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工程设计技术交流
目前，城镇污泥处置已经成为制约我国城镇化规模发展的重要难题。欧美等发达国家已形成了完善的污泥资源化利用处理处置技术，尤其在消纳技术方面在不同领域均有成功应用案例。与国外不同，我国人口众多，城镇化建设的规模大，增长速度快，城市每年产生的污水增加量大，全国累计已建成污水处理厂6000多座，产生含水量80%的污泥达2亿t 以上。除了采取焚烧处理以外，全国每年大约还有3000万t 以上的污泥未得到妥善处理。各地创无废城市，建设美好生态环境的任务巨大。 污泥最常见的处理方式有填埋、堆肥、焚烧。填埋方式对污泥的要求和费用很高，而且会污染地下水，
已经不被允许。焚烧虽然处理较为彻底，但投资和运营成本较高。堆肥由于会造成重金属污染，国家明令禁止。水处理厂城镇污泥处理处置在技术上和经济上目
前面临着诸多的困难，利用制砖工艺处置污泥的投资和运营门槛相对较低，可以发挥社会的力量，引导更多的民间投资运营，高效解决社会难题。高温焚烧污泥制烧结砖，可以达到消除有害的有机物以及固化重金属的目的。 烧结砖工业长期以来是固体废弃物利用最大的一个行业，在利用煤矸石、粉煤灰、工业尾矿等工业固废以及城市建筑渣土、河道淤泥等制砖方面取得了成功的经验。其中，生产煤矸石烧结砖是我国砖瓦工业固废利用最成功的技术，利用煤矸石或全煤矸石全内燃烧砖已经得到了广泛的推广和应用，可以生产各种规格、品种、砖型的烧结砖，包括烧结多孔砖、空心砖、烧结保温砌块等，已实现了烧砖不用煤、不占用良田，成为城市环境的净化器。 国内有许多烧结制品企业为了消除污泥污染，不
污泥、煤矸石烧结砖关键工艺技术的研究
*
章来锋1李超1李俊1邹基2林玲3
(1.合肥佳安建材有限公司，安徽合肥230000；2.西安墙体材料研究设计院，陕西西安710061；3.国检集团西安有限公司，陕西西安710061)
摘要：介绍了污泥、煤矸石、建筑渣土制备烧结节能砖的生产实践，研究分析了生产工艺关键环节技术：
污泥脱水烘干关键技术、混合料制备关键技术、成型工艺关键技术、污泥烘干有害气体除尘除臭关键技术、高掺量污泥隧道窑烧结关键技术。生产的污泥煤矸石烧结砖的泛霜、石灰爆裂、强度、密度、放射性、重金属含量指标以及大气污染物排放指标均符合国家标准，生产实践表明制砖是消纳污泥的重要途径。关键词：污泥；煤矸石；烧结砖；工艺技术；研究 雅施达
*安徽省科技重大专项项目：隧道窑协同处置城镇污泥生产烧结节能砖关键技术研发及产业化（201903a07020005）。
中图分类号：TU522.06
文献标识码：A
文章编号：1001-6945（2022）06-16-06
Abstract:The production practice of fired energy-saving bricks prepared from sludge coal gangue,construction and slag is intro⁃duced.The key link technologies of the production process are studied and analyzed:the key technology of sludge dewatering and drying,the key technology of mixture preparation,the key technology of molding process,the key technology of dedusting and de⁃odorization of harmful gases in sludge drying,and the key technology of high-volume sludge tunnel kiln firing .The produced sludge coal gangue fired bricks are in line with national standards in terms of frost,lime burst,strength,density,radioactivity,heavy metal content and air pollutant discharge indicators.Production practice shows that brick making is an important way to ab⁃sorb sludge.
Key Words:sludge,coal gangue,fired brick,process technology,research
Research on key process technology of sludge and coal gangue fired bricks
ZHANG Lai-feng LI Chao LI Jun ZOU Ji LIN Ling
本栏编辑：孙国凤
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断探索消纳污泥的方法。其中，合肥佳安建材有限公
司提出了利用煤矸石烧结砖工艺“隧道窑协同处置城镇污泥生产烧结节能砖关键技术研发及产业化”项目，并就污泥、煤矸石制作烧结砖关键工艺进行了研究，投资新建了安徽省首条4烘2烧隧道窑烧结煤矸石砖生产线，设计年产能2.0亿块（折普通砖），产品为烧结污泥节能砖（包括烧结污泥空心砖、烧结污泥保温砌块和烧结污泥多孔砖）。1原料性能1.1
煤矸石
烧结砖用的煤矸石是采煤过程中排出的含碳量小、灰分超过40%不成煤的页岩，呈深灰，质地较软，莫氏硬度为3，外观片状结构，具有不完全解理。随着成矿地质条件和过程的不同以及开采方法的
不同，会出现含碳的砂岩、硬质岩、泥灰质岩，甚至会出现石灰岩。为了防止石灰爆裂，生产原料中应避免混入或应剔除石灰岩。本项目所采用的原料以含水率低的泥灰质煤矸石为主，同时也有少部分硬质煤矸石。
为了改善原料的颗粒级配，提高混合原料的成型性能，生产线的煤矸石原料采用锤式破碎机破碎。
煤矸石化学组成见表1。
表1煤矸石的化学组成
/%
2号
66.0013.40 5.30
1.100.95
0.40-
从表1可以看出，其化学组成在制砖允许范围内。煤矸石的矿物组成对制砖性能有重要影响。煤矸
石中的SiO 2、Al 2O 3结合在一起，以硅酸盐矿物的形态存在，如高岭石和水云母类，也会有蒙脱石和绿泥石类。需要指出的是，如果蒙脱石含量过高时，需要及时调整混合料配合比，否则会导致坯体干燥收缩变形过大以
及焙烧炸裂，严重影响制品成品率。如果原料中黄铁矿含量过高，会导致高排放SO 2的情况，造成烟气脱硫成本过大。表2为所用煤矸石的矿物组成范围。
表2煤矸石矿物组成范围/%
存在范围
0~35
0~20
0~20
0~30
生产工艺中，为满足全内燃或超内燃烧砖，同时考虑二步法烘干污泥、蒸汽加热搅拌成型的需要，掺煤矸石的发热量应控制在合理的范围内。1.2
污泥
本项目污泥来源于污水处理厂，是污水净化处理过程中产生的含水率不同的半固态或固态物质。沉淀污泥水分高达80%左右，如同胶质，很难与煤矸石原料实现充分的混合；含水率低于40%时，污泥结构松散，类似于泥土，易于与煤矸石原料混合。降低污泥的含水率能大大降低污泥的体积。表3为采用的部分污水处理厂的污泥检验报告。
污泥成分较为复杂，主要为有机物，如氨基酸、腐殖酸、病原体微生物、无机物、重金属等，一般具有较高的热值，温升过程中会产生较高的挥发分。1.3
建筑渣土
建筑渣土的化学组成类似于页岩，矿物组成主要以黏土矿为主。工厂在收取建筑渣土时，应严格检验杂质和控制膨润土的含量。2
污泥、煤矸石、渣土烧结节能砖生产工艺流程
污泥、煤矸石、渣土烧结节能砖生产工艺流程见
图1。煤矸石、渣土分别外运至各自原料库，严格控制其含水率。如果煤矸石块度较大需要经过粗碎，正常情况下直接经锤式破碎，过筛筛分，
将没有达到工艺要求
4.90
率/%56.2
含量/%32
总氮12260
总磷21410
总钾9160
总镉3.25
总铅65.5
总铬940
总汞2.15
总砷46.0
总铜574
总锌1448
总镍221
表3
污水处理厂的污泥检验报告
图1污泥、煤矸石、
渣土烧结节能砖生产工艺流程图
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的筛上料返回送至锤式破碎机重新破碎；筛下料与建筑渣土分别由给料设备送至混粉机进行混合，混粉机处理过的物料送入搅拌机，加水搅拌至工艺含水率要求的均匀物料，然后由皮带输送机送至陈化
库陈化，经陈化后的物料由多斗挖掘机均匀取料，物料与二次烘干污泥分别经皮带输送机送入搅拌机高温蒸汽加热混合搅拌，然后送入砖机挤出成型，成型的空心砖泥条经自动切条、切坯、编组，由码坯机将各组砖坯码在干燥窑车上，分道送入隧道式干燥室干燥，然后送入隧道窑焙烧，出窑得到成品砖。
利用隧道窑保温冷却带余热加热蒸汽锅炉产生的工业蒸汽对污泥进行第一次脱水烘干，第二次污泥烘干采用隧道窑冷却余热气体与工业蒸汽共同烘干。3污泥、煤矸石烧结砖关键工艺技术3.1
污泥脱水烘干工艺关键技术
污泥脱水烘干工艺非常关键，目的是将混合料成型含水率控制在合理的范围内，过高含水率的污泥是无法直接加以利用的。本项目采用二步法无害化污泥烘干处理工艺，烘干污泥热源取自于隧道窑的换热余热。第一步烘干是采用制备的工业蒸汽将污泥的含水率由60%以上脱水降至45%，烘干温度160℃，烘干时间根据污泥含水率控制在1h~2h 。然后，污泥再通过无轴螺旋输送机，进入专用污泥干化机，进行第二步烘干，将污泥的含水率由45%降至20%，烘干温度350℃，时间15min~30min ，干化污泥粒径≤2mm ，呈颗粒状。本烘干系统污泥烘干处理能力达到7t/h~8t/h 。二步法干化系统见图2。
3.2污泥、煤矸石、渣土混合料制备工艺关键技术制备性能良好的混合料是生产高质量产品的前
提。污泥、煤矸石、渣土制砖有其独特的性质，污泥的掺入往往会破坏颗粒间的黏性，使原料变得更加松散，物料也会时常出现泌水和坍缩现象。因此，首先要对煤矸石、渣土充分破碎混合，以取得更多的黏粒，使原料颗粒之间获得更大黏结内聚力，改善原料可塑性，抵
消掺入污泥带来的不良影响。同时，物料需要合理颗粒级配，经破碎后的煤矸石、渣土中的粗颗粒在物料中起着骨架的作用，形成良好的颗粒堆积密度，因此采用锤式破碎机破碎。又由于污泥与煤矸石、渣土密度相差较大，污泥之间成团黏性较大，采用常规的搅拌机往往不能取得预期的效果，为此，必须采用具有强制混合搅拌功能的设备，如轮碾机、筛式捏合机等。
煤矸石、渣土破碎混合加水搅拌后送入陈化库保湿、保温陈化，通过水分扩散（传质）以及黏粒胶体离子交换和填充空位，使混合料更加密实，水分均匀合理搭配，内聚力提高，整体性能更加一致，成型性能得以大幅改善。混合料塑性指数控制在7以上。
干化后的污泥粒径≤2mm ，其含很多微细泥尘，泥质轻、细，污泥干化后降低了混合料的塑性以及混合料颗粒间的黏结性能，而且不易与煤矸石、渣土等其他原料进行均匀混合，不利于砖坯成型并影响到烧结砖产品性能。为此，混合物料采用自主研发的“一种污泥搅拌机”（授权号ZL201721513622.X ）和“一种生产污泥砖用的污泥搅拌加湿装置”（授权号ZL201721515329.7）进行搅拌，实现原料高效、高均匀的混合。
确定污泥、煤矸石、渣土的配合比非常关键。煤矸石、渣土配比的选取原则在于调节原料塑性，以及干燥收缩和焙烧收缩的大小，在于调节混合料的颗粒级配、堆积方式和密度，使其容易达成一致的性能。污泥、煤
矸石、渣土配比的重点在于让污泥进入煤矸石和渣土中相对较大颗粒堆积形成的孔隙中去，以避免由于污泥的介入破坏了黏粒之间的链接，从而造成污泥烧失后制品产生大量连通孔隙，使制品的强度受到较大的影响。
根据工业试验结果，确定干化污泥、煤矸石、渣土原料合理配合比为10%:70%:20%。3.3
成型工艺关键技术
原料成型性能最重要的指标是可塑性指数，其表示了混合料成型的难易程度且保持成型形状不变的能
力。从上述定义可以分四种情况评价原料的塑性性能：①成型容易且保持成型形状不变的能力弱；②成型容易且保持成型形状不变的能力强；③成型困难且保持成型形状不变的能力弱；④成型困难且保持成型形状不变的能力强。显然，
在实际生产中最不希望出现的是①和③两种情况，因为它们带来了后续工艺不良后果，要么码坯机码不了坯，坯子很容易变形；要么非
常容易出现倒坯。工艺需要第一位的是②项，第二位
图2二步法干化系统
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的是④项。本项目工艺选择的是②项，通过加热提高温度改变原料的触变性，使其容易成型。根据原料的触变性，后续成型后的坯体保持形状的能力大幅增强。至于④项只能采取硬塑挤出的方式成型。
本项目的产品为烧结污泥节能砖（包括烧结污泥空心砖、烧结污泥保温砌块和烧结污泥多孔砖），对混合料的可塑性要求较高，不仅要求顺利地成型具有高
空洞率的坯体，同时还要求坯体具有足够的湿坯强度，以满足机械码坯、码垛的需要。为此，采用“加蒸汽式”混合搅拌技术，干化污泥与陈化后的煤矸石、渣土原料按照10%:70%:20%的比例进行混合。在混合搅拌中加
入隧道窑余热制备的工业水蒸气，蒸汽温度约180℃，将煤矸石、污泥混合料均化、软化，使混合料
更易于成型，成型的砖坯表面更光滑，切口细致匀称。加蒸汽后干污泥等微细原料不易挥发污染环境，提高了污泥中矿物油性成分的活性。泥条挤出速度快，致密性高，湿坯强度高。采用此技术时，挤出机的电机电流至少下降50A ，可节能、节水。制成的砖坯烧成、成型合格率能提高3%~5%。3.4
污泥烘干有害气体除尘除臭关键工艺
隧道窑焙烧过程中，在产生二噁英的温度段，设置封闭的气体循环回烧系统，可有效避免二噁英的释放。
在污泥的烘干等工艺处理过程中对于可能产生的恶臭、含尘气体采用技术措施为：对污泥烘干处理线实施全流程密闭，利用风机对恶臭气体进行密闭微负压收集，实现各重点防控点微负压工况，从而避免对作业环境和周围环境造成二次污染。收集的恶臭气体有两种处理方法：一种是直接送入隧道窑进入高温带回烧，通过隧道窑循环焙烧过程消除污染物，进而实现挥发性污染物的无害化处置。然后通过脱硫、脱硝、除尘消白一体化装置对末端烟气进行净化，实现达标排放。另一种方法是将收集的气体通过喷淋预处理系统，去除废气中部分粉尘颗粒物及易溶于碱液的硫化氢和氨气气体，然后采用自主研发的“一种水浸式烟气除尘装置”（授权号：ZL201721562396.4）进行除尘，后进入湿式电除尘再次吸收剩余部分硫化氢和粉尘处理，然后通过光催化氧化装置进行剩余臭气净化，再通过引风机经脱硫塔达标排放。
多普达535
污泥、煤矸石烧结节能砖浸出试验结果与标准
GB5085.3-2019限值对比见表4，由表4可以看出高温焙烧后，污泥中的重金属被固化在烧结体晶相晶格或
玻璃相结构中，不会造成重金属污染。
表4
污泥、煤矸石砖浸出试验结果
/mg/L
标准（GB5085.3-2019）90
1.8
印知网27
360 6.750.45135
制砖高温处理过程可以彻底消灭污泥致病菌。由于严格控制原料端放射性，制品的放射性核素指标达到国家标准的控制要求，不会对环境造成二次污染。
3.5高掺量污泥隧道窑烧结关键技术
高掺量隧道窑由预热带、烧成带、保温冷却带组成。通常隧道窑工作系统包括余热利用系统、冷却风送风系统、排烟抽风系统。为了消除污泥在烘干脱水、
坯体干燥以及各工段释放的污染气体，窑炉上增加设置窑炉蒸汽锅炉系统（制备工业蒸汽）、微负压收集气体回烧系统以及烟气挥发分回烧系统、二噁英回烧系统。为了便于控制，简化工艺，回烧系统部分可以合并实现共用功能。图3为余热利用锅炉制备工业蒸汽。小诺霉素
根据污泥、煤矸石混合料物理化学的具体特点，为了生产出轻质高强的制品，隧道窑烧结温度控制在850℃左右，采用低温长烧工艺，从而使坯体物料得到
充分的物理化学反应。
焙烧是隧道窑协同处置城镇污泥生产污泥节能砖的一个关键环节。由于采用二步法烘干技术，处理后的制砖用干化污泥含水率达到20%，掺量为10%，在成品产量一定时，相当于实现干化污泥掺量增加30%左右。相比GB/T25301-2010《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》标准，制砖用干污泥含水率
一般为40%，实际掺量（混合比例wt%）≤10%。4
制品性能简述
污泥中的有机物相当于造微孔剂，经过合适原料处理成型，再通过高温焙烧后在砖体中形成微孔，生产出的烧结砖（砌块）微孔率高、传热系数小、收缩率低、密度小，
图3
余热利用锅炉
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工程设计技
术交流
在保证砖体强度、防潮、耐蚀性能、长使用寿命的同时，实
现产品轻质、隔音、隔热，节能保温效果优良。
污泥掺量与烧结砖强度关系见图4。从图4可以看出，抗压强度随污泥掺量的增加而减少，其也与制品烧结程度有很大关系。本项目采用低温长烧工艺，从而保证了制品强度的提高。烧结砖强度同时也与生产工艺有关，如果污泥与煤矸石、渣土颗粒级配混合不理想，采用的混合设备效果不好，干燥时坯体出现缺陷，这些因素均会严重影响制品的强度。
本项目生产的污泥、煤矸石烧结保温节能砖的技
术指标方面：外观、泛霜、石灰爆裂、欠火砖和酥砖等常
规质量和性能指标均符合烧结空心砖、多孔砖、保温砌块国家标准；强度等级为MU3.5~MU30；密度等级700~1300级；尺寸偏差低于允许值25%；吸水率≤20%；传热系数≤1.0；放射性：Ir≤1.0；IRa≤1.0；重金属含量、大气污染物排放指标均符合GB/T25031—2010的要求，具体检测指标见表5、表6和表7。5结语
污泥、煤矸石烧结砖关键工艺技术的研究与实践
是对我国城镇污泥资源化综合利用发展模式的有益探
1
234
5678910
尺寸偏差
外观质量密度等级（1300级）
强度等级（MU10）
孔型孔结构及孔洞率
泛霜石灰爆裂
抗风化性能放射性欠火砖、酥砖
长度宽度高度
抗压强度
强度标准值
孔型孔洞尺寸最小外壁厚最小肋厚孔洞率孔洞排列
吸水率
饱和系数内照射指数外照射指数
mm mm mm kg/m 3MPa MPa mm mm mm %
%%
样本极差样本平均偏差样本极差样本平均偏差样本极差符合标准表2要求
1200~1300≥10≥6.5
矩形条孔或矩形孔孔宽≤13，孔长≤40
≥12≥5≥33
符合保准表5要求不允许出现严重泛霜符合标准5.7要求平均值≤21单块最大值≤23平均值≤0.78单块最大值≤0.80
≤1.0≤1.3
不允许有
≤8.0±2.0≤7.0±1.5≤6.0 3.5-1.42.5-1.22.0符合123013.211.6矩形孔孔宽12，孔长38
15735符合
五块均无泛霜
符合15190.680.720.20.3
无
合格合格合格合格
合格
合格合格合格合格合格
表5
烧结污泥煤矸石多孔砖国检技术指标
1
2345
67
8910
尺寸偏差
外观质量
强度等级（MU3.5）密度等级（1000级）
孔洞排列及其结构
泛霜石灰爆裂
中国人民解放军第四军医大学抗风化性能
欠火砖、酥砖
放射性长度
宽度高度
抗压强度
强度标准值
变异系数
孔洞排列
孔洞排数
孔洞率孔型
5h 煮沸吸水率
饱和系数
内照射指数外照射指数mm mm mm MPa MPa kg/m 3排%
%%
样本极差样本平均偏差样本极差样本平均偏差样本极差符合标准表2要求
≥10≥6.5≤0.21901~1000有序或交错排列宽度方向≥4，高度方向≥2
≥45
矩孔型
阻燃剂tbc
不允许出现严重泛霜
符合标准6.7要求平均值≤21单块最大值≤23平均值≤0.78单块最大值≤0.80不允许有欠火砖、酥砖
≤1.0
≤1.3
≤6.0±2.0≤5.0±1.5≤5.0 3.0-1.52.5-1.22.0符合13.211.60.08941有序排列宽度方向4，高度
方向250矩形孔
三块轻微泛霜。两块无泛霜
符合16180.750.78
无0.10.3
合格
合格合格合格合格合格合格合格合格合格
表6
烧结污泥煤矸石空心砖国检技术指标
20
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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