水庫淤積物燒制技術(shù)工業(yè)性試驗研究

王立華，賴冠文，陳錫容

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；

2.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510610）

水庫淤積物燒制技術(shù)工業(yè)性試驗研究

王立華1，2，賴冠文1，2，陳錫容1，2

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；

2.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510610）

水庫淤積物燒制技術(shù)以水庫淤泥和煤矸石為主要原料生產(chǎn)燒結(jié)磚。為了制定科學(xué)合理的工藝參數(shù)，需要結(jié)合原料和生產(chǎn)設(shè)備的狀況進行線上工業(yè)性試驗。通過試驗，確定興寧合水水庫淤泥磚生產(chǎn)的基準配比為水庫淤泥50%、基坑棄料7.7%、煤矸石40%、原煤2.3%，混合料發(fā)熱量為1254 kJ/kg、成型含水率13%～14%、真空度為-80 kPa、保溫時間為80～90 min。

水庫淤積物；燒制技術(shù)；工業(yè)性試驗

0 概述

廣東省水庫自建成以來，基本上未進行清淤，經(jīng)過幾十年的運行，普遍出現(xiàn)了淤積，部分水庫淤積嚴重，水庫的功能和效益持續(xù)削弱和減小，對廣東省的社會經(jīng)濟造成嚴重制約。水庫清淤勢在必行，但清淤上岸的淤泥，必須采取綜合利用措施加以消納，以免再次進入水庫，或成為二次污染源。

水庫淤積物燒制技術(shù)提出了采用水庫淤泥、煤矸石、頁巖等為主要原材料，生產(chǎn)燒結(jié)類新型墻體材料，從而實現(xiàn)水庫淤泥資源化利用的新方法[1-4]。在廣東省水利水電科學(xué)研究院的技術(shù)支持下，2013年興寧中星環(huán)保建材有限公司投資2146萬元在興寧合水水庫建設(shè)年產(chǎn)6000萬塊（折標磚）淤泥燒結(jié)磚生產(chǎn)線。為了制定科學(xué)合理的工藝參數(shù)，需要結(jié)合原料和生產(chǎn)設(shè)備的狀況，進行線上工業(yè)性試驗。

燒結(jié)磚生產(chǎn)工藝過程主要由原料制備、坯體成型、濕坯干燥和成品焙燒4部分組成。各部分的重要性概括起來說，原料是根本，成型是基礎(chǔ)，干燥是保證，焙燒是關(guān)鍵，這4部分互相依存，缺一不可，因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量及控制生產(chǎn)成本，投料試產(chǎn)過程中必須通過線上生產(chǎn)試驗，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)。根據(jù)本項目的原材料、生產(chǎn)設(shè)備等實際情況，對原料配比、混合料發(fā)熱量、成型含水率、真空度和保溫時間等關(guān)鍵工藝參數(shù)進行試驗，最終確定規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的工藝參數(shù)。

本次線上生產(chǎn)試驗采用興寧合水水庫庫尾淤泥、黃槐鎮(zhèn)原興寧煤礦煤矸石粉、基坑開挖棄土、當?shù)仨搸r、原煤，所有原料粒徑均小于1 mm，煤矸石發(fā)熱量1672 kJ/kg，原煤發(fā)熱量25 080 kJ/kg，煤矸石和原煤均作為內(nèi)燃料。

1 原材料配比試驗

原材料配比決定了混合料的化學(xué)成分和顆粒組成，從而決定了成型性能、工藝性能和焙燒性能，直接影響工藝參數(shù)的選擇、濕坯和成品的質(zhì)量以及經(jīng)濟效益等。本項目以水庫淤泥為主要原料，總體上，細顆粒偏多，粗顆粒偏少，塑性偏大，同時水庫不同區(qū)位和深度的淤泥組成存在一定的變化，因此，以基準配比為基礎(chǔ)，根據(jù)原料的變化及時調(diào)整配比是非常必要的，是生產(chǎn)順利進行的基礎(chǔ)和前提。

水庫淤泥量大，供應(yīng)穩(wěn)定，配比設(shè)計時，原則上水庫淤泥應(yīng)盡可能多、頁巖和基坑棄土等盡量少；在滿足發(fā)熱量、顆粒組成、混合料塑性等要求前提下，盡量以工業(yè)廢料煤矸石作為內(nèi)燃料，不用或少用原煤，以保護環(huán)境、降低成本。因此，配比設(shè)計遵循多摻淤泥和煤矸石、少摻原煤和基坑棄土（頁巖）的原則。

（1）煤矸石用量

采用煤矸石和原煤作為作為內(nèi)燃料。根據(jù)以往的經(jīng)驗，混合料發(fā)熱量在1045～1463 kJ/kg內(nèi)為宜，本試驗發(fā)熱量按1254 kJ/kg進行配料，其中煤矸石用量分別為60%、50%、40% 和30%，發(fā)熱量不足部分由原煤補足。試驗結(jié)果見表1。

表1 煤矸石用量對淤泥燒結(jié)磚性能的影響

從表1可以看出，當煤矸石用量大于50%時，泥料塑性低、擠出壓力大、磚坯出現(xiàn)橫向裂縫，難以生產(chǎn)，按經(jīng)驗，成品強度低，吸水率大，未進窯焙燒；當煤矸石用量為40%時，泥料塑性稍低、擠出壓力稍大、磚坯無橫向裂縫，可以生產(chǎn)，成品抗壓強度23.1 MPa，其余指標合格，該配比需要加入適量塑性高的基坑開挖棄料或頁巖，以改善泥料塑性；當煤矸石用量為30%時，泥料塑性好、擠出壓力合適、磚坯無橫向裂縫，生產(chǎn)良好，成品抗壓強度22.4 MPa，其余指標合格。從降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品強度的角度考慮，煤矸石用量以40%為優(yōu)，同時采用適量基坑開挖棄料代替水庫淤泥，以提高泥料的塑性。

（2）水庫淤泥和基坑棄料用量

當煤矸石用量為40%時，為了改善泥料的塑性，需要采用適量基坑開挖棄料代替水庫淤泥。為了增加水庫清淤，在保障泥料塑性滿足生產(chǎn)要求的前提下，以多用水庫淤泥為原則表2為水庫淤泥和基坑棄料用量對淤泥燒結(jié)磚性能的影響。

表2 水庫淤泥和基坑棄料用量對淤泥燒結(jié)磚性能的影響。

從表2可以看出，當基坑開挖棄料用量逐漸增大時，泥料塑性增加，擠出壓力減小、濕坯質(zhì)量提高，生產(chǎn)順利，成品強度也逐漸提高，其余指標合格。從多用水庫淤泥、保證泥料成型性能、產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面綜合考慮，水庫淤泥用量50%、基坑開挖棄料用量7.7%比較經(jīng)濟合理。

（3）原煤

混合料的發(fā)熱量來源于煤矸石及原煤，發(fā)熱量的高低決定了焙燒溫度和焙燒過程。焙燒是制造燒結(jié)磚的最后工序，也是決定制品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焙燒時溫度控制對制品的強度、吸水率、色澤及其均勻程度和耐久性均具有重要影響。發(fā)熱量過低，會成為欠火磚；發(fā)熱量過高，就是過火磚，同時造成燃料浪費，增加生產(chǎn)成本。欠火和過火不僅影響磚的強度，也影響其外觀顏色和尺寸。因此，需要對混合料的發(fā)熱量進行試驗以確定合理的發(fā)熱量。

本試驗固定高溫保溫時間90 min，煤矸石用量為40%水庫淤泥和基坑棄土兩者的比例不變，通過調(diào)整原煤用量改變混合料發(fā)熱量，研究其對淤泥磚性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 原煤用量對淤泥燒結(jié)磚性能的影響。

從表3可以看出，當混合料發(fā)熱量為1129 kJ/kg時，原煤用量為1.8%，窯內(nèi)燒成溫度稍低，稍欠燒，成品抗壓強度20.6 MPa，偏低，吸水率偏大，要改善成品質(zhì)量，需延長保溫時間，但會降低生產(chǎn)效率；當混合料發(fā)熱量為1254～1379 kJ/kg時，窯內(nèi)燒成溫度較好，成品火色好，抗壓強度為23.1～24.0 MPa，其余性能指標均合格，生產(chǎn)效率也較高。綜合考慮生產(chǎn)成本及產(chǎn)品質(zhì)量，混合料發(fā)熱量1254～1379 kJ/kg較合適。

2 生產(chǎn)工藝研究

2.1 成型含水率

成型是燒結(jié)制磚中最基本的一個環(huán)節(jié)，濕坯成型質(zhì)量好壞直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響?；旌狭辖?jīng)過一次攪拌陳化完畢后，進入真出擠出機前二次攪拌時的含水率對濕坯成型質(zhì)量有著顯著的影響。泥料的成型含水率不僅制約著擠出壓力，而且直接決定了濕坯的強度和產(chǎn)量。泥料成型含水率高，塑性指數(shù)就高，擠出壓力降低，泥料擠出速度加快，但濕坯強度降低，下部磚坯容易變形，并增加坯體的干燥收縮，影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時干燥時間延長，降低干燥效率。成型含水率低，塑性指數(shù)也低，不易成型，擠出壓力增大，泥料擠出速度降低，負荷增加，摩阻力增大，磚坯易產(chǎn)生橫向裂紋，也會降低濕坯質(zhì)量。因此，在生產(chǎn)時應(yīng)確?；旌狭铣尚秃试谶m宜的范圍內(nèi)。

通過調(diào)整攪拌時的加水量來控制混合料的成型含水率，研究其對淤泥磚性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 成型含水率對淤泥磚性能的影響。

從表4可以看出，當泥料成型含水率為12%時，泥料塑性稍差，擠出壓力較大、負荷大，濕坯偶見發(fā)絲裂紋，成品表面也可見裂紋，成型含水率偏低；當泥料成型含水率為13%和14%時，泥料塑性好，擠出壓力合適、濕坯質(zhì)量良好，生產(chǎn)順利，成品質(zhì)量良好；當泥料成型含水率為15%時，泥料塑性好，擠出壓力較小、下部碼坯稍變形，碼在窯車下部的成品也稍變形，同時濕坯含水率增大，會延長干燥時間，降低生產(chǎn)效率。

2.2 真空度

真空度影響磚坯的孔隙率和致密程度，同時也可調(diào)節(jié)磚坯的含水率。真空度過低，磚坯密實度低，含水率較高，濕坯強度較低，下部磚坯容易變形；真空度過高，含水率較低，濕坯強度較高，但過于致密，難以燒透，降低了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

采用14%的成型含水率，研究真空度對淤泥燒結(jié)磚性能的影響，結(jié)果見表5。

從表5可見，當真空度為-60 kPa時，泥料塑性好，擠出壓力合適、下部3層碼坯稍變形，碼在窯車下部的3層成品也稍變形；當真空度為-80 kPa時，泥料塑性好，擠出壓力合適、濕坯質(zhì)量良好，生產(chǎn)順利，成品質(zhì)量良好；當真空度為-100 kPa時，泥料塑性好，擠出壓力稍大、濕坯質(zhì)量良好，生產(chǎn)順利，坯體過于致密，成品難以燒透。因此，真空度以-80 kPa為宜。

2.3 保溫時間

焙燒過程是改變原料中礦物組成的物理－化學(xué)反應(yīng)的綜合過程，因此也是非常復(fù)雜的過程。高溫焙燒過程中，顆粒熔融、燒結(jié)，生成新的礦物結(jié)晶相，一般也會產(chǎn)生液相，液相冷卻時凝固成玻璃相，與此同時，產(chǎn)品的顏色生成，強度增長，吸水率降低。最后，坯體中微孔體積的減?。芏仍龃螅┦菦Q定產(chǎn)品強度性能的又一重要因素，隨著溫度升高，熔融的液相流入顆粒的縫隙中，熔融物充塞了孔隙，氣孔率降低；同時由于毛細管中溶液表面張力的作用，使得顆粒彼此靠近，坯體體積收縮，最終得到致密的磚。高溫范圍內(nèi)的保溫時間對這些物理化學(xué)反應(yīng)的進程具有重要影響。保溫時間過短，反應(yīng)程度低，新的礦物結(jié)晶相和液相少，成品孔隙率大，強度也較低，欠燒；保溫時間過長，熔融物過多，密度，但體積收縮，尺寸變小，局部產(chǎn)生不規(guī)則收縮變形，過燒，同時，降低生產(chǎn)效率，影響產(chǎn)量因此，當原材料和燒成溫度一定時，科學(xué)的保溫時間，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率是非常重要的。保溫時間對淤泥磚性能的影響見表6。

表5 真空度對淤泥燒結(jié)磚性能的影響

從表6可以看出，當保溫時間為70 min時，成品抗壓強度19.8 MPa，顏色較淺、稍欠燒；當保溫時間為90 min時，成品強度23.1 MPa，其余指標合格，火色好，比較合適；當保溫時間為110 min時，成品抗壓強度24.3 MPa，其余指標合格，顏色較深、尺寸略縮小，顏色較深、稍過燒；當保溫時間為130 min時，抗壓強度22.6 MPa，其余指標合格，火色略淺，基本合適。

綜上，確定線上工業(yè)性生產(chǎn)淤泥燒結(jié)磚的基準配比為水庫淤泥50%、基坑棄料7.7%、煤矸石40%、原煤2.3%；混合料發(fā)熱量為1254 kJ/kg、成型含水率13%～14%、真空度為-80 kPa、保溫時間為80～90 min。

3 結(jié)語

按照水庫淤泥50%、基坑棄料7.7%、煤矸石40%、原煤2.3%，混合料發(fā)熱量1254 kJ/kg、成型含水率13%～14%、真空度-80 kPa、保溫時間80～90 min進行淤泥燒結(jié)磚生產(chǎn)，生產(chǎn)過程順利，電耗較低、生產(chǎn)效率高、成本較低、產(chǎn)品質(zhì)量好，銷路旺，技術(shù)經(jīng)濟指標良好。設(shè)計年產(chǎn)量6000萬塊，實際產(chǎn)量達到7011萬塊，超過設(shè)計產(chǎn)能16.85%。設(shè)計定員79人，實際54人，遠小于設(shè)計定員，勞動生產(chǎn)效率大幅提高，全員生產(chǎn)效率達到129.83萬塊/人，顯著高于行業(yè)平均水平。成型合格率達到99.5%，燒成合格率達到99.99%，綜合合格率達到99.49%，遠高于原設(shè)計值及行業(yè)平均水平。項目總投資收益率14.91%，稅前財務(wù)內(nèi)部收益率19.26%，全部投資回收期5.91年，稅后財務(wù)內(nèi)部收益率18.01%，稅后投資回收期為6.16年，盈虧平衡點為生產(chǎn)能力利用率70.3%，項目經(jīng)濟效益顯著。

[1]王立華，劉佳，陳理達.水庫淤積物建材化利用研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2012（7）：106-109.

[2]王立華，劉佳，陳理達，等.水庫淤泥燒制原料理化性能試驗研究[J].廣東水利水電，2012（11）：27-30.

[3]王立華，陳錫容，陳理達.水庫淤泥燒制工藝性能研究[J].廣東水利水電，2013（1）：25-27.

[4]王立華，陳理達，劉佳.水庫淤積物混合料燒結(jié)制磚工藝性能和干燥性能試驗研究[J].人民珠江，2013（1）：42-45.

Research on the industrial test of the reservoir silt sintering technology

WANG Lihua1，2，LAI Guanwen1，2，CHEN Xirong1，2
（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China；
2.Guangdong Province Key Scientific Research Base of Water Conservancy，Guangzhou 510610，China）

Reservoir silt and coal gangue have been used as the main raw materials to produce sintered brick.In order to develop scientific process parameters，the industrial test must be made on production line with actual raw materials and production equipments.By the test，the process parameters have been identified.The standard mix proportion is the reservoir sludge 50%，foundation pit abandoned 7.7%，coal gangue 40%and raw coal 2.3%.The mixture calorific value is 1254 kJ/kg，the molding moisture content is from 13%to 14%.The vacuum degree is-80 kPa and heat preservation time is from 80 to 90 minutes.

reservoir silt，sintering technology，industrial test

TU522.19

A

1001-702X（2016）09-0050-04

廣東省重大科技專項基金項目（2005A30402007）；廣東省水利科技創(chuàng)新項目（2009-34）

2016-02-11

王立華，男，1972年生，湖南雙峰人，碩士，高級工程師。