垃圾火山灰质复合硅酸盐水泥及其生产方法与设备

本发明涉及环境保护和复合硅酸盐水泥技术，尤其是垃圾火山灰质复 合硅酸盐水泥及其以粘土、页岩和垃圾为原料，制造人造火山灰混合材， 进行火山灰质复合硅酸盐水泥生产的方法和设备，并处理垃圾的技术。

目前公知的相关技术有：澳大利研究出一种“用垃圾生产混凝土轻质 填充物”，是以垃圾与粘土混合加工焙烧而成，目的是为了处理垃圾制造 轻质填充料。

“日本利用垃圾灰制造建筑材料”是将垃圾直接焚烧制得。

“美国加利福尼亚的CR卡莱维垃斯水泥公司开发利用废旧轮胎转窑 煅烧代用燃料”，以及“美国水泥工业中的废物利用技术”等，目的是处 理垃圾节约能源。

专利申请号“9110167”利用城市生活垃圾造砖技术，是一项使用粘 土处理垃圾的制砖技术，其产品为建筑砌块。

“用硫酸铝渣和硫铁矿渣作混合村，生产复合硅酸盐水泥”，是一种 水泥工业中对废物的直接利用。

“北京研究出生活垃圾自然焚烧技术”，是使用助燃剂使垃圾焚烧为 混凝土填充物。

申请号：931025567“垃圾多孔体材料”，是利用垃圾和膨胀页岩制 造的陶瓷多孔体材料，用作混凝土轻质填充料。

本发明是研究和提供一种复合硅盐水泥及其生产方法与设备，同时处 理垃圾治理环境的技术，而已知相关技术中，一般都是处理垃圾生产混凝 土填充物，其中涉及到水泥工业中利用废物的技术，如美国，其目的和 效果，都只限于能源利用。少数处理垃圾的相关技术涉及复合水泥的混合 材，如国内用硫酸铝渣和硫铁矿渣制作复合水泥；但是处理垃圾的范围窄 小。

与本明相关的参考技术资料有：

1、中国，《建材工业信息》“用垃圾废液生产混凝土集料”，1994 年第10期第17页(宏光)《建材工业信息》编辑部出版社。

2、中国《建材工业信息》“回转窑煅烧代用燃料——废旧整轮胎”， 1993年第23期第15页。杨文燕译自英国《世界水泥》、《建材工业信息》 编辑部出版社。

3、中国《建材工业信息》“美国水泥工业中的废物利用技术”， 1993年第16期第10页《建材工业信息》编辑出版社。

4、中国《建材工业信息》用硫酸铝渣及硫铁矿渣作混合材，生产复 合硅酸盐水泥。1994年11期第19页(刘学丰)《建材工业信息》出版社。

5、中国《建材工业信息》“日本利用垃圾灰制造建筑材料”，1992 年第11期第6页(邓陶陶)《建材工业信息》出版社。

6、中国《建材工业信息》“谈水泥基复合科学研究中的科学方法”， 1993年第7期第24页，陈恩义，中国建材杂志社。

7、中国《发明专利公开说明书》“垃圾多孔材料“申请号：931025567， 公开号CN1089246A，公开日1994年7年3日，中国专利局(BJ)1456 号。

地球上的垃圾越来越多，据估计全球每年新增垃圾100亿吨，合人均2 吨。我国全国每年排放工业固体废物达6亿吨，城市年积存垃圾5000余万 吨，并以每年10％的速度增加。许多城市面临垃圾包围的隐患，垃圾问题 正使人类面临空前严竣的挑战。

本发明的目的是处理垃圾治理环境提供一种复合硅酸盐水泥及其生产 方法和设备。

首先是为了处理垃圾治理环境，使垃圾焚烧凝结，无害化和有益化， 并实现水泥工业中既利用废物作能源，又利用废物作资源生产复合水泥， 不但使垃圾废物变废为利，而且使垃圾变成身价百倍的社会必需产品—— 水泥。

从工艺上：本发明的目的是提供一种设备及生产工艺简单，成本非常 低廉的水泥工业中进行废弃物再利用的技术。

本发明是这样实现的：以垃圾和页岩(粘土)为原料，经焙烧而制成 垃圾人造火山灰混合材，生产垃圾火山灰质复合硅酸水泥，并同时处理垃 圾。

本发明处理的垃圾主要为城市生活垃圾，也可以是某些工业固体垃圾， 如粉煤灰，煤矸石。

本发明采用的粘土，页岩是含有适量的氧化铁，二氧化硅、三氧化二 铝和碱金属、碱土金属氧化物等组份与火山灰成份相当的粘土和页岩，其 中硅铝的三二氧化物总含量一般占矿物总含量的70％以上，以含有大量的 水云母为特征。

这类页岩或粘土与垃圾混合后，在保持还原气氛和煅烧匀速进行的条 件下，在100—500℃完成烘干，700—900℃温度下预热分解，挥发份析出； 当在1000—1200℃温度下烧成时，铁与碳互相作用，发生氧化铁的还原反 应，还原后的铁和硅酸盐发生反应而形成易熔的低熔体，并与碱和碱金属 氧化物形成共熔物，促使熔体组份不断改变生成重结晶作用，彼此粘结成 为整体，焙烧物料气孔迅速降低，急剧收缩，重量明显减小，外观颜色发 生改变，经冷却而形成具有较轻质量和高强陶瓷特征的人造火山灰水泥混 合材。

当将这类页岩(粘土)与垃圾互相混合后，在1000—1200℃高温下入 窑加速焙烧时，铁与碳互相作用，发生氧化铁的还原反应，还原后的铁和 硅酸盐发生反应而形成易熔的低熔体，当受热到达熔点时，同时膨胀形成 陶瓷多孔体，经冷却即成为火山灰质混合材。

在焙烧中，垃圾一部份作为残留物变为灰尽，一部份已被熔结或参加 反应而化合。由于数段高温焙烧，热化反应而使垃圾无害化。由于垃圾燃 烧时，自身释放出大量热能，从而提供了相当部份的能源。

本发明的焙烧设备是这样实现的：其炉窑为竖式立窑，竖窑外框可以 是园形或方形建筑，框内镶砂石或耐火砖，使其砌成梨形(球台状)内园， 其截面大小随产量而定。窑内设有通风管，侧面御料，底部设有御料口2 —3个。

本发明的生产流程如下：先将页岩(粘土)和垃圾破碎，以适当的燃 料煤一起混合，视垃圾发热量大小，用煤量仅占物料重量的2％—7％即可， 然后拌合成球粒或球团，入窑焙烧即成为垃圾火山灰质混合材。也可使用 其岩粒或岩块直接入窑，层层加入垃圾和燃料煤焙烧成混合材。再将其混 合材与硅酸盐水泥拌合而成为一种复合硅酸盐产品，即垃圾火山灰质硅酸 盐水泥。其拌合可与水泥熟料共同磨细，也可以分别磨细再仔细拌合。

本发明由于把垃圾废弃物变成了有用原料，垃圾成为了资源，据统计 全国积累下来的垃圾已超过50亿吨。本发明采用的粘土及页岩或是垃圾， 其资源都是十分丰富，生产成本非常低廉，生产工艺简单，可非常大量的， 非常普遍地进行本水泥混合材的制造，并非常大量和非常普遍的进行垃圾 火山灰质硅酸盐水泥的生产，以满足基础设施建设及各种建筑工程的需要， 同时达到大量的十分广泛的处理垃圾治理环境的目的。

本发明垃圾火山灰质复合硅酸盐水泥是一种优异的水硬性水泥产品， 尤其是具有早强、高的硬度和耐磨度、化学稳定性、密实性，以及低的渗 透性等，其混合材的掺量：一般为30％—40％，最高为62％以上。

由于采用了以上以页岩(粘土)和垃圾为原料制造垃圾火山灰质混合 材的方案，及其热工工艺和竖炉式立窑的设备，可以生产出垃圾火山灰质 复合硅酸盐水泥，同时处理垃圾，并可以达到本发明的目的。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图是用于制作本发明产品的设备—竖式立窑的纵剖面构造图：

图中1、梨形窑堂  2、窑底  3、御料口  4、窑面  5、进料口 6、通气管  7、气帽

在附图中：梨形窑堂(1)呈上大下小的球台状内园，其窑底(2)与出料 口(3)联结，窑面(4)与进料口(5)联结，通气管(6)可设在窑内，但最好是 设在窑底，那么窑内除底部有风帽(7)之外完全是空的，竖炉高度最好以 不超过4米为宜，这样加料出料既方便又快，更重要的是能很好的处理 掌握窑况。

本设备在使用方法上：其加料高度一次可达30—60公分，焙烧时间随 煤风大小而异，一般2—3小时左右，一个6M2截面的竖炉产量每小时可达 1吨以上。

本炉窑设备既可采用粉碎后的垃圾，页岩(粘土)与燃料煤混合，以 内加煤的方法进行焙烧，也可层层加煤焙烧；垃圾既可与矿石(页岩或粘 土)混合焙烧，也可以层层加入垃圾焙烧，“页岩”既可磨矿成球。也可 将其岩粒、岩块直接入窑焙烧。在无垃圾处理的情况下，可采用本设备， 并按其使用方法对粘土或页岩进行焙烧，最好是采用含水云母为特征的易 熔粘土及页岩进行焙烧，而进行复合水泥的生产。

本发明的设备，当采用深火还原气氛的匀速焙烧工艺，则能实现基本 上没有煤烟和废气排放在窑面上完全看不见烟雾，没有二次污染，对环境 无不良影响。其原因和机理是：其一与深火还原气氛匀速慢烧有关，其二 是粘土和页岩中的粘土矿物成份有吸油吸脂吸收氧化碳二氧化硫和氧化氮， 吸收有机质，微细粉尘等有毒有害物质，以及如黄曲霉等致癌物质的功能。

如果加大煤量和风量，实行浅火高温的快速焙烧工艺(烧成时间只需 15分钟左右)，其制备的混合材(以多孔为特征)，则质量更为优良，产 量亦将成数倍的提高；但是有较大的废气排放，需进行废气处理。

本实施例中，采用的垃圾主要为城市生活垃圾，其垃圾品位因地而异， 可以是无机物为主，也可以是有机物为主，本实施例的试验中采用的是涪 陵市的生活垃圾。以垃圾含量分别占矿石物料的20％—50％，进行了试验， 对部份垃圾如粉煤灰及煤矸石也作了试验，除含硫过高的煤矸石掺入量不 宜过高之外，其掺入量均可达20％—50％。

实施例中对本发明采用的原料，除垃圾之外，也对粘土和页岩进行了 试验，尤其是对不同地域，不同地质时代的水云母页岩和水云母质粘土进 行了广泛试验，其编号、采集地点，地质时代，层位，岩性如下：

编号：B—1采集地点四川武隆，地质时代奥陶纪，层位“五峰”组， 岩性：黑色页岩，以含水云母矿物及笔石化石为特征，化学组分与火山灰 成分相类似，其中SiO2含量为70.19％，AL2O3为8.95％。

编号：W1采集地点四川武隆，地质时代志留纪，“韩家店”组，黄色、 黄灰——黄绿色页岩以含水云母为特征，其化学组成与火山灰成分一致， SiO2＋AL2O3总合为76.74％。

编号：S—2采集地点四川武隆，地质时代：志留纪，层位：“龙马溪” 组，岩性：黑色——灰色页岩，其特征是一套含水云母的笔石相页岩，主 要化学成分：SiO2为72.64％，AL2O3为12.32％，Fe2O3为5.45％，与火 山灰成分相当。

编号：Jg，采集地点，涪陵市，地质时代：侏罗纪，层位：“自流并 组”，岩性：黑灰色，灰——黄色页岩，其特征是一套介壳相的水云母页 岩，SiO2＋AL2O3总含量为76.31％，化学成分与火山灰成分十分一致。

编号：丰1—3，采集地点丰都，地质时代三叠纪，层位：雷口坡组， 岩性：黄—黄绿色页岩。为低温易熔页岩

编号：Ch采集地点：重庆市，地质时代侏罗纪，层位：自流井组，岩 性：黑色，灰—灰黄色页岩，其特征是一套介壳相的水云母页岩，化学成 分与火山灰十分一致。

编号：TY，采集地点：天津市，地质时代：第四纪，岩性：黑灰色较 质粘土，化学成分中SIO2＋ALO3总合为70.33％，成份也与火山灰一致。

以上粘土及页岩中，其编写B—1，W1、Jg、TY均分别加入其20％—50 ％的生活垃圾或粉煤灰作了试验，对编号Ch、Jg、TY分别作了未掺垃圾的 时比试验，试验结果均能作为理想的混合材，并均能制造出优异的复合水泥。

当熟料标号在525以上时，混合材掺合量为占总物料的30％—40％， 最高掺入量62％，其生产的复合硅酸盐水泥28d的抗压强度都在42Mpa以上。

国内传统的混合材生产复合硅酸盐水泥掺量25％左右时，28d的抗压 强度一般比熟料强度降低10％—20％，而本发明其混合材的掺量为30％时， 28d的抗压强度仅降低3.3％—7.7％。

本发明的产品——复合硅酸盐水泥中的垃圾和火山灰成份虽然复杂； 但都是一种能改变水泥硬化及水泥结构和性能产生影响，并达到一定强度 比的材料，按国内最新的研究属于混合材，但由于其混合材的成分主要为 火山灰成分，故属于火山灰质范畴，用其与硅酸盐水泥拌合，即成为一种 优异的复合水泥—垃圾火山灰质硅酸盐水泥，并都极大的提高了其水泥的 安定性。

1986年7月在第八届国际水泥化学会议上，著名水泥混凝土专家：美 国的Menta教授曾指出：“当硬化水泥浆体和混凝土不再被视为由那些需 要单独并彻底地描述其特征的孤立组分所构成时，这似乎说明我们已经达 到了水泥研究的转折点”。

屹今，立窑水泥生产中存在的要害问题是安定性问题，即使加入矿渣 或延长其存放期往往也无济于事。

本发明的重要特征之一就是能够解决水泥生产的安定性。采取本发明 的混合材作掺合料，不但对水泥安定性无不良影响，而且会使安定性差的 水泥，以致安定性松脆的水泥达到安定性合格。特别是用在那些以高石灰 饱合系数配料，进行高标号水泥生产的水泥工业，是非常适宜的。

本发明的产品除利用其早期强度高，高的硬度和耐磨度和低的渗透性 等优异特征，可作特殊用途，如防水水泥、路面水泥之外，其它应用方面 的适用性为火山灰质硅酸盐水泥，矿渣水泥相同。并完全能代替矿渣作水 泥掺合料，这对于无矿渣入厂的水泥工业具有实际意义。