賦予制品一定的強度。同時，適量的液相使得顆粒間的空隙表面更光滑，氣孔的彎曲程度降低，從而使透水系數有所增加。綜合考慮樣品的性能與粘土對工藝與成本的影響，選擇加入量在20%左右 。 3.3 垃圾焚燒灰等燒結助劑加入量對陶瓷生態磚性能的影響為了進一步增加樣品的強度，拓寬燒成溫度范圍，我們加入廢玻璃、垃圾焚燒灰、粉煤灰等作為燒結助劑，它們對強度

16、的影響見圖5，對透水系數的影響見圖6。由圖可知，廢玻璃加入量在5%時，樣品的強度最大，透水系數最大，過量加入強度反而降低；粉煤灰對樣品的強度和透水系數提高作用不大；垃圾焚燒灰可明顯增加強度，最佳加入量為10%。 這是由于垃圾焚燒灰是城市垃圾在1050左右的焚燒產物，主要為熔渣、玻璃質物質。它可與長石等在高溫下生成低共融液相，潤濕骨料顆粒，適量的液相使得顆粒間的空隙表面更光滑，氣孔的彎曲程度降低，透水系數增大，增加制品強度。若加入量過大，液相量大，高溫粘度低，易于流動，易于過燒形成泡沫狀，從而降低強度。對于玻璃由于其轉變為液相的溫度低，高溫粘度更低，更容易過燒。粉煤灰中含有莫來石、石英及玻璃相，

17、它的液化溫度高，在此燒成溫度下，助熔作用不明顯。但它可降低燒成收縮，抑制坯體燒成變形。圖 5 燒結助劑對生態磚抗壓強度的影響 圖 6 燒結助劑對生態磚透水系數的影響 3.4 煤矸石代替粘土對陶瓷生態磚性能的影響在試驗中發現，細磨的煤矸石具有一定的塑性，特別是陳腐以后。為了增加廢物用量，減少粘土的用量，降低成本，我們采用細磨煤矸石代替粘土進行試驗，結果如圖7、圖8所示。由圖可見，煤矸石代替粘土后，樣品的抗折、抗壓強度略有提高，透水系數、吸水率略有降低，但總的變化不大。并且成型素坯的強度變化也不大。這說明煤矸石代替粘土是可行的。煤矸石代替粘土后強度的提高，與煤矸石中鐵的含量高有關。與粘土相比，煤矸

18、石形成低共熔液相的溫度略低。 圖 7 煤矸石代替粘土對生態磚性能的影響 圖 8 煤矸石代替粘土對生態磚性能的影響 3.5 用后廢品的再利用 針對目前地面裝飾材料用后破損，導致二次污染的問題，我們研究了燒成后廢品及用后廢品的再利用。對于燒成后及用后廢品，我們粉碎至一定粒度，作為骨料顆粒重新使用。試驗發現，隨廢料加入量增加，坯料的塑性降低，生坯的強度有所降低。這與廢料經過高溫燒成有關，但可以通過加入少量有機塑化劑得以改善。另外，廢料的加入可以降低燒成收縮，減少燒成黑心和起泡。對于制品的性能，除抗折強度略有降低外，其他性能無明顯變化。廢料的加入量可在10-20%。這可解決廢品的二次污染，實現產品生產

19、的真正綠色化。 4 結論 通過以上的研究我們探討了配方中各因素和燒成溫度對生態磚工藝及性能的影響，在此基礎上我們優化配方，進一步試驗，最終選定配方如下：石墨尾礦30-40%，大顆粒煤矸石15-20%，細磨煤矸石20-25%，垃圾焚燒灰5-10%，粉煤灰5-10%，其它1-10%。這樣在配料中固體廢物利用量達到70%以上。所制備樣品的性能如表所示。由表可見，采用本項目技術，以石墨尾礦等廢物研制的環保陶瓷生態磚各項性能指標均達到合同的要求。多項性能指標達到或超過日本產品水平。各項性能指標均優于國內目前采用的混凝土路面磚。表2 環保陶瓷生態磚樣品主要性能指標密度/gcm-3抗折強度/MPa抗壓強度/

20、MPa抗凍性透水系數/cmsec-1試驗樣品1.908.2763.45正常1.26×102日本產品（荒木）4.16-4.7544.1-58.8正常1.0×102混凝土路面磚國家標準人行道（優）4.030正常車行道（優）60正常合同指標4.5451.0×102 4.1 創新點· 以石墨尾礦、煤矸石、垃圾焚燒灰等固體廢棄物為主要原料研制環保陶瓷生態磚。解決了上述固體廢物的污染問題，為相關企業減少相當可觀的廢棄物處理費用。同時所研制的環保陶瓷生態磚是新型綠色環保建材,對美化環境、調節城市生態環境具有重大社會意義。· 燒成后的廢品及用后的廢品可作為原料

21、再利用，這可解決廢品的二次污染，實現產品生產的真正綠色化。· 由于采用固體廢物為主要原料，環保陶瓷生態磚的生產成本相對較低，可為生產企業帶來良好的經濟效益。 4.2 結語· 通過對石墨尾礦、煤矸石、粉煤灰、垃圾焚燒灰等進行綜合分析評價，認為上述固體廢料能用于研制陶瓷生態磚，關鍵要解決透水系數與強度的矛盾及固體廢物加入量與成型、燒成工藝的矛盾。· 通過研究石墨尾礦加入量及粒度、粘土加入量、垃圾焚燒灰等燒結助劑加入量、煤矸石代替粘土、燒成制度等因素對陶瓷生態磚制備工藝及性能的影響，確定了較好的配方為：石墨尾礦30-40%，大顆粒煤矸石15-20%，細磨煤矸石 20-25%，垃圾焚燒灰5-10%，粉煤灰5-10%，其它1-10%。這樣在配料中固體廢物利用量達到70%以