PL210921B1 - Sposób otrzymywania kruszywa lekkiego z odpadów komunalnych i przemysłowych - Google Patents

Abstract

Kruszywo otrzymuje się w trzech etapach. Najpierw osady ściekowe z oczyszczalni ścieków i/lub muły po flotacji węgla w ilości od 40% do 60%, o zawartości od 15% do 25% składników palnych, miesza się z pyłem krzemionkowym o frakcji od 0 do 0,063 mm stanowiącym odpad z produkcji kruszyw krzemionkowych i zawierającym co najmniej 95% krzemionki, w ilości od 40% do 60% oraz z rozdrobnionym odpadem szklanym w postaci pyłu o frakcji od 0 do 0,2 mm w ilości od 5% do 15%. Mieszaniu poddaje się najpierw odpady stałe w postaci pyłu krzemionkowego i szkła o zawartości do 3% wody, a następnie dodaje się osady ściekowe i/lub muły po flotacji węgla o zawartości wody od 55% do 85% i całość miesza się aż do uzyskania produktu w postaci gęstej pasty. Następnie otrzymaną mieszaninę w postaci gęstej pasty granuluje się do postaci granulek o wielkości 15 ± 5 mm. W trzecim etapie następuje suszenie, a następnie spiekanie granulek w temperaturze od 1000° do 1200°C w czasie od 0,5 do 2 godzin. Trzeci etap odbywa się w piecu, wyposażonym w system oczyszczania gazów poreakcyjnych, przy czym składniki palne osadów ściekowych i/lub mułów po flotacji węgla spalają się podczas fazy spiekania, wytwarzając gazy, które powodują powstawanie porów w granulkach.

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 210921 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 384611 (51) Int.Cl.

C04B 18/30 (2006.01) B09B 3/00 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 06.03.2008 (54) Sposób otrzymywania kruszywa lekkiego z odpadów komunalnych i przemysłowych (73) Uprawniony z patentu:

INSTYTUT MECHANIZACJI BUDOWNICTWA I GÓRNICTWA SKALNEGO, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

14.09.2009 BUP 19/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

(72) Twórca(y) wynalazku:

ELŻBIETA UZUNOW, Topolin, PL STEFAN GÓRALCZYK, Warszawa, PL ADAM MAZELA, Warszawa, PL

30.03.2012 WUP 03/12 (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Andrzej Przykorski

PL 210 921 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania lekkiego kruszywa sztucznego, przeznaczonego zwłaszcza do stosowania w budownictwie, wytwarzanego wyłącznie z surowców odpadowych zarówno komunalnych, jak i przemysłowych, w tym pochodzących z górnictwa skalnego.

Globalna industrializacja powoduje, że zasoby odpadów wydobywczych powstających podczas wytwarzania kruszyw budowlanych i przeróbki kopalin, a także ilości odpadów komunalnych w postaci osadów ś ciekowych cią gle rosną , co stanowi poważ ny problem, zwł aszcza w krajach uprzemysłowionych. Dotychczas odpady wydobywcze są wykorzystywane jedynie sporadycznie. Na przykład, muły po flotacji węgla są używane w kopalniach do budowy hałd ze skały płonnej, natomiast pyły krzemionkowe z górnictwa skalnego nie mogą być stosowane jako kruszywo ze względu na bardzo drobne uziarnienie. Osady ściekowe z oczyszczalni stwarzają zagrożenie dla środowiska naturalnego, ponieważ ze względu na zawartość w nich metali ciężkich nie powinny być stosowane, jak to się zdarza dotychczas, do wytwarzania kompostu. Nierozwiązany dotychczas problem utylizacji zużytego lub odpadowego szkła powoduje zwiększanie się zapasów tego surowca. Podejmowane są próby rozwiązania tych problemów przez zagospodarowanie odpadów w sposób nie zagraż ają cy egzystencji czł owieka, zwł aszcza przez wytwarzanie materiałów budowlanych, wykorzystywanych na przykład w budownictwie drogowym. Z opisu zgłoszenia wynalazku europejskiego nr EP 1.841.708 jest znany sposób produkcji kruszywa zawierającego osady ściekowe i inne materiały odpadowe, takie jak glinokrzemiany i syntetyczne kruszywa glinokrzemianowe w kombinacji o niskiej i wysokiej zawartości wapnia. Sposób polega na zmieszaniu osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków z nie zawierającym węgla popiołem glinokrzemianowym, a nastę pnie granulowaniu mieszaniny do uzyskania aglomeratów, które dalej zostają poddane procesowi termicznemu formowania kruszywa, przy czym wspomniana mieszanina odpadowa zawiera co najmniej pozostałości po spiekaniu odpadów komunalnych i/lub szkło odpadowe i/lub szlamy piecowe i/lub pył piecowy i/lub odpady wydobywcze w postaci opiłków z cięcia granitu. Przedmiotem zgłoszenia wynalazku jest również kruszywo otrzymane opisanym sposobem, które może być stosowane jako składnik betonu do stawiania murów i wypełnień izolacyjnych, a także w ogrodnictwie, przy czym otrzymane kruszywo moż e być lekkie lub zwykłe, spiekane lub stapiane, a także syntetyczne. Z kolei z opisu zgłoszenia wynalazku europejskiego nr EP 1.571.135 jest znany sposób wytwarzania konstrukcyjnych elementów budowlanych zawierających osady ściekowe, złożony z trzech etapów, a mianowicie: granulacji mieszaniny gliny, zawierającej co najmniej 10% wagowych wysuszonego mułu organiczno-mineralnego o zawartości wody od 20% do 50% wagowych, oczyszczonego lub przemysłowego, albo stanowiącego ich połączenie, przy czym mieszanina zawiera od 1% do 50% wagowych suchego materiału organicznego; suszenia otrzymanych agregatów w temperaturze od 25° do 120°C; spiekania wysuszonych agregatów w celu osią gnięcia rozszerzania gliny, które w pierwszej fazie odbywa się w temperaturze od 500° do 750°C, a w drugiej fazie w temperaturze od 900° do 1200°C. W zgłoszonym wynalazku został również przedstawiony produkt otrzymany tym sposobem w postaci cegły odpornej na działanie wody. Z opisu patentu USA nr 4.874.153 jest znany proces wytwarzania elementów ceramicznych, na przykład dachówek, cegieł lub płyt chodnikowych, w którym jako jeden ze składników jest używany osad z oczyszczalni ścieków lub popiół otrzymany ze spalania tego osadu. Inny proces obróbki zanieczyszczeń ciekłych w celu usunięcia składników organicznych i metali ciężkich wykorzystanych następnie w produkcji kruszywa jest znany z opisu patentu USA nr 4.872.993. Glina i składnik flokulacyjny są dodawane do wody, aby spowodować separację osadu. Następnie osad jest spiekany w wysokiej temperaturze dla uformowania cząstek ceramicznych. Składniki organiczne są utleniane, a metale ciężkie są ograniczone wewnątrz cząstek ceramicznych i nie mogą być wymywane. Cząstki ceramiczne są używane jako kruszywo, na przykład w cemencie. Z opisu innego patentu USA nr - 4.943.233 jest znany proces wytwarzania spienionego kruszywa poprzez wypalanie mieszaniny surowej gliny lub łupków ilastych o zawartości 25% wody w temperaturze 2000°C w piecu obrotowym z użyciem paliwa. Kiedy łupek jest mieszany z odwodnionymi osadami ściekowymi i wysoko wapniowymi żużlami piecowymi w typowym młynie kulowym, otrzymywany jest produkt o konsystencji gliny. Mieszanina powinna zawierać 60% osadów ściekowych, 30% łupków i 10% żużli piecowych o wysokiej zawartości wapnia. Odwodnione, przefermentowane osady ściekowe stanowią czynnik rozdymający tak, że w efekcie otrzymuje się lekkie kruszywo mające zastosowanie przy produkcji elementów budowlanych. Również sposób wytwaPL 210 921 B1 rzania kruszyw lekkich jest przedstawiony w opisie patentu USA nr 6.183.242. Mieszanina osadów ściekowych z lotnymi pyłami tworzy aglomerat w postaci peletek, utwardzonych następnie w piecu obrotowym przy uż yciu paliwa i przepł ywu powietrza. Otrzymany kulisty produkt moż e być po ostudzeniu użyty jako lekkie kruszywo do betonu, kamieniarstwa i zastosowań izolacyjnych. Z kolei z opisu patentu USA nr 6.541.108 jest znany sposób wytwarzania pianki krzemianowej o zamknię tych porach z materiał ów odpadowych, a także sposób wytwarzania kształ tek ze wspomnianej pianki. Proces wytwarzania pianki polega na zmieszaniu materiałów odpadowych, takich jak proszek z odpadowego szkła, zmielona fryta emalierska, odpadowy piasek formierski, odpady ceramiczne, odpady krzemianowe z produkcji żarówek lub świetlówek, inne organiczne lub nieorganiczne odpady krzemianowe, a także świeżego proszku szklanego lub zmielonego krzemianu, z materiałem gazotwórczym i roztworem alkalicznym ewentualnie zwilżeniu mieszaniny wodą, a nastę pnie ujednorodnieniu, granulowaniu i poddaniu granulek obróbce cieplnej. Granulki można również powlekać żywicą epoksydową. Sposób wytwarzania kształtek polega na zmieszaniu otrzymanych granulek pianki krzemianowej w ilości 90 do 50 części wagowych z 10 do 50 częściami wagowymi organicznego lub nieorganicznego materiału wiążącego, który może stanowić cement, gips, bitum, polimer termoplastyczny lub żywica termoutwardzalna. Otrzymaną mieszaninę kształtuje się zgodnie z zapotrzebowaniem w postaci arkuszy lub bloków budowlanych o żądanym kształcie, które mają wysoką wytrzymałość, dobre właściwości termoizolacyjne i dźwiękochłonne oraz są materiałami antywibracyjnymi.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest zagospodarowanie w sposób ekonomiczny odpadów wydobywczych powstających podczas wytwarzania kruszyw budowlanych z naturalnych surowców, a dokładniej z odpadowego pyłu krzemionkowego z górnictwa skalnego, utylizacja osadów ściekowych komunalnych i przemysłowych, a także wykorzystanie zużytego lub odpadowego szkła dla otrzymania pełnowartościowego kruszywa przeznaczonego do wykorzystania w budownictwie.

Niespodziewanie okazało się, że takie sztuczne tworzywo lekkie o właściwościach analogicznych do właściwości keramzytu można uzyskać wykorzystując dotychczas bezużyteczne odpady w postaci pyłu krzemionkowego o drobnym uziarnieniu. Wybór takiego surowca został dokonany na podstawie wszechstronnej oceny jego specyficznych właściwości fizykochemicznych. Proces otrzymywania kruszywa następuje zgodnie z wynalazkiem w trzech etapach, a mianowicie wstępnym zmieszaniu stałych składników odpadowych, granulowaniu otrzymanej mieszaniny i spiekaniu otrzymanych granulek do postaci kruszywa. Osady ściekowe z oczyszczalni ś cieków i/lub muły po flotacji węgla w ilości od 40% do 60%, o zawartości od 15% do 25% składników palnych, miesza się z pyłem krzemionkowym o frakcji od 0 do 0,063 mm stanowiącym odpad z produkcji kruszyw krzemionkowych i zawierającym co najmniej 95% krzemionki, w ilości od 40% do 60% oraz z rozdrobnionym odpadem szklanym w postaci pyłu o frakcji od 0 do 0,2 mm w ilości od 5% do 15%. Otrzymana mieszanina w postaci gęstej pasty zostaje poddana granulowaniu do postaci granulek o wielkości 15 ± 5 mm, które po wysuszeniu są spiekane w temperaturze od 1000° do 1200°C w czasie od 0,5 do 2 godzin. W pierwszej fazie wstępnie miesza się odpady stałe o zawartości wody do 3% w postaci pyłu krzemionkowego i szkł a, a następnie dodaje się osady ściekowe i/lub muły po flotacji węgla o zawartości wody od 55% do 85% i całość miesza się aż do uzyskania produktu w postaci wspomnianej gęstej pasty. Spiekanie wysuszonych granulek odbywa się w piecu wyposażonym w system oczyszczania gazów poreakcyjnych, przy czym składniki palne osadów ściekowych spalając się podczas fazy spiekania wytwarzają gazy, które powodują powstawanie porów w granulkach. Składnik podstawowy uzyskanego kruszywa w postaci pyłu krzemionki nie wymaga wstępnego przygotowania, a w procesie syntezy termicznej tworzy agregaty oraz reaguje z tlenkami metali ciężkich znajdującymi się w osadach ścieków komunalnych. Odpadowy pył krzemionkowy o dużej zawartości SiO2 powoduje, że otrzymywany jest produkt o powtarzalnych wł a ś ciwoś ciach, co jest bardzo waż ne dla odbiorców kruszyw. Metody bazują ce na surowcach pochodzących z wielu różnych źródeł nie spełniają tego warunku. Istotną rolę w mieszaninie speł nia pył szklany, który jest topnikiem obniż ają cym temperaturę syntezy termicznej krzemionki o około 100°C, czego nie zapewniają stosowane jako topnik minerały zawierające związki wapnia. Odpady zawierające węgiel i/lub składniki organiczne podczas spiekania spalają się, a wytworzone gazy powodują powstawanie porów w kruszywie, dzięki czemu jest otrzymywane kruszywo lekkie o gęstości nasypowej w stanie luźnym < 1200 kg/m³.

PL 210 921 B1

Wynalazek został objaśniony w przykładach wykonania, które nie ograniczają zakresu jego ochrony.

P r z y k ł a d 1

Do produkcji kruszywa zostały użyte:

składnik A w postaci osadu ściekowego z oczyszczalni ścieków komunalnych, ustabilizowanego, po prasie filtracyjnej, o zawartości suchej masy 21%, posiadającego następujące zanieczyszczenia, wyrażone w mg/kg suchej masy: chrom -100, cynk - 1850, kadm - 2,1, magnez - 0,8, miedź - 35, nikiel - 10, rtęć -1,01, ołów - 88, wapń - 4,6;

składnik B w postaci chalcedonitu odpadowego o konsystencji pyłu o frakcji do 0,063 mm, zawartości krzemionki 98,7% i pozostałych zanieczyszczeń AI2O3 - 0,2% oraz CaO - 0,1%; składnik C w postaci zmielonego odpadu szklanego z produkcji żarówek samochodowych o frakcji do 0,2 mm.

Odważony odpad chalcedonitu B i pyłu szklanego C w proporcji 8:2 umieszczono w mieszalniku i mieszano przez 30 minut, a następnie dodano do mieszalnika osad ściekowy A w ilości równej wagowo masie wymieszanych odpadów chalcedonitu i szkła B+C. Całość była ujednorodniona poprzez mieszanie w ciągu 2 godzin. Z powstałej masy o konsystencji gęstej pasty uformowano granulki o średnicy 15 ± 5 mm, które umieszczono w poziomym piecu obrotowym, przy czym piec był połączony z absorberem do oczyszczania gazów spalinowych, analogicznym do stosowanych w spalarniach osadów ściekowych. Piec rozgrzewano w ciągu 2 godzin do temperatury 1100°C i w tym czasie przebiegało suszenie granulek. Następnie w ciągu 1 godziny w rozgrzanym do 1100°C piecu granulki poddawano spiekaniu. Po wyłączeniu i ostudzeniu pieca usunięto gotowe kruszywo lekkie w postaci granulek o uziarnieniu od 10 do 20 mm, gęstości nasypowej w stanie luźnym < 400 kg/m³, nasiąkliwości 15,1%, przeznaczone do stosowania jako materiał budowlany do wykonywania lekkich nasypów drogowych, zasypek konstrukcji oporowych i inżynierskich oraz podbudów drogowych i pomocniczych.

P r z y k ł a d 2

Do produkcji zostały użyte:

składnik D w postaci odpadu krzemionki naturalnej o konsystencji pyłu o frakcji do 0,063 mm; składnik C w postaci zmielonego odpadu szklanego z produkcji żarówek samochodowych o frakcji do 0,2 mm;

składnik E w postaci osadu ściekowego z oczyszczalni ścieków komunalnych, ustabilizowanego, po prasie filtracyjnej, o zawartości suchej masy 30,6%, posiadającego następujące zanieczyszczenia wyrażone w mg/kg suchej masy: chrom - 112, cynk - 15,60, kadm - 2,6, magnez - 0,4, miedź - 54, nikiel - 104, rtęć - 1,41, ołów - 107, wapń - 5,3;

składnik G w postaci mułu po flotacji węgla o uziarnieniu do 0,5 mm, zawartości pierwiastka C 10%, posiadający ponadto zawartość popiołu 72,5%.

Odważony odpad krzemionki D i pyłu szklanego C w proporcji 9:1 umieszczono w mieszalniku i mieszano przez 30 minut, a następnie dodano do mieszalnika osad ściekowy E i muł po flotacji węgla G w stosunku 1:1, w ilości równej wagowo masie wymieszanych odpadów krzemionki i szkła D+C. Całość była ujednorodniona przez mieszanie w ciągu 2 godzin. Z powstałej masy o konsystencji gęstej pasty uformowano granulki o średnicy 15 ± 5 mm, które umieszczono w poziomym piecu obrotowym, przy czym piec był połączony z absorberem do oczyszczania gazów spalinowych, analogicznym do stosowanych w spalarniach osadów ściekowych. Piec rozgrzewano w ciągu 2 godzin do temperatury 1100°C i w tym czasie przebiegało suszenie granulek. Następnie w ciągu 1 godziny w rozgrzanym do 1100°C piecu granulki poddawano spiekaniu. Po wyłączeniu i ostudzeniu pieca usunięto gotowe kruszywo lekkie w postaci granulek o uziarnieniu od 10 do 20 mm, gęstości nasypowej w stanie luźnym < 400 kg/m³ nasiąkliwości 13,2%, przeznaczone do stosowania jako materiał budowlany do wykonywania lekkich nasypów drogowych, zasypek konstrukcji oporowych i inżynierskich oraz podbudów drogowych i pomocniczych.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania kruszywa lekkiego z odpadów komunalnych i przemysłowych, polegający na wstępnym zmieszaniu stałych składników odpadowych, następnie granulowaniu mieszaniny i w końcowej fazie spiekaniu otrzymanych granulek do postaci kruszywa, znamienny

   PL 210 921 B1 tym, że osady ściekowe z oczyszczalni ścieków i/lub muły po flotacji węgla w ilości od 40% do 60%, o zawartości od 15% do 25% składników palnych, miesza się z pyłem krzemionkowym o frakcji od 0 do 0,063 mm stanowią cym odpad z produkcji kruszyw krzemionkowych i zawierają cym co najmniej 95% krzemionki, w ilości od 40% do 60% oraz z rozdrobnionym odpadem szklanym w postaci pyłu o frakcji od 0 do 0,2 mm w ilości od 5% do 15%, a otrzymana mieszanina w postaci gę stej pasty zostaje poddana granulowaniu do postaci granulek o wielkoś ci 15 ± 5 mm, które po wysuszeniu są spiekane w temperaturze od 1000° do 1200°C w czasie od 0,5 do 2 godzin.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wstępnie miesza się odpady stałe o zawartości wody do 3% w postaci pyłu krzemionkowego i szkła, a następnie dodaje się osady ściekowe i/lub muły po flotacji węgla o zawartości wody od 55% do 85% i całość miesza się aż do uzyskania produktu w postaci gęstej pasty.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spiekanie wysuszonych granulek odbywa się w piecu wyposażonym w system oczyszczania gazów poreakcyjnych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 lub 3, znamienny tym, że składniki palne osadów ściekowych i/lub mułów po flotacji węgla spalają się podczas fazy spiekania wytwarzając gazy, które powodują powstawanie porów w granulkach.