提高干馏页岩渣砖强度的试验研究

2016-04-18穆建春王志刚龙志勤

广东建材 2016年12期

关键词：油页岩活化剂抗折

穆建春王志刚龙志勤

（广东石油化工学院）

提高干馏页岩渣砖强度的试验研究

穆建春王志刚龙志勤

（广东石油化工学院）

本文用茂名上世纪50年代的干馏页岩渣作为基本原材料，通过不同的工艺方法制取免烧实心砖，大量的试验研究发现，干馏渣的颗粒级配对用干馏渣制取的免蒸免烧实心砖的抗压、抗折强度有很大影响；干馏渣进行二次燃烧处理后制取的免蒸免烧实心砖的抗压、抗折强度有大幅提高。

干馏页岩渣；免蒸免烧；实心砖；颗粒级配；二次燃烧

1 引言

干馏页岩渣是油页岩通过加热、干馏（约500℃），提炼页岩油产生的废渣。油页岩矿化程度很高，含油率不高，在干馏过程中将会产生大量的油页岩渣。目前，就世界上最先进的的干馏技术，干馏一吨油页岩，至少也会产生0.7吨的油页岩渣。由大量文献显示，世界上油页岩储量非常大，如果换算成页岩油的话也有41亿吨。中国为油页岩资源最丰富的国家之一，全国油页岩资源储量约为370亿吨。随着石油和天然气资源的日渐紧缺，会逐渐启动用油页岩炼油，或直接用油页岩燃料发电的项目，由此将会产生大量的油页岩渣。试验研究和试生产表明，燃烧后的油页岩渣可以直接用作为制取高强度免蒸免烧实心砖[1]，也可作为高标号水泥的混合料或熟料等[2]，具有充分的和较高的利用价值。但是干馏页岩渣的有效利用还一直困扰着人们。目前有很多实体企业用干馏后的油页岩渣制取烧结实心砖或空心砖，但是国家政策上不提倡制取烧结的垃圾尾矿实心砖，由此制取的实心砖得不到广泛推广，而且在制砖的同时，不仅会二次产生污染，还会重新产生大量的灰渣。所以如何用干馏渣制取国家政策提倡的、强度足够的油页岩渣砖，并在制取的过程中又不会二次产生废渣就成为本文将要研究的一个问题。

2 油页岩渣的产生途径

油页岩渣主要有两种产生途径，第一种途径是油页岩作为燃料直接燃烧，燃烧温度可达1200℃，燃烧后的灰渣就是油页岩燃烧渣（见图1）。第二种途径是用油页岩炼油，我国采取的油页岩炼油技术大部分都是抚顺式干馏技术。抚顺式干馏技术是将开采的油页岩破碎筛分后,较大粒径的（约≥10mm）油页岩放入干馏炉内,在隔绝空气的情况下,在干馏炉内干燥、预热,然后加温到450℃～600℃，页岩油就被裂解释放出来。所剩的页岩半焦进入汽化状态，并进行氧化还原反应，生成的排出炉外的废渣就是干馏页岩渣（见图2）。燃烧后的油页岩渣和干馏页岩渣的化学成分非常相似（见表1），但是其在应用中用同样的方法制取的建筑用实心砖的强度却大不相同（见表2）。究其原因主要是因为油页岩作为燃料经高温燃烧后（一般情况下，温度均可达到1000℃以上），其中含量较高的硅、铝离子的活性被充分激发出来，由此得到的燃烧后的油页岩渣具有较高的活性。而油页岩炼油时，经历的温度最高只有600℃，其中的碳质得不到充分燃烧，油页岩中的有机物质得不到完全挥发，其中的活性没有被完全激发出来所致。

图1 油页岩燃烧渣

图2 油页岩干馏渣

表1 茂名干馏页岩渣和燃烧页岩渣的化学成分

表2 燃烧渣和干馏渣制取的实心砖的强度比较

3 试验研究

3.1 试验用原材料

试验中的主要原材料分别是茂名市上个世纪50年代炼油后的页岩渣（见图2）；茂名市热电厂排放的粉煤灰；茂名市的高岭土尾矿砂以及茂名市油城牌水泥有限公司制作的水泥。

3.2 试验结果

为了充分了解影响干馏页岩渣砖强度的因素，本课题组分别通过改变砖混合料中水泥的比例、活化剂的比例；油页岩渣的颗粒级配；对制取的砖进行蒸煮等方法制取免烧实心砖，每种混合料制取5～8块砖，试验结果见表3至表6。

表3是保持砖混合料中的石灰、粉煤灰、活化剂等比例不变，只改变水泥所占比例，增加水泥比例的同时，减少页岩渣比例制取的免蒸免烧油页岩渣砖强度的比较。从表3中可以看出，随着水泥比例的增加，油页岩渣砖的抗拉强度和抗压强度都有所提高，水泥含量每增加5%，抗压强度就能增加约20%，抗拉强度增加约10%。但是即使当水泥比例增加到30%，用此种方法制取的油页岩渣砖的强度也不能满足国家标准。

表3 混合不同比例的水泥的干馏渣砖的强度比较

表4是保持砖混合料中的水泥、石灰、粉煤灰等比例不变，只改变活化剂所占比例，增加活化剂比例的同时，减少页岩渣比例制取的免蒸免烧油页岩渣砖强度的比较。从表4中可以看出，随着活化剂比例的增加，油页岩渣砖的强度增加得非常缓慢，活化剂价格较高，由此可见增加活化剂并不是一种可取的方法。

表4 加入不同比例的活化剂后干馏渣砖的强度比较

表5是混合料中各种材料的比例保持不变，只是将配料中的干馏渣分为两组，其中一组干馏渣经过球磨后过12目或8目的筛子；另一组干馏渣不经球磨直接过12目或8目的筛子。从表5中可以看出，经过球磨的干馏渣砖的强度较没有处理的干馏渣砖的强度有明显提高，抗压强度提高50%以上；抗折强度提高约20%。

表5 页岩渣磨细与不磨细并经不同目数的筛子处理

表6是用同样配比的混合料制取出的12块免蒸免烧干馏渣砖。将制取的砖分为两组，其中一组砖放在蒸煮箱中蒸煮近1个小时，两组砖用同样的方法养护30天后的强度比较。从表6中可以看出，经过蒸煮的砖的强度有所提高，抗压强度可以提高约20%，抗折强度提高约10%。

表6 蒸煮过和没有蒸煮过的干馏渣砖的强度比较

从表3至表6可以看出，虽然通过增加水泥比例、磨细并改变油页岩渣颗粒级配、蒸煮制取的油页岩渣砖等方法，都可以提高油页岩渣砖的抗压和抗折强度，尤其是油页岩渣经过球磨，其制取的砖的强度更有大幅提高，但是，在试验中我们发现，通过以上方法（水泥比例20%）制取的砖的最好抗压强度也不足10MPa，抗折强度不足2.5MPa，仍然不能满足国家标准要求。

为了制取出强度满足国家标准的干馏渣砖，本课题组对干馏渣本身的残留热值进行了实验研究，发现茂名干馏渣热值可以达到2691J/g，也就是说，将干馏渣与煤混合或有其它助燃物的话，这种干馏渣可以燃烧。

为此，本课题组取干馏渣（大约可以制取15块砖的量）分为三组，其中第一组混杂少许煤，将第一组和第二组分别放置于一个支起来的铁制筛子上，铁筛子下面放上点着的木材，直到将干馏渣引燃基本烧尽。表7是以上三组干馏渣经过球磨、过12目筛子，如前一样制取的免蒸免烧干馏渣砖以及免蒸免烧燃烧渣砖的强度比较。

表7 二次燃烧后的干馏渣砖与没有二次燃烧的干馏渣砖的强度比较

从表7中可以看出二次燃烧的干馏渣（加煤）和燃烧渣制取的免蒸免烧砖的抗压强度及抗折强度相差无几，这就说明了干馏渣经过二次充分燃烧后，完全可以等同于燃烧渣一样得到充分利用；二次燃烧的干馏渣砖（不加煤）的抗压强度、抗折强度也有很大提高，可提高60%以上，但是较加煤燃烧后的干馏渣砖的强度低，分析其原因，是因为加煤后一方面干馏渣可以得到更充分的燃烧，其活性激发更充分，另一方面煤燃烧后的灰渣经磨细有更大的强度所致。