一种基于移动床制备无掺杂单一煤矸石陶粒的方法及陶粒

本发明涉及一种煤矸石固体废弃物处理方法，具体涉及一种利用移动床制备无掺杂单一煤矸石陶粒的方法，还涉及由单一煤矸石制备的陶粒，属于固体废弃资源化利用技术领域。

背景技术：

大量煤矸石的积累不仅占用了大量土地资源，而且还导致严重的环境问题，例如土壤污染，空气污染和地质灾害等，因此，煤矸石的综合利用显得尤为重要和迫切。许多学者利用煤矸石制陶粒使其得到资源化利用，陶粒是一种具有一定强度、粒度多为5～25mm的规则球体或不规则的陶制颗粒。具有良好的物理、化学和水力特性。

目前，在利用煤矸石制备陶粒过程中，为使得陶粒达到所需性能，都会额外添加粘结剂(粘土、页岩等)、发泡剂(碳酸钠、碳酸氢钠、碳化硅、硫酸钙、氧化铁等)、助熔剂(二氧化锰、氟硅酸钠等)或成型剂(水玻璃等)等等，还会复配使用的碱性激发剂(石灰、钠水玻璃、二水石膏等)。且在陶粒的焙烧过程中，需要缓慢升温，多段升温、多段保温，甚至需两台或两台以上设备共同完成焙烧，以确保生产出稳定的陶粒。大量粘土、页岩等不可再生资源的加入，无法最大化的达到固废利用以及绿色环保的理念；大量添加剂的使用，使得生产成本增加，且降低了煤矸石的处理量，使得固体废弃物煤矸石的消耗量减小，造成大量化工产品及不可再生资源的消耗与浪费；缓慢升温，多段升温多段保温，多设备配合的焙烧机制，对生产设备要求较高，增加生产成本，降低了生产效率，甚至造成能源的过度消耗。

技术实现要素：

针对现有技术中利用煤矸石制备陶粒过程中存在上述技术缺陷，以及目前煤矸石大量堆积，存在难处理、难资源化利用等技术问题，本发明的第一个目的是在于提供一种利用移动床制备无掺杂单一煤矸石陶粒的方法，该方法能够消纳大量的煤矸石固体废弃物，减少了煤矸石的堆积量，降低了因煤矸石大量堆积造成的环境污染，且在陶粒的制作过程中不再添加粘土、页岩等不可再生资源及其他添加剂，同时通过移动床一步完成干燥、预热、焙烧以及冷却过程，降低了生产成本实现了煤矸石的无害化、资源化利用，有利于大规模推广应用。

本发明的第二个目的是在于提供一种利用单一煤矸石制备的密度较小及力学性能较好的陶粒。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于移动床制备无掺杂单一煤矸石陶粒的方法，该方法是将煤矸石依次经过破碎、磨矿及造粒处理，得到生料陶粒，所述生料陶粒布料至移动床上依次经过干燥、预热、焙烧和冷却处理，即得。

本发明技术方案利用单一煤矸石为原料来制备陶粒，充分利用了煤矸石中本身包含的组分来获得密度较小及力学性能优良的陶粒，利用煤矸石中的sio2与al2o3在高温固相反应中形成玻璃质结构获得较高的力学强度，而利用煤矸石中的fe2o3、cao、mgo、k2o、na2o等氧化物在焙烧过程中起助熔作用，可以促进高温固相反应的进行，同时降低液相生成温度。同时，本发明技术方案结合了移动床来实现陶粒的烧结，利用移动床可以实现粒料的干燥、预热、焙烧以及冷却等过程一步完成，从而可以很好地控制粒料的干燥、膨化以及固相反应等，有利于获得密度较小，力学强度高的陶粒。

作为一个优选的方案，所述煤矸石包含以下质量百分比组分：sio252～60％；al2o310～20％；fe2o3、cao、mgo、k2o和na2o8％～20％；余量为杂质，各组分总质量为100％。

作为一个较优选的方案，所述煤矸石中各组分的比例关系满足：其中，ro代表mgo和cao；r2o表示na2o和k2o。本发明采用的煤矸石其组分需要满足一定的比例要求，可以在无需额外使用添加剂的条件下，能够实现高性能陶粒的制备。煤矸石中sio2与al2o3的协同搭配有利于获得力学强度较高的玻璃质，而al2o3比例增高虽然有利于提高陶粒强度，但是其熔点高，过量的al2o3会使得陶粒烧结温度提高，增加了烧结时的能耗。而fe2o3、cao、mgo、k2o、na2o等氧化物主要起到助熔作用，以促进固相反应发生，可以降低液相生成温度，其含量的高低与烧成温度和烧成温度范围均有重要关系。因此，对煤矸石成分进行分析，筛选合适的煤矸石有利于利用单一煤矸石获得综合性能优异的陶粒。

作为一个优选的方案，所述煤矸石磨矿至粒度小于50μm，且粒度小于20μm的质量百分比含量不低于35％，比表面积为2000～2200cm²/g。煤矸石原料经过适当的粉磨处理，使得比表面积达到一定的程度，有利于原料颗粒间接触面积增加，颗粒间接触更充分可以提高原料的造球性能，在造球的过程中，在不使用粘结剂的前提下只需控制含水量即可获得生料陶粒，且煤矸石颗粒粒度和比表面积达到一定程度，其反应活性得到提高，降低了成品陶粒的焙烧温度，以更好的满足固相反应条件，使反应进行的更完全、更彻底。

作为一个优选的方案，所述粒料的粒径为10～15mm，含水率为13～16％。控制合适的含水率有利于后续生料陶粒的膨化过程，但是含水量过高容易造成高温烧结过程中生料陶粒的炸裂，含水率过低会导致生料陶粒难以粘结成型。

作为一个优选的方案，所述移动床为水平移动的链篦机，链篦机由入料口至出料口，依次为干燥段、预热段、焙烧段、冷却ⅰ段和冷却ⅱ段；预热段和焙烧段采用抽风方式，冷却ⅰ段和冷却ⅱ段采用鼓风方式。

作为一个优选的方案，干燥段的温度控制为100～200℃，生料陶粒在干燥段停留时间为10～15min，预热段的温度控制为350～700℃，生料陶粒在干燥段停留时间为8～14min，焙烧段的温度控制为1100～1200℃，生料陶粒在焙烧段停留时间为10～15min，冷却ⅰ段和冷却ⅱ段均采用空气进行冷却。通过严格控制各阶段的温度和时间，能够有效控制生料陶粒的干燥、膨化和烧结成型过程，获得密度较小，力学强度高的陶粒。

作为一个优选的方案，焙烧段产生的高温烟气通过兑入冷空气调节温度至350～700℃输送至预热段，预热段产生的烟气进入尾气处理装置。

作为一个优选的方案，冷却ⅰ段产生的热烟气返回焙烧段；冷却ⅱ段产生的热烟气进入干燥段。

本发明技术方案将链篦机进行多段设置，并且结合不同阶段的抽风和鼓风设计，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。

作为一个优选的方案，堆积密度550～850kg/m³，筒压强度为2～5.5mpa，单颗陶粒抗压为450～750n。陶粒性能按照gbt17431-2010标准检测得到。

本发明在陶粒制备过程中增加干燥段与预热段，在焙烧前对料球进行烘干预热，调整生料球的化学组成，减少生料球因温度急剧变化而导致炸裂，同时也使气体逐渐产生，达到较好的膨化效果。

本发明的一种基于移动床制备无掺杂单一煤矸石陶粒的方法，包括以下具体步骤：

1)破碎和研磨：先将煤矸石原料采用颚式破碎机破碎至3mm以下，然后进行棒磨处理，研磨速率为20～25r/min，每次时间为10～15min，经研磨后的煤矸石粒度小于50μm，其中小于20μm含量不低于35％，其比表面积为2000～2200cm²/g；煤矸石中各主要组分及各主要组分的质量百分比含量：sio2＝52～60％、al2o3＝10～20％、fe2o3+cao+mgo+k2o+na2o＝8％～20％，且满足其中，ro代表mgo和cao；r2o表示na2o和k2o；

2)造球和筛分：将步骤1)所得的煤矸石粉末放入圆盘造粒机中，添加水分后，制成生料球团；将生料球团进行筛分，得到粒径为10～15mm、含水率为13～16％的生料球团；

3)移动床焙烧：将步骤2)所得的生料球团连续输送到水平运行的移动床上，移动床为水平移动的链篦机，链篦机由入料口至出料口，依次为干燥段、预热段、焙烧段、冷却ⅰ段和冷却ⅱ段；预热段和焙烧段采用抽风方式，冷却ⅰ段和冷却ⅱ段采用鼓风方式；生料球团布料至链篦机上依次经过干燥、预热、焙烧和冷却，得到合格的陶粒成品；链篦机上的焙烧段通过烧嘴补充热量，使燃烧室温度控制为1100～1200℃，生料球团在焙烧段停留的时间为10～15min；从焙烧段产生的热烟气通过兑入冷空气调节预热段烟罩中的温度为350～700℃，升温速率30～50℃/min，生料球团在预热段停留时间为8～14min，而预热段的尾气经抽风排出进入尾气处理装置；冷却ⅰ段通过鼓入冷空气对焙烧陶粒进行冷却，产生的高温烟气返回焙烧段，冷却ⅱ段通过鼓入冷空气对焙烧陶粒进行冷却，产生的热烟气进入干燥段，调节干燥段温度为100～200℃，生料球团在干燥段停留时间为10～15min。

与已有技术比较，本发明技术方案的优点体现在：

1)本发明技术方案采用单一煤矸石为原料来实现了陶粒的制备，可以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，降低了陶粒的生产成本，达到绿色环保以及固废处理的目的。

2)本发明技术方案利用单一煤矸石为原料可以获得堆积密度为550～850kg/m³，筒压强度为2～5.5mpa，单颗平均抗压为450～750n的综合性能良好的陶粒。

3)本发明技术通过优化煤矸石组成，在无需额外添加助剂等条件下，充分利用煤矸石的自身组成来提高陶粒强度，降低烧结温度，达到节能和降低成本的目的。

4)本发明技术方案通过对煤矸石进行磨细至适当粒度和比表面积，能够增加原料颗粒间接触面积，使得固相颗粒间接触更充分，因此在造球的过程中，在不使用粘结剂的前提下使原料更易成球，提高了原料的造球性能，且煤矸石颗粒粒度和比表面积达到一定程度有利于提高反应活性，降低了成品陶粒的焙烧温度，以更好的满足固相反应条件，使反应进行的更完全、更彻底。

5)本发明技术方案采用移动床生产焙烧陶粒，通过设置干燥段、预热段、焙烧段、冷却ⅰ段和冷却ⅱ段等反应阶段，实现了生料陶粒的干燥、预热、焙烧和冷却过程在一个设备中完成，过程简单，提高了生产效率。特别是通过增加干燥段与预热段，在焙烧前对料球进行烘干预热，调整生料陶粒的化学组成，减少生料球因温度急剧变化而导致炸裂，同时也使气体逐渐产生，达到较好的膨化效果。

6)本发明技术方案通过在冷却段进行鼓风，将冷却ⅰ段余热用于焙烧段，冷却ⅱ段余热用于干燥段；在焙烧段进行抽风，将焙烧段的余热用于预热段，将预热段抽出烟气进行尾气处理，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。

7)本发明技术方案通过从外部引入冷空气，使得干燥段和预热段温度得到有效调节，以达到预热段和干燥段的适宜温度。

8)本发明技术方案通过调节不同区间的温度以及控制移动床的移动速度，保证单一煤矸石陶粒的成品率，且简化了复杂配矿过程，制备出不同等级的陶粒产品

附图说明

【图1】为陶粒制备工艺装置图(生产线结构示意图)：1为干燥段；2为预热段；3为焙烧段；4为冷却ⅰ段；5为冷却ⅱ段；6为风机；7为尾气处理装置；8为烧嘴；9为空气阀门。

具体实施方式

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。

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。

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。

以下实施例1、2以及对比实施例1，以来自某地区的煤矸石为例，其化学成份如下:sio254.43％、al2o313.82％、fe2o31.29％、cao1.97％、k2o2.60％、na2o2.65％、mgo2.65％，其余为包含重金属在内的杂质，其中fe2o3+cao+mgo+k2o+na2o＝11.16％，

实施例1

(1)将煤矸石原料经颚式破碎机破碎至3mm以下，然后通过棒磨机以20r/min研磨两次，分别研磨15min，研磨至粒度小于50μm，其中小于20μm含量为35％，其比表面积为2000cm²/g，后将粉末通过圆盘造粒机，制得10～15mm生球，其含水量为16％。

(2)将陶粒生料球放入移动床中，经干燥、预热、焙烧和冷却得到焙烧陶粒，其中干燥段温度：100℃，陶粒停留时间：15min；预热段温度：700℃，升温速率为30℃/min，陶粒停留时间：14min；焙烧段温度：1100℃，陶粒停留时间：15min；冷却段采用空气进行冷却。

(3)按照gbt17431-2010检验产品性能，该陶粒堆积密度850kg/m³，筒压强度5.6mpa，单颗陶粒抗压753n。根据标准，密度等级为900的陶粒，其筒压强度需大于5.0mpa，故符合标准。

实施例2

(1)将煤矸石原料经颚式破碎机破碎至3mm以下，然后通过棒磨机以25r/min研磨两次，分别研磨10min，研磨至粒度小于50μm，其中小于20μm含量为50％，其比表面积为2200cm²/g，后将粉末通过圆盘造粒机，制得10～15mm生球，其含水量为13％。

(2)将陶粒生料球放入移动床中，经干燥、预热、焙烧和冷却得到焙烧陶粒，其中干燥段温度：200℃，陶粒停留时间：10min；预热段温度：350℃，升温速率为50℃/min，陶粒停留时间：8min；焙烧段温度：1200℃，陶粒停留时间：10min；冷却段采用空气进行冷却。

(3)按照gbt17431-2010检验产品性能，该陶粒堆积密度549kg/m³，筒压强度3.5mpa，单颗陶粒抗压强度476n。根据标准密度等级为600的陶粒，其筒压强度需大于2.0mpa，故符合标准。

对比实施例1

(1)将煤矸石原料经颚式破碎机破碎至3mm以下，后通过棒磨机以20r/min研磨一次，研磨时间为10min，研磨至粒度小于200μm，后将粉末通过圆盘造粒机，制得10～15mm陶粒生料球，其含水量为13％。

(2)将陶粒生料球放入移动床中，经干燥、预热、焙烧和冷却得到焙烧陶粒，其中干燥段温度：200℃，陶粒停留时间：10min；预热段温度：350℃，升温速率为50℃/min，陶粒停留时间：8min；焙烧段温度：1200℃，陶粒停留时间：10min；冷却段采用空气进行冷却。

(3)按照gbt17431-2010检验产品性能，该陶粒堆积密度651kg/m³，筒压强度1.5mpa，单颗陶粒抗压强度338n。根据标准，密度等级为700的陶粒，筒压强度需大于3.0mpa，故不符合标准。

对比实施例2

以来自某地区的煤矸石为例，其化学成份如下:sio255.95％、al2o324.33％、fe2o31.43％、cao1.19％、k2o2.28％、na2o1.57％、mgo0.76％，其中fe2o3+cao+mgo+k2o+na2o＝7.23％，

(1)将煤矸石原料经颚式破碎机破碎至3mm以下，后通过棒磨机以20r/min研磨两次，研磨时间为15min，研磨至粒度小于50μm，其中小于20μm含量为35％，其比表面积为2000cm²/g，后将粉末通过圆盘造粒机，制得10～15mm生球，其含水量为16％。

(2)将陶粒生料球放入移动床中，经干燥、预热、焙烧和冷却得到焙烧陶粒，其中干燥段温度：100℃，陶粒停留时间：15min；预热段温度：700℃，升温速率为30℃/min，陶粒停留时间：14min；焙烧段温度：1100℃，陶粒停留时间：15min；冷却段采用空气进行冷却。

(3)按照gbt17431-2010检验产品性能，该陶粒堆积密度863kg/m³，筒压强度3.6mpa，单颗陶粒抗压强度482n。根据标准，密度等级为900的陶粒，筒压强度需大于5.0mpa，故不符合标准。

由对比例1、2和实施例1、2可知，合适的原料组成配合适宜的生产工艺，可以在降低堆积密度的同时，提高陶粒的硬度，使其筒压强度达到标准，得到合格的陶粒产品。