一种多种类煤矸石低温自供热烧结制备轻骨料的方法与流程

1.本发明涉及一种煤矸石固体废弃物的处理方法，具体涉及一种利用多种不同种类煤矸石协调搭配使用在无需额外添加其他组分的条件下实现低温自供热烧结制备轻骨料的方法，属于固体废弃资源化利用技术领域。


背景技术：

2.随着我国工业化进程的不断加快，工业废渣的排放量逐年增加，煤矸石等工业固废的数量不断积累。这些废弃物大多被填埋或露天堆放，占用了大量的土地资源，若处置不当将对环境和人体健康造成严重危害，而且这一方法错过了将煤矸石转化为资源作为循环经济思维实践的机会。此外，煤矸石含有大量的si、ca、al等元素，这赋予了它潜在的再利用价值，例如煤矸石轻骨料。
3.一直以来，在煤矸石制备轻骨料的过程中，为使得轻骨料达到一定的性能要求，会额外的加入一些添加剂，例如含si、ca、al等元素的粘土或页岩，以及一些利于成型的粘结剂、成型剂，或采用一些提高物料活性的激发剂等。目前生产轻骨料的原料中，粘土和页岩占比达到了80％左右，宝贵的自然资源被大量开采，导致许多优质耕地破坏和流失，不符合建立资源节约型社会的要求。
4.尽管用煤矸石生产轻骨料可以带来一定的经济效益，但是煤矸石中富含有sio2、cao、al2o3等成分，要使这些成分在烧结阶段充分反应，形成足够的液相，需要较高的点火温度以及烧结温度，这造成了大量燃料的消耗。目前对于降低能耗的研究大多数学者采用另加助熔剂的方式，例如：二氧化锰、氟硅酸钠等。在煤矸石轻骨料的生产过程中，应遵循绿色、节能、环保的原则，避免资源的浪费。因此，需要降低煤矸石轻骨料生产过程的烧结温度，降低生产成本，以此来保证利益最大化。


技术实现要素：

5.针对现有技术中利用煤矸石制备轻骨料过程中存在上述技术缺陷，以及目前煤矸石大量填埋或露天堆放，存在危害环境和人体健康、无法资源化以及资源化过程中能耗过高等技术问题，本发明的目的是在于提供一种多种类煤矸石低温自供热烧结制备轻骨料的方法，该方法通过多种类型煤矸石搭配组合使用，在无需额外使用粘土、页岩等不可再生资源添加剂的条件下依靠自身组分调节获得密度小、力学强度高的轻骨料，能够大量、同时消纳多类型煤矸石固体废弃物，减少煤矸石的填埋与堆积，降低了煤矸石因大量堆积而造成的潜在危险，且在轻骨料的制备过程中，同时通过调整原料粒度分布与配比等达到降低烧成温度的目的，能够避免添加助熔剂，该方法实现了煤矸石轻骨料生产过程的低能耗、高产量、低成本，且利用烧结机处理具有量大优势，有利于大规模推广应用。
6.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种多种类煤矸石低温自供热烧结制备轻骨料的方法，该方法是将多种不同类型煤矸石依次经过破碎、配料、混合、制粒、布料、点火、烧结、冷却、破碎及筛分处理，即得；所述配料的原则满足混合煤矸石中sio2和al2o3总质量
百分比含量大于55％，fe2o3、cao和mgo总质量百分比含量在8～25％范围内，碳质量百分比含量为3～5％，余量为杂质；其中，混合煤矸石中cao
‑
sio2‑
al2o3三元体系的质量百分比组成满足：cao15％～30％，sio250％～65％，al2o310％～30％。
7.本发明技术方案充分利用不同种类煤矸石主要组成成分不同的特点，通过多种煤矸石之间搭配组合使用，在无需额外添加任何添加剂的前提下，利用多种煤矸石自身组分进行内部组成调节，通过严格控制sio2、al2o3、fe2o3、cao和mgo等比例，以及cao
‑
sio2‑
al2o3三元体系组成，不但可以较低温度下实现烧结，而且可以获得密度较小及力学性能优良的轻骨料，同时可以其自身包含的碳来实现供热，节省燃料，有利于降低成本。
8.本发明技术方案通过不同种类的煤矸石调节cao
‑
sio2‑
al2o3三元体系组成，轻骨料的力学强度主要是利用sio2与al2o3在高温固相反应中形成力学强度较高的玻璃质结构来支撑，然而，sio2‑
al2o3体系的熔融温度相对较高，通过不同类型的煤矸石来调节合适的cao
‑
sio2‑
al2o3三元体系，能够有效降低烧结温度。
9.作为一个优选的方案，所述多种不同类型煤矸石选自黏土岩矸石、砂岩矸石、铝质岩矸石、钙质岩矸石中至少两种。
10.作为一个较优选的方案，所述黏土岩矸石包含以下主要质量百分比组分：sio
2 40～70％，al2o
3 15～30％，fe2o
3 1～7％，cao 0.5～9％，mgo 0.5～6％，这些成分是有用成分，还包括固定碳以及其他杂质成分。黏土岩矸石具有中硅、高铝特点。
11.作为一个较优选的方案，所述砂岩矸石包含以下主要质量百分比组分：sio
2 53～88％，al2o
3 0.4～20％，fe2o
3 0.4～4％，cao 0.3～1％，mgo 0.2～1.2％，这些成分是有用成分，还包括固定碳以及其他杂质成分。砂岩矸石具有高硅特征。
12.作为一个较优选的方案，所述铝质岩矸石包含以下主要质量百分比组分：sio
2 40～55％，al2o
3 35～45％，fe2o
3 0.2～4％，cao 0.1～0.7％，mgo 0.1～1％，这些成分是有用成分，还包括固定碳以及其他杂质成分。铝质岩矸石具有高铝、中高硅、低铁、低钙镁特征。
13.作为一个较优选的方案，所述钙质岩矸石包含以下主要质量百分比组分：sio
2 10～40％，al2o
3 3～10％，fe2o
3 1～10％，cao 40～80％，mgo 1～4％，这些成分是有用成分，还包括固定碳以及其他杂质成分。钙质岩矸石具有中低硅、高钙特征。
14.作为一个较优选的方案，所述黏土岩矸石破碎至粒径≤6mm，且小于4mm粒级的质量百分比含量占75～85％。
15.作为一个较优选的方案，所述砂岩矸石破碎至粒径≤3mm，且小于2mm粒级的质量百分比含量占70～85％；
16.作为一个较优选的方案，所述铝质岩矸石破碎至粒径≤5mm，且小于4mm粒级的质量百分比含量占80～90％；
17.作为一个较优选的方案，所述钙质岩矸石破碎至粒径≤6mm，且小于3mm粒级的质量百分比含量65～75％。
18.本发明技术方案利用不同类型煤矸石的主要组分不同，不同的组分反应活性不同的特点，对不同种类煤矸石采用不同的破碎粒度，对反应活性较差、反应较难进行的含有高硅的砂岩矸石破碎至≤3mm，其中
‑
2mm粒级质量百分比含量占70～85％；为促进反应的更易进行，将反应活性较高的钙质岩矸石破碎至≤6mm，其中
‑
3mm粒级质量百分比含量占比65～
75％；将黏土岩矸石与铝质岩矸石粒径破碎至
‑
4mm，以便于更好的制粒，保证烧结过程的顺利进行。
19.作为一个优选的方案，布料、点火、烧结及冷却处理过程通过水平移动台车实现，在台车上布料后，从料层上部进行点火，烧结由料层上部垂直向下进行，随着烧结的进行，在料层垂直向下方向依次形成冷却段、烧结段和预热段，其整个过程均采用底部抽风方式。本发明技术方案结合了水平移动台车来实现轻骨料的烧结过程，利用水平移动台车可以实现煤矸石物料的干燥、预热、烧结以及冷却等过程的连续完成，使得烧结过程控制灵活，操作简便，且烧结过程是由上而下，借助抽风负压来完成的，上部热量逐级向下传递，空气在经过烧结层后可以预热干燥下部混合料，因此，其热能利用更加合理。
20.作为一个较优选的方案，所述布料的厚度为700～900mm。
21.作为一个较优选的方案，所述点火的温度为1000～1100℃，点火时间1～2min。
22.作为一个较优选的方案，平均垂直烧结速度为15～22mm/min。
23.作为一个较优选的方案，所述烧结的温度1100～1250℃，时间2～4min。
24.作为一个较优选的方案，所述筛分分离出8～25mm粒级作为轻骨料成品，分离出5～8mm粒级作为铺底料返回布料过程。
25.本发明技术方案制备的轻骨料符合国家标准的密度等级为500～700级。
26.本发明技术方案的不同种类煤矸石混合后使得含碳量在3～5％之间，以保证其在烧结过程中的热量充足，达到自供热烧结。
27.本发明技术方案中冷却过程控制卸料温度为150～300℃。
28.本发明技术方案中烧结未完成阶段的废烟气经抽风进入尾气处理装置后排出；烧结过程结束，烧结料进入冷却阶段产生的热废气经风机抽出通过烟气罩返回烧结机料面。
29.本发明技术方案制备的轻骨料堆积密度为460～680kg/m3，筒压强度为2.5～4.0mpa，符合密度等级为500～700级轻骨料，轻骨料性能按照gbt17431
‑
2010标准检测得到。
30.本发明技术方案将烧结机(水平移动台车)划分为两段，并且结合不同段的抽风设计，简化了尾气处理过程，实现热量的多级利用，降低能源的消耗，达到节能减排保护环境的目的。
31.本发明技术方案将已烧成筛分的5～8mm轻骨料返回烧结机铺于台车底部，并重复循环使用，可有效提高台车底部轻骨料的质量。
32.本发明提供的一种多种类煤矸石低温自供热烧结制备轻骨料的方法，包括以下具体步骤：
33.1)破碎：按照煤矸石的种类分别进行破碎，控制其不同的粒径分布：黏土岩矸石粒径≤6mm，其中
‑
4mm质量百分比占75～85％；砂岩矸石粒径≤3mm，其中
‑
2mm质量百分比占70～85％；铝质岩矸石粒径≤5mm，其中
‑
4mm质量百分比占比80～90％；钙质岩矸石粒径≤6mm，其中
‑
3mm质量百分比占比65～75％。
34.2)混合制粒：将步骤1)破碎后多种煤矸石按一定比例进行配比混合，将混合后的原料放入圆筒制粒机中并加入适量水进行制粒，造粒过程为行业内常规技术；多种煤矸石可以任意选择其中的几种按任意比例搭配，但是总的配料原则必须满足混合煤矸石中sio2和al2o3总质量百分比含量大于55％，fe2o3、cao和mgo总质量百分比含量在8～25％范围内，
碳质量百分比含量为3～5％，余量为杂质；其中，混合煤矸石中cao
‑
sio2‑
al2o3三元体系的质量百分比组成满足：cao15％～30％，sio
2 50％～65％，al2o
3 10％～30％。
35.3)烧结机烧结：先在烧结机台车底部铺撒适量铺底料(铺底料可以为行业内常见的铺底料，或者来源于上一批5～8mm粒级轻骨料)后，将步骤2)所得的制粒后混合料连续输送到水平移动的台车上，布料厚度为700～900mm，由入料口到出料口，混合料依次经过点火、烧结和冷却，最后出料经过破碎及筛分得到合格的轻骨料(8～25mm粒级)；通过点火器点火，向混合料提供足够热量，促使混合燃料中燃料的燃烧以及反应的进行，控制点火温度为1000～1100℃，点火1～2min；台车下部采用风机进行抽风，使其内部形成负压，促进烧结过程由上至下的进行；随着烧结的进行，热烟气依次向下经过湿润混合料，对其进行预热干燥，控制抽风负压，使其烧结速度为15～22mm/min；当烧结过程结束，烧结矿进入冷却阶段后，将冷却段抽出热废气通过台车上部烟罩返回烧结料面。
36.与已有技术比较，本发明技术方案的优点体现在：
37.1)本发明技术方案同时采用多种类煤矸石为原料，对不同类型煤矸石，不同反应活性原料采用不同的破碎粒度，控制原料的粒度分布，将反应活性较差的砂岩矸石破碎至
‑
2mm占70～85％；将促进反应生成、反应活性较高的钙质岩矸石破碎至
‑
3mm占比65～75％；将黏土岩矸石与铝质岩矸石粒径破碎至
‑
4mm，以便于制粒，同时可以改善烧结效果。
38.2)本发明技术方案根据煤矸石自身组分组成的特点，同时将多种不同种类煤矸石搭配组合，利用煤矸石自身组分在烧结过程中产生力学强度较高的玻璃体，并形成密度较低轻骨料，同时利用自身组分来起到助熔作用，降低烧结温度，且利用自身包含的固定碳来实现烧结过程的自供热，在整个烧结过程中无需外部供热，可以在不使用页岩粘土等任何添加剂，减少不可再生资源以及商业化工产品的使用，增加固体废弃物煤矸石用量，降低了轻骨料的生产成本，达到绿色环保以及固废处理的目的。
39.3)本发明技术方案利用多种类煤矸石调控主要成分cao
‑
sio2‑
al2o3体系的相对比例，来降低其液相的生成温度，液相的生成主要有以下作用：i、液相的生成使得固
‑
固反应转变为固
‑
液反应，使反应更易进行；ii、液相能够湿润未熔的矿粒表面，产生一定的表面张力将矿粒拉紧，在冷却结晶时将未熔的固体颗粒粘结成块，保证烧成轻骨料具有一定强度；iii、液相具有一定的流动性，可进行粘性或塑性流动传热，使高温熔融带的温度和成分均匀，液相冷却后的轻骨料成品化学成分均匀化；iv、液相保证固体燃料完全燃烧，大部分固体燃料是在液相形成后燃烧完毕的。从而可以减少烧结过程的能耗，达到节能和降低成本的目的。
40.3)本发明技术方案利用多种类煤矸石为原料可以获得密度等级为500～700级的轻骨料。
41.4)本发明技术方案采用烧结机生产轻骨料，通过台车的移动和抽风负压的作用，在整个料层形成烧结、预热、干燥、冷却等反应阶段，实现轻骨料的单一设备生产，过程简单，提高了生产效率。
42.5)本发明技术方案通过在台车底部进行抽风烧结，易于实现热能的多级循环利用，将烧结过程结束后的冷却段热废气通过烟罩返回烧结机料面，将烧结未完成阶段的废气抽入尾气处理装置，简化了尾气处理过程，实现热量的多级利用，降低能源的消耗，达到节能减排保护环境的目的。
43.6)本发明技术方案通过调节原料配比，点火、保温的温度和时间，以及烧结过程温度，保证无添加剂轻骨料的成品率，制备出不同等级的轻骨料产品。
附图说明
44.【图1】为轻骨料生产线结构示意图：1为原料仓；2为混料机；3为铺底料；4为布料仓；5为点火装置；6为传送带；7为烟气罩；8为空气；9为风机；10为尾气处理装置；11为烟囱；12为破碎机。
45.【图2】为实施例中所用到的不同种类煤矸石原料及按一定比例配比后的实施例混合料其主要cao、sio2、al2o3含量在cao
‑
sio2‑
al2o3体系三元相图中的分布区域。
具体实施方式
46.为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
47.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
48.除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
49.以下实施例1、2、3以及对比实施例1、2、3，以来自某地区的不同种类煤矸石为例，其种类及主要有用化学成份如下:
50.黏土岩矸石(cg1)化学组成：sio
2 44.3％、al2o
3 24.7％、fe2o
3 2.9％、cao8.4％、mgo 4.3％；
51.砂岩矸石(cg2)化学组成：sio
2 73.6％、al2o
3 12.9％、fe2o
3 3.1％、cao 0.9％、mgo 0.6％；
52.铝质岩矸石(cg3)化学组成：sio
2 48.2％、al2o
3 37.3％、fe2o
3 1.7％、cao0.4％、mgo 0.3％；
53.钙质岩矸石(cg4)化学组成：sio
2 15.4％、al2o
3 3.7％、fe2o
3 2.2％、cao61.8％、mgo 2.1％。
54.上述煤矸石通过颚式破碎机分种类破碎至不同粒径，具体如下：
55.黏土岩矸石粒径≤6mm，其中
‑
4mm粒级质量百分比含量占75～85％；
56.砂岩矸石粒径≤3mm，其中
‑
2mm粒级质量百分比含量占70～85％；
57.铝质岩矸石粒径≤5mm，其中
‑
4mm粒级质量百分比含量占比80～90％；
58.钙质岩矸石粒径≤6mm，其中
‑
3mm粒级质量百分比含量占比65～75％。
59.实施例1
60.(1)取破碎后的不同种类煤矸石，将cg1、cg2、cg3、cg4按照质量比2：2：4：2进行混合，混合后混合后物料成分含量为：sio2 al2o3＝69.1％；fe2o3 cao mgo＝18.22％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：17.2％：55.0％：27.8％；含碳量为5％，将混合料放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
61.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动
的台车上，布料厚度为900mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1050℃，点火时间2min；烧结温度为1250℃，烧结时间4min；烧结速度为22mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度300℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测，将5～8mm烧结料返回烧结机，留作铺底料。
62.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为549kg/m3，筒压强度为3.1mpa，符合密度等级600级轻骨料。
63.实施例2
64.(1)取破碎后的不同种类煤矸石，将cg1、cg2、cg3、cg4按照1：5：1：3进行混合，混合后混合后物料成分含量为：sio2 al2o3＝64.4％；fe2o3 cao mgo＝23.9％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：23.6％：60.1％：16.3％；含碳量为4％，将混合料放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
65.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动的台车上，布料厚度为700mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1100℃，点火1min；烧结温度为1190℃，高温时间3.2min；烧结速度为20mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度150℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测，将5
‑
8mm烧结料返回烧结机，留作铺底料。
66.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为683kg/m3，筒压强度为3.9mpa，符合密度等级700级轻骨料。
67.实施例3
68.(1)取破碎后的不同种类煤矸石，将cg1、cg2、cg3、cg4按照1：4：2：3进行混合，混合后混合后物料成分含量为：sio2 al2o3＝64.3％；fe2o3 cao mgo＝23.7％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：23.6％：57.2％：19.3％；含碳量为3％。将混合料放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
69.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动的台车上，布料厚度为800mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1000℃，点火1min；烧结段温度为1100℃，高温时间2min，烧结速度为17mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度200℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测，将5
‑
8mm烧结料返回烧结机，留作铺底料。
70.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为461kg/m3，筒压强度为2.5mpa，符合密度等级500级轻骨料。
71.对比实施例1
72.(1)取不同类型煤矸石统一破碎至5mm以下，将cg1、cg2、cg3、cg4按照2：2：4：2进行混合，混合后混合后物料成分含量为：sio2 al2o3＝69.1％；fe2o3 cao mgo＝18.22％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：17.2％：55.0％：27.8％；含碳量为5％，将混合料放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
73.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动
的台车上，布料厚度为900mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1050℃，点火时间2min；烧结温度为1220℃，高温时间3.8min；烧结速度为22mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度300℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测。
74.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为518kg/m3，筒压强度为1.7mpa，筒压强度低于600级轻骨料要求。
75.对比实施例2
76.(1)取破碎后的不同种类煤矸石，将cg1、cg2、cg3、cg4按照1：4：2：3进行混合，混合后混合后物料成分含量为：sio2 al2o3＝64.3％；fe2o3 cao mgo＝23.7％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：23.6％：57.2％：19.3％；含碳量为2.5％。将混合料放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
77.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动的台车上，布料厚度为800mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1000℃，点火1min；烧结段温度为1050℃，高温时间1.2min，烧结速度为22mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度200℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测。
78.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为436kg/m3，筒压强度为1.3mpa，可见灰白色欠烧区域，产品强度低，不符合500级轻骨料要求。
79.对比实施例3
80.(1)单取破碎后cg1，不与其他种类煤矸石进行复配。其物料成分含量为：sio2 al2o3＝69％；fe2o3 cao mgo＝15.6％；cao
‑
sio2‑
al2o3体系中各组份相对含量为：10.9％：57.2％：31.9％；含碳量为4％，将cg1放入圆筒制粒机并加入适量水进行制粒。
81.(2)在烧结机台车底部铺撒适量铺底料，后将制粒后混合料连续输送到水平移动的台车上，布料厚度为700mm，台车由入料口到出料口，依次经过干燥预热、烧结、冷却，得到合格的轻骨料；其中点火温度为1100℃，点火1min；烧结段温度为1150℃，高温时间2.5min，烧结速度为20mm/min；冷却方式采用空气抽风冷却，卸料温度150℃。将卸料口排出轻骨料通过传送带运至破碎机进行破碎，破碎后烧结料经振动筛进行筛分，筛得8～25mm轻骨料待检测。
82.(3)按照gbt17431
‑
2010检验产品性能，该轻骨料堆积密度为583kg/m3，筒压强度为2.2mpa，且伴有未烧结区域，产品强度低，不符合600级轻骨料要求。
83.由对比例1、2、3和实施例1、2、3可知，合适的破碎粒径和原料组成可以降低烧结过程的温度，使得混合料在低温条件下进行反应，直至反应完全，以达到gbt17431
‑
2010的要求；合适的碳含量能够保证烧结过程中的热量供给，保证其在无外部加热条件下能够反应完全，生产出合格的轻骨料。