一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统

摘要

本发明公开了一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统，该系统包括：预处理装置、固化剂供给装置、均混装置、造粒装置、碳化装置和收集装置，通过上述装置的依次工作，完成淤泥与固化剂的充分拌合以及氧化镁固化淤泥颗粒的快速碳化，从而解决高含水率、低渗透性的淤泥/污泥土难以碳化加固的问题；系统特设的多个传感器配合使用，可通过实测含水率调节固化剂供给量，根据土性调节颗粒粒径和二氧化碳压力，大大提高了工作效率，整个装置更加系统化流程化，装置使用过程中能够吸收粉尘和二氧化碳，避免了二次污染，装置作业结束后产生的淤泥碳化颗粒硬度大、抗剪强度高，可用作路基、机场跑道、工程回填等填料，对于淤泥/污泥和二氧化碳在工程上的再利用，具有巨大的工程建设意义。

说明书

所属领域

本发明涉及一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统，属于土木建筑岩土或市政工程特殊土的加固领域。

背景技术

我国幅员辽阔，江河湖泊众多，土木工程建设高速发展，在河道、湖泊疏通清淤及土木水利工程建设过程中会产生大量的淤泥，这些淤泥具有含水率高、黏粒含量高、透水性差、物理力学指标差等特点，有些河道湖泊淤泥甚至还含有大量有机质和有害重金属，在工程上难以直接作为填筑材料，如果不加以妥善处理会占用大量良田，并且淤泥中的污水容易渗入地下，引起地下水源污染等一系列社会问题。对于淤泥软弱地基，国内外目前常采用真空预压降水、热处理、抽排沉淀晾干或抛泥处置和固化剂固结等方法进行处理。真空预压法是借助大气压力来减少淤泥含水量，是目前提高现场淤泥承载力的一种较普遍的物理施工方法，然而由于该方法存在施工周期长（长达半年以上）、处理后地基承载力低（低于60kPa）等缺点，使该方法难以大面积推广；热处理方法是通过加热或烧结法将淤泥转化为建筑材料，该方法处理能力小、成本高，难以大规模推广利用；沉淀晾干或抛泥处置将占用大量堆放场地，低透水淤泥的特性使占用的土地很难在短时间内重复利用，这样大大增加了工程造价，并且在抽排或异位填埋过程中容易造成空气污染和环境二次污染；采用固化剂固化是最有前景的处理技术，即向淤泥中添加固化剂进行搅拌混合，然后进行拉运摊铺或堆载固结，进而改变淤泥的性质。

目前国内外用于土壤改良和淤泥固化的固化剂主要有高聚物类、电离子溶液类和矿渣硅酸盐类等，这些固化剂均使淤泥和土体的抗压强度提高。高聚物类固化剂虽然掺量少、运输方便，但固化后土体的抗水性能较差，遇水后强度会急剧下降；电离子溶液类固化剂虽然从根本上改变淤泥颗粒表面性质使其趋于憎水性，得到了良好的强度和抗水性能，但该固化材料组分复杂、成本高，组分中的添加剂对环境也有害，易造成土壤和环境污染；矿渣硅酸盐类固化剂是水泥、石灰或钢渣类、粉煤灰、矿渣和炉渣等，该类固化剂在单一应用时掺量较大，为120-400kg/m³，且固化后强度增长有限，仅为0.1-0.6MPa，难以大面积推广。中国发明专利201310204944.6公开了“一种环保型淤泥固化方法”，即将工业废料铁尾矿渣作为骨料，将硅酸盐水泥和电石渣的混合物作为固化剂，将骨料和固化剂混合后用于淤泥的固化处理，固化后淤泥的无限抗压强度显著提高。基于上述分析，这些方法在一定程度上解决工程建设用土和淤泥存放难题，但这些固化剂均存在有明显的缺陷，即：水泥固化材料也存在生产过程中耗能高（煅烧温度高达1450℃）、二氧化碳排放量大、环境污染严重等缺点。水泥、石灰等建筑业材料生产中排放尘埃和二氧化碳气体等污染物与日俱增，是制约经济环境和社会化平稳发展的屏障。因此，寻求新型环保材料替代传统波特兰水泥是目前材料科学和环境岩土界研究的新方向。

发明人课题组提出了采用氧化镁的碳化搅拌桩法和整体碳化法来进行软弱地基的原位加固处理，申请了系列发明专利，如：一种土壤的碳化固化方法及其装置（201010604013.1）、一种利用工业废气热加固软土地基的处理系统及方法（201310122135.0）、一种用于地基加固的处理系统及碳化成桩方法（201410203978.8）、一种软土地基的换填垫层碳化加固方法（201410272957.1）、一种浅层软弱地基原位碳化固化处理方法（201510348797.9）和一种碳化搅拌桩-透气管桩复合地基及其施工方法（201710225231.6）等，这些发明专利的相似特点均是以活性氧化物作为土体固化剂，通入二氧化碳进行碳化以实现软弱地基土的加固处理，具有加固速度快、强度高、环境效益好等特点，符合土木工程绿色施工的发展趋势。然而，这些发明专利适用于原位的地基土加固，加固效果受天然地基土的土性、含水率和孔隙率的影响，并且施工过程中二氧化碳浪费量较大，存在明显的不均匀碳化，很难适应高含水率、低渗透性的淤泥/污泥土碳化加固。

结合目前淤泥/污泥特性及现有加固处理技术的特点和问题，立足于我国工程建设快速发展的现状，如何低碳高效地、经济合理地处理淤泥并用于工程建设中，已成为业界亟待解决的课题。

发明内容

本发明正是针对现有碳化加固技术碳化均匀性差、二氧化碳浪费严重、不适应高含水率淤泥等方面的问题，提供一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统，该系统包括：预处理装置、固化剂供给装置、均混装置、造粒装置、碳化装置和收集装置，通过上述装置的依次工作，完成淤泥与固化剂的充分拌合以及氧化镁固化淤泥颗粒的快速碳化，从而解决高含水率、低渗透性的淤泥/污泥土难以碳化加固的问题；系统特设的多个传感器配合使用，可通过实测含水率调节固化剂供给量，根据土性调节颗粒粒径和二氧化碳压力，大大提高了工作效率，整个装置更加系统化流程化，装置使用过程中能够吸收粉尘和二氧化碳，避免了二次污染，装置作业结束后产生的淤泥碳化颗粒硬度大、抗剪强度高，可用作路基、机场跑道、工程回填等填料，对于淤泥/污泥和二氧化碳在工程上的再利用，具有巨大的工程建设意义。

为了实现上述目的，我们公开了一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统，其特征在于，该处理系统包括：预处理装置、固化剂供给装置、均混装置、造粒装置、碳化装置和收集装置；

所述预处理装置分别与储水罐和缓存仓相连接，所述缓存仓中还设有水分传感器；

所述均混装置主要包括计量斗A、计量斗B、计量斗C、传送带、均混搅拌机和进料斗A，所述计量斗A通过提料机A与缓存仓相连接。传送带位于计量斗A、计量斗B和计量斗C的下部，进料斗A位于传送带落料端的下方，所述进料斗A固定于均混搅拌机的上方；所述计量斗A、计量斗B、计量斗C的底部均分别设有计量传感器A，计量传感器B及计量传感器C；

所述固化剂供给装置至少包括第一储存罐和第二储存罐，第一储存罐和第二储存罐分别通过通气管与空压机相连接，第一储存罐的连接通气管上设有第一调压阀，第二储存罐的连接通气管上设有第二调压阀，所述第一储存罐底部和第二储存罐底部还通过通气管分别与计量斗B上部和计量斗C上部相连；

所述造粒装置位于均混装置下方，造粒装置顶部设有进料斗B，进料斗B通过输料管与均混搅拌机底部连接；

所述碳化装置包括进料斗C、碳化室、振动筛、储气罐、温度传感器和压力传感器，所述进料斗C通过提料机B与造粒装置底部连接，进料斗C与碳化室顶部通过管道相连接，所述连接管道上设有进料阀，所述振动筛位于碳化室内且位于进料斗C下方，所述温度传感器和压力传感器设置在碳化室上部或侧壁，所述储气罐通过通气管与碳化室顶部连接，通气管上还设有第三调压阀；

所述收集装置至少包括碱液罐和储料仓，所述碱液罐通过管道与碳化室底部连接，连接管道上设有控制阀，所述储料仓通过出料管与碳化室下部相连接，所述出料管上设有出料阀。

作为本发明的一种改进，还包括净化装置，所述净化装置通过管道与均混装置连接，所述连接管道上设有抽风机。

作为本发明的另一种改进，所述预处理装置中从上到下设有杂物清除隔层、泥沙分离隔层和脱水减容隔层。

作为本发明的另一种改进，所述的水分传感器、计量传感器A、计量传感器B和计量传感器C分别通过导线与集合控制器连接。

作为本发明的又一种改进，所述振动筛的最大孔径小于造粒装置制造的最小粒径。

为了实现上述目的，本发明还公开了一种根据上述任一权利要求所述异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统在淤泥中的应用，根据淤泥的土性和含水率，所述处理系统中造粒装置的造粒粒径可动态调节。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）特设水分传感器，可检测到淤泥土的含水量，结合三个不同的计量传感器，可实时调整两种固化剂掺量，从而达到最优的工作效率。

（2）根据土性调节颗粒粒径和二氧化碳压力，实现了淤泥与固化剂的充分拌合以及氧化镁固化淤泥颗粒的快速碳化。

（3）根据土性调整造粒颗粒粒径，能满足颗粒的后续碳化，几个过程可连续操作，整体作业连贯性、完整性更高。

（4）采用移动碳化室和碳化室中的振动筛，使氧化镁固化颗粒能够充分碳化，可避免原位碳化固化时二氧化碳的逸散和浪费，提高二氧化碳的利用效率，同时通过颗粒振动，提高了氧化镁固化淤泥颗粒的碳化效果的均匀性。

（5）增设净化装置，用于吸收淤泥预处理及均混过程中释放的二氧化碳，避免造成周边环境的污染，高效环保可持续性长，同时也可以延长系统的使用寿命，降低经济成本。

（6）预处理装置的三层分层结构，最大程度的做好了泥水分离，为后续的均混、颗粒化和碳化做到有力保障，且结构简单易操作，能缩短整体系统处理时间，更加的高效。

（7）所有传感器均与集合控制器相连接，结构高度统一，系统连贯性更强，易上手，便于操作，参数配置好的自动化作业大大减少了人力负担，加快进程节约整体经济成本，适用范围更广。

（8）振动筛的最大孔径小于造粒装置制造的最小粒径能够做到淤泥土的充分碳化固化，为后期系统处理提供了有力保障，提高工作效率，最大值优化淤泥土的处理效率。

（9）本系统废弃淤泥/污泥处理为工程性质良好的土工建筑材料，可用于道路、坝体、机场跑道、工程回填等填筑料，充分利用，高效环保，资源再生利用。

（10）利用本系统对淤泥土充分处理后，可减少工程中产生淤泥因废弃处置所占用的大量土地，过程中增设的过滤装置、净化装置和废液/废气吸收装置也可以收集过程中的二氧化碳气体，减少对周围环境的污染。

（11）系统使用过程中采用环保型活性氧化镁为主要固化剂，碳化加固过程充分吸收大量二氧化碳气体，整个过程具有低碳环保和可持续发展的优点。

附图说明

图1为活性氧化镁碳化固化淤泥土异位处理系统的结构示意图；

图中：1、预处理装置，2、过滤装置，3、储水罐，4、缓存仓，5、输泥管，6、水分传感器，7、提料机A，8、计量斗A，9、计量斗B，10、计量斗C，11、计量传感器A，12、计量传感器B，13、计量传感器C，14、集合控制器，15、传送带，16、均混搅拌机，17、进料斗A，18、均混装置，19、抽风机，20、净化装置，21、第一储存罐，22、第二储存罐，23、第一调压阀，24、第二调压阀，25、空压机，26、输料管，27、进料斗B，28、造粒装置，29、提料机B，30、进料斗C，31、进料阀，32、碳化室，33、振动筛，34、第三调压阀，35、储气罐，36、温度传感器，37、压力传感器，38、控制阀，39、碱液罐，40、出料管，41、出料阀，42、储料仓。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置中必须具有的特定方位，因此不能理解为本发明的限制。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白理解，下面结合图示，对本发明进行进一步阐述。

一种异位活性氧化镁碳化固化淤泥土处理系统，该处理系统包括：预处理装置1、固化剂供给装置（21,22,23,24,25）、均混装置18、造粒装置28、碳化装置（30,32,33,35,36,37）和收集装置（38,39,40,41）；所述预处理装置1分别与储水罐3和缓存仓4相连接，所述缓存仓4中还设有水分传感器6；所述均混装置18主要包括计量斗A8、计量斗B9、计量斗C10、传送带15、均混搅拌机16和进料斗A17，所述计量斗A8通过提料机A7与缓存仓4相连接。传送带15位于计量斗A8、计量斗B9和计量斗C10的下部，进料斗A17位于传送带15落料端的下方，所述进料斗A17固定于均混搅拌机16的上方；所述计量斗A8、计量斗B9、计量斗C10的底部均分别设有计量传感器A11，计量传感器B12及计量传感器C13；所述固化剂供给装置至少包括第一储存罐21和第二储存罐22，第一储存罐21和第二储存罐22分别通过通气管与空压机25相连接，第一储存罐21的连接通气管上设有第一调压阀23，第二储存罐22的连接通气管上设有第二调压阀24，所述第一储存罐21底部和第二储存罐22底部还通过通气管分别与计量斗B9上部和计量斗C10上部相连；所述造粒装置28位于均混装置18下方，造粒装置28顶部设有进料斗B27，进料斗B27通过输料管26与均混搅拌机16底部连接；所述碳化装置包括进料斗C30、碳化室32、振动筛33、储气罐35、温度传感器36和压力传感器37，所述进料斗C30通过提料机B29与造粒装置28底部连接，进料斗C30与碳化室32顶部通过管道相连接，所述连接管道上设有进料阀31，所述振动筛33位于碳化室32内且位于进料斗C30下方，所述温度传感器36和压力传感器37设置在碳化室32上部或侧壁，所述储气罐35通过通气管与碳化室32顶部连接，通气管上还设有第三调压阀34；所述收集装置至少包括碱液罐39和储料仓42，所述碱液罐39通过管道与碳化室32底部连接，连接管道上设有控制阀38，所述储料仓42通过出料管40与碳化室32下部相连接，所述出料管40上设有出料阀41。

处理时，首先将待处理的淤泥通过运输车或输泥泵运至预处理装置1中，预处理装置1中从上到下设有杂物清除隔层、泥沙分离隔层和脱水减容隔层，依次进行杂物清除、泥沙分离和脱水减容工序，在杂物清除中主要针对固体杂物，如泥土中的草根和杂物袋，随后开启泥沙分离功能，通过机械筛使泥沙分离，最后进行脱水减容，使预处理后的水和泥土分离并分别盛放在储水罐3和缓存仓4中；为得到更纯粹的液体水分，储水罐3上方可设立一层过滤装置2，用于过滤杂物或非液体物质；

将缓存仓4中的泥土通过提料机A7运至计量斗A8中，同时开启第一调压阀23和第二调压阀24，将第一储存罐21中的第一固化剂和第二储存罐22中的第二固化剂分别输入至计量斗B9和计量斗C10中，通过计量传感器A11、计量传感器B12和计量传感器C13来调节泥土和固化剂比例，根据淤泥的含水量，实时调整两种固化剂掺量，从而达到最优的工作效率，配比好相应比例的泥土、第一固化剂和第二固化剂分别从计量斗A8、计量斗B9和计量斗C10中流出，全部落至传送带15上，从传送带15的落料端下落并通过均混装置18上方的进料斗A17落入均混装置18中，混合料在均混装置18中进行均匀搅拌，形成均混后的搅拌混合料；通过均混搅拌机16实现了两种不同种类固化剂和淤泥三者的均匀混合；并且根据土性调整造粒颗粒粒径，能满足颗粒的后续碳化，几个过程可连续操作，整体作业连贯性、完整性更高；同时，增设净化装置20，净化装置20通过管道与均混装置18连接，所述连接管道上设有抽风机19，抽风机19用于吸收淤泥预处理及均混过程中释放的二氧化碳，避免造成周边环境的污染，高效环保可持续性长，同时也可以延长系统的使用寿命，降低经济成本；

通过输料管26和进料斗B27将均混后的搅拌混合料移送至造粒装置28中，进行淤泥混合料颗粒化作业，将淤泥颗粒化作业搬迁至造粒装置28中，克服了以往泥土因湿度过高，原地颗粒不均的缺点，根据泥土含水率和特性的不同，调节泥土与两种固化剂的比例，更好的做好颗粒化工作，得到混合料固化颗粒，便于下一步的充分碳化；

开启进料阀31，将混合料固化颗粒通过提料机B29和进料斗C30流入到碳化室32中的振动筛33上，待振动筛33铺满后关闭进料阀31、控制阀38和出料阀41，开启第三调压阀34进行混合料固化颗粒的碳化，生成淤泥碳化颗粒；

碳化完成后，先关闭第三调压阀34再开启控制阀38，使废液和废气流入碱液罐39中被碱液吸收，最后开启出料阀41，使淤泥碳化颗粒通过出料管40流入储料仓42中；

最后，经过上述系统处理后收集的储料仓42中的淤泥碳化颗粒作为路基、机场跑道或工程回填料进行再利用。

其中，水分传感器6、计量传感器A11、计量传感器B12和计量传感器C13分别通过导线与集合控制器14连接，先确定计量传感器A11至任一基准值，再根据水分监测值调节计量传感器B12，根据淤泥颗粒目标强度和硬度调节计量传感器C13，针对此点，我们作了如下实验：

淤泥土碳化程度和强度受到淤泥含水率、黏粒（细粒）含量、固化剂掺量、通气压力和碳化时间等因素的显著影响。以南京、淮安和温州地区的淤泥土为例，三地的淤泥土特性不同，随后开展不同条件下氧化镁固化淤泥土的室内单元体试验。下述试验的试样为直径5cm、高度10cm的圆柱形，将试样的侧面和下底面密封，使气体仅从圆柱样的下底面通气，每组试验执行三个平行试验，试验结果为三个平行样的平均值。表1为南京、淮安和温州三地淤泥土的基本物理特性指标，三种淤泥土碳化后强度和碳化深度的测试结果分别如表2、表3和表4。

表1 三种淤泥土的基本物理指标

表2 南京淤泥土的碳化试验结果

表3 淮安淤泥土的碳化试验结果

表4 温州淤泥土的碳化试验结果

实验例1

若预处理后淤泥土的黏粒含量小于20%，含水率为30%-40%，目标强度为0.6MPa，固化剂均混过程不选择第一固化剂，调节第二固化剂含量10%，造粒过程调节最大颗粒粒径为7cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间1.5h。

实验例2

若预处理后淤泥土的黏粒含量为20%-30%，含水率小于45%，目标强度为0.6MPa，固化剂均混过程调节第一固化剂掺量为5%，调节第二固化剂含量10%，造粒过程调节最大颗粒粒径为6cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间1.5h。

实验例3

若预处理后淤泥土的黏粒含量小于20%，含水率为30%-40%，目标强度为0.8MPa，固化剂均混过程不选择第一固化剂，调节第二固化剂含量15%，造粒过程调节最大颗粒粒径为6cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间3.0h。

实验例4

若预处理后淤泥土的黏粒含量小于20%，含水率大于40%，目标强度为0.8MPa，固化剂均混过程调节第一固化剂掺量为10%，调节第二固化剂含量15%，造粒过程调节最大颗粒粒径为6cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间3.0h。

实验例5

若预处理后淤泥土的黏粒含量大于30%，含水率小于55%，目标强度为0.8MPa，固化剂均混过程调节第一固化剂掺量为10%，调节第二固化剂含量10%，造粒过程调节最大颗粒粒径为6cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间1.5h。

实验例6

若预处理后淤泥土的黏粒含量大于30%，含水率大于55%，目标强度为0.8MPa，固化剂均混过程调节第一固化剂掺量为15%，调节第二固化剂含量15%，造粒过程调节最大颗粒粒径为4cm，碳化过程控制通气压力400kPa，碳化时间3.0h。

实验例7

若预处理后淤泥土的黏粒含量小于20%，含水率小于30%，目标强度为1.0MPa，固化剂均混过程不选择第一固化剂，调节第二固化剂含量10%，造粒过程调节最大颗粒粒径为10cm，碳化过程控制通气压力100kPa，碳化时间1.5h。

实验例8

若预处理后淤泥土的黏粒含量小于20%，含水率小于30%，目标强度为0.4MPa，固化剂均混过程不选择第一固化剂，调节第二固化剂含量10%，造粒过程调节最大颗粒粒径为8cm，碳化过程控制通气压力200kPa，碳化时间0.5h。

比较实验例1和2、比较实验例3-6、比较实验例组（1、2）、（3-6）、7和8可看出，现场异位处理淤泥时，即在均混装置中混合淤泥土和两种固化剂以及随后的造粒装置中，可根据预处理后土的含水率、黏粒含量和预期土颗粒强度，调节固化剂的掺量、造粒粒径、通气压力和碳化时间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。