摘要：模拟隧道窑内燃方式制备烧结保温砌块，研究了造纸污泥的热解特性，并与煤矸石进行了对比研究。结果表明，造纸污泥105℃烘干后的热值为2157J∕g，当焙烧温度上升到500℃时，造纸污泥的残余热值就为0，同时达到最大烧失量51%，而煤矸石的残余热值到1000℃才释放完，其最大烧失量为19%。造纸污泥的热解特性与煤矸石不同，造纸污泥的可燃物质在以隧道窑内燃为主要焙烧方式的焙烧工艺中难以有效利用。

建筑行业的能耗约占全国能耗总量的30%，建筑行业已经成为中国主要耗能行业之一。在建筑能耗中，建筑物围护结构的热散失所占比重约77%，墙体占围护结构的比例最大，通过墙体散热（含空气渗透散热）占59.4%。因此，提高墙体材料的保温隔热性能是建筑节能的主要途径之一。烧结保温砖及保温砌块具有优良的保温隔热性能，是一种极具发展潜力的新型墙体材料。

利用污泥制备烧结保温砌块，实现污泥的资源综合利用，降低建筑能耗，不仅可以保护生态环境，还可以衍生一门新的环保产业，其市场前景十分广阔。目前，全球已有80多个国家、170多个城市拥有专门从事污泥开发利用或污泥收集、加工利用的企业。比如：日本利用污泥制备出高端建筑材料，该建筑材料具有质量轻、透气性好等优良性能，而且还可以制出不同的色彩，适宜于各种建筑物装饰。美国马里兰大学以污泥为原料研制出“生物砖”，并作为污泥资源化循环利用的先进技术加以推广。Demir等人研究了利用造纸工业污泥掺入到黏土中制砖。研究表明，随着污泥掺量的增加，烧结砖的表观气孔率和吸水率增加，而密度和抗压强度下降。赵德智研究了利用造纸污泥烧制建材砖，主要对制备工艺及原料配比进行了详细的研究。龚维卓等人研究了利用河道淤泥生产烧结保温砖和保温砌块，主要对利用淤泥生产烧结保温砖及砌块的设备、原材料处理、技术工艺和效益等方面进行了研究。

目前，国内科学者对造纸污泥制备烧结保温砌块的研究重点都集中在造孔性能，工艺装备及成分配比等方面，而对污泥在制备烧结保温砌块中的热解热性研究未见报道。造纸污泥含有丰富的有机质，具有较高的热值，造孔性能好、但是燃点较低，且易挥发；目前国内烧结保温砖大部分是以煤矸石内燃为主要方式烧制而成的；但是造纸污泥的热解特性与普通煤矸石的截然不同；因此，造纸污泥将对在隧道窑中以煤矸石内燃为主要焙烧方式的烧结工艺产生重大影响。所以，本文研究造纸污泥在制备烧结保温砌块的过程中的热解特性将具有重大的意义。

1 实验

1.1 实验原料

1.1.1 造纸污泥

由江西省某造纸厂提供，该造纸污泥经过预处理后，相对含水率49.8%，塑性指数为23，颜色为灰色，其化学组分见表1。

表1  造纸污泥的化学成分/%

1.1.2 煤矸石

产自萍乡市某煤矿，相对含水率为13%，塑性指数为6，颜色为黑色，其化学组分见表2。

表2  煤矸石的化学成分/%

1.2 主要仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱，101型，沪南电炉烘箱厂生产；自动量热仪，5E-AC/PL型，长沙开元仪器股份有限公司；SXT-6-16-4B可控梯度箱式电阻炉；精密电子天平，UW220H型，精度为0.0001g，日本岛津生产；热重分析仪，HCR-1/2/3,北京恒久科学仪器厂；玻璃器皿等。

1.3 实验方法

1.3.1 原材料处理

将准备好的造纸污泥和煤矸石分别放置鼓风干燥箱，在温度为105℃的条件下烘至恒重；再烘干后的原材料分别经盘式研磨机粉碎处理。

1.3.2 原材料焙烧

将处理好的造纸污泥和煤矸石同时放置梯度电阻炉进行焙烧实验，温度制度按照以隧道窑内燃方式焙烧保温砌块的焙烧工艺模拟进行，温度制度如下：

①余热阶段，升温速率为100℃/h；②烧成阶段，当温度为800℃时，升温速率降至60℃/h；当温度为900℃时，升温速率降至50℃/h；③保温阶段，当温度为1000℃时，以降温速率为50℃/h缓慢降低炉膛内温度，当温度降至800℃时，关闭电炉电源，让其在炉膛内自然冷却。

1.3.3 测试

对造纸污泥及煤矸石进行对比实验测试。

热值：在造纸污泥及煤矸石的焙烧处理过程中，当温度为105℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃及1000℃时，分别取样进行热值测试，本文的热值表示方法为弹筒发热量。

热重分析：造纸污泥与煤矸石在升温焙烧过程中，记录其在连续焙烧温度下，其质量变化的过程。

2  结果与讨论

2.1  焙烧温度对样品热值的影响及分析

图1为按照前面实验方法，造纸污泥及煤矸石在不同焙烧温度下的残余热值变化曲线。由图可知，煤矸石经过烘干后的残余热值为4568J/g；在焙烧温度上升到300℃之前，其热值没有较大的变化；当焙烧温度超过300℃时，其残余热值开始随着焙烧温度的提高而出现较明显下降，比如，在400℃时，其残余热值为4002J/g;在500℃时，其残余热值为3314J/g；一直到900℃时，煤矸石的残余热值为256J/g；到1000℃时，煤矸石的热值就已经全部释放出来。

与煤矸石不同，造纸污泥的在较低的焙烧温度时，其热值就开始快速地释放出来；由图可知，造纸污泥在经过烘干后的残余热值为2157J/g；当焙烧温度上升到200℃时，其残余热值下降到1726J/g；焙烧温度继续上升到300℃时，其残余热值为928J/g；当温度上升到400℃时，其残余热值为29J/g，到500℃时，造纸污泥的热值就已经全部释放出来。造纸污泥的热解特性具有燃烧时间短、热量释放快，而我们隧道窑制备烧结保温需要燃烧时间长、热量释放相对缓慢。因此，造纸污泥的热解特性与隧道窑制备烧结保温砌块的焙烧制度不匹配。

相比较煤矸石，造纸污泥的热值容易在较低温度释放的原因有：造纸污泥烘干后，颗粒尺寸小，同时还含有大量的木质纤维，这些木质纤维在相对较低的温度下易挥发。

2.2  焙烧温度对样品质量的影响及分析

图2为造纸污泥跟煤矸石的热重分析（TG）示意图。热重分析是研究固体热解特性的经典方法。由图2可知，煤矸石的质量在400℃之前，没有较大的变化，这主要跟煤矸石经过烘干（105℃）有关，经过干燥，煤矸石中的游离水分已经脱去；400℃之后，随着温度的提高，煤矸石中的固定碳开始燃烧，挥发份开始增加，当温度达到1000℃时，煤矸石里面的固定碳已燃烧完全，煤矸石最终的烧失量为19%；煤矸石的热重曲线跟前面热值释放曲线基本吻合。

造纸污泥在100℃就开始出现质量损失，当温度在200℃~400℃时，此阶段是造纸污泥主要质量损失阶段；当温度达到500℃时，造纸污泥的质量就已经达到恒定，有机挥发份就释放完，最终造纸污泥的烧失量为51%。造纸污泥含有大量的木质纤维素，所以造纸污泥的热分解过程可以分为以下三个阶段：

第一阶段（105℃以下）是干燥脱水过程，造纸污泥中水分蒸发，该过程只发生物理变化；

第二阶段（105℃~380℃）是挥发份释放过程，该过程中有机物快速分解，释放出大量生物油和CH₄、CO₂、CO、H₂、C₂H₆及不饱和烃等气体；

第三阶段（400℃以上）是半焦化过程，释放出CH₄、H₂等小分子气体，不挥发的固体残余物变成半焦状的残渣。

由造纸污泥的热解特性可知，造纸污泥的可燃物大部分在400℃以下就挥发完，而在以内燃为主的隧道窑制备烧结保温砌块的烧结温度曲线中，焙烧温度在400℃左右仍然为预热阶段，尚未达到坯体的着火点；因此，造纸污泥的可燃物质在400℃之前就挥发为大量的生物油和CH₄、CO₂、CO、H₂、C₂H₆及不饱和烃等气体，并且这些可燃气体未经燃烧就随着预热气体排出焙烧窑，使得造纸污泥的热值并未有效的利用。因此，这对以混合料热值为成分配比依据的生产实践产生重大影响。

3  结果与讨论

    a.干燥后造纸污泥的弹筒发热量可达2157J/g,随着焙烧温度的逐渐提高，其残余发热量快速下降，最终在500℃时，造纸污泥的残余发热量下降为0。

b.通过热重分析，造纸污泥在200℃~400℃时，其质量快速下降，有机质快速挥发，形成大量的生物油和CH₄、CO₂、CO、H₂、C₂H₆及不饱和烃等气体；在500℃时，造纸污泥的质量损失达到最大值，该值为51%。

c.造纸污泥具有烧失量大、可燃物在200℃~400℃快速挥发等热解特性，这些热解特性与煤矸石相差较大；而现在制备烧结保温砌块主要以煤矸石为内燃的隧道窑烧制而成；因此，造纸污泥热值在制备烧结保温砌块中难以有效利用。来源：砖瓦杂志 作者：杨良、吴炎平、曾兴华、朱群敏、张苏伊

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