干法制粉的煤矸石基陶瓷地铺石试制

摘 要： 邯郸地区煤矸石含有伊利石、石英、长石，经脱碳处理后做陶瓷地铺石试验，添加量可达65-70%；采用两种不同干法生产流程的制粉工艺成功进行了中试，并对比了两种干法生产流程；同时对干法制粉的煤矸石基陶瓷地铺石项目前景展望保持谨慎乐观态度。

关键词：煤矸石；干法制粉；陶瓷地铺石；试验

1 前言

煤矸石是在煤的掘进、开采和洗选过程中排出的碳质、泥质和砂质页岩等的混合物[5]。是具有低发热值的一种大宗固体废弃物。

河北邯郸地区有众多煤矸石山。本公司拟利用煤矸石生产陶瓷地铺石，实现固废的资源化利用。经考察分析，某矸石山的煤矸石主要含有非晶相及伊利石、石英、长石等主晶相，并含部分碳、硫等，杂质相主要有菱铁矿及白云石。经试验，煤矸石经脱碳处理后以干法制粉工艺做陶瓷地铺石，添加量可达65%-70%。

2大宗固废煤矸石概述

大宗固体废弃物（以下简称“大宗固废”）指单一种类年产生量在1亿吨以上的固体废弃物，包括煤矸石、粉煤灰、尾矿、工业副产石膏、冶炼渣、建筑垃圾和农作物秸秆等七个品类，是资源综合利用重点领域[1]。“十三五”期间，累计综合利用各类大宗固废约130亿吨，减少占用土地超过100万亩。目前，大宗固废累计堆存量约600亿吨，年新增堆存量近30亿吨[2]。

全国国有煤矿现有矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上（占中国工业固体废物排放总量的40%以上）。

煤矸石弃置占用大片土地，而且其中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。

目前煤矸石主要被用于生产矸石水泥、混凝土轻骨料、耐火砖等建筑材料，此外还用于回收煤炭，煤与矸石混烧发电，制取结晶氯化铝、水玻璃等化工产品以及提取贵重稀有金属，也可作肥料。

部分陶瓷厂使用少量的煤矸石作为陶瓷原料[3，5]。

3河北邯郸煤矸石简介

3.1邯郸地区的地质

邯郸地区位于河北省南端，面积12000多平方公里。区内地势总体上西高东低，明显呈山地、丘陵、平原三级阶梯逐渐下降的趋势，其间分布着诸多断线盆地。

中部丘陵区主要分布在武安中部、峰峰矿区及永年、磁县中西部。区内盖层断裂与基底断裂连通，成为岩浆活动的主要通道，成矿带主要集中于此。同时，由于差异升降，丘陵区上古生界煤系地层保存较好，成为邯郸地区煤炭主要赋存区。最典型的是峰峰矿区。

由于断层的持续活动，邯郸地区由西向东分布着诸多断陷盆地，如涉县盆地、阳邑盆地、武安盆地、和村盆地等，其中武安盆地规模最大，为典型的地堑型构造盆地。武安盆地在晚第三纪时期西部为夷平地区，洼地内充填着河湖相堆积物，高地遭受着剥蚀，上新世时期形成一较平坦的广阔夷平面。据煤田勘探资料，云驾岭和显德汪地区是两个大的洼地，堆积物厚度达150m以上。涉县盆地、阳邑盆地、和村盆地规模较小，但地貌特征与成因均与武安盆地相似[4]。

3.2邯郸矸石山固废的分布

河北邯郸矿产以煤矿、铁矿、石灰石矿为主。其中煤矿经过多年来的开采已接近枯竭，区域内存在众多的矸石山，如峰峰矿区矸石山、万年矿区矸石山、陶一矸石山、陶二矸石山、阳邑矸石山、云驾岭矸石山、张二庄矸石山、郭二庄矸石山等。

云驾岭矸石山位于邢峰公路西侧，云宁热电厂后边，北洺河南侧，距离西二环较近，距清峰公司约15公里，预估储存量约8000万吨左右，目前煤矸石仍在正常排放。陶二矸石山位于前牛叫村村北，距离清峰公司约35公里，预估储存量约6000万吨左右，分为东西大小两个堆。郭二庄矸石山位于郭二庄村村东，距离清峰公司约30公里，预估储量大约4000万吨左右，目前煤矸石仍在正常排放。张二庄矸石山位于张二庄村南，距离清峰公司约35公里左右，预估计储量大约2000万吨左右，目前煤矸石未排放，该堆场煤矸石内杂物较多。陶一矸石山位于邯武快速路南侧，陶一生活区东侧，距离清峰公司约26公里左右，预估储量大约500万吨左右，目前煤矸石未排放。阳邑矸石山位于普阳钢厂附近，南丛井村东北方向，南丛井旧址，距清峰公司约30公里左右，该堆场为火烧矸，预估储量约400万吨左右。

3.3初步取样的各煤矸石化学成分及高温烧样

各矸石山的煤矸石分别取样粉磨后分析热值，1000℃煅烧后进行化学分析，并进行高温烧样，分别如表1，表2。

3.4某矸石山的化学成分及矿物成分

根据初步取样分析及试烧情况，以陶二煤矸石山为主进行取样分析，共取30个样，每个样取30kg左右，并进行试制。根据30个样品数据，其化学成分范围见表3。

每3-4个样做一个综合样，共8个综合样，其化学成分范围见表4。

1-15号单样混合破碎粉磨取样为07，16-30号单样混合破碎粉磨取样为08。分别测其C，H，S含量和热值，如表5所示。

将07，08做矿物分析，如图1图2及表6所示。图表中07和08为原矸；C07和C08为烧矸，950℃煅烧60min。

4煤矸石脱碳

取邯郸地区某煤矸石平均样做热失重分析和差热分析，从图3和图4中可知，400-900℃，特别是500-800℃，热失重特别明显；放热从加热开始，到620℃左右出现放热峰值，然后到720℃放热开始变得平缓。

对不同粒度煤矸石做不同温度、不同时间焙烧的脱碳正交试验，然后将脱碳煤矸石作为原料，添加量在65%-70%进行陶瓷地铺石试验，结果表明煤矸石在烧失量小于1%时，可正常生产陶瓷地铺石。煤矸石粉磨后脱碳温度降低至900℃左右，可保持煤矸石的小部分塑性，也能节省燃料，降低脱碳成本。

5以脱碳煤矸石为主要原料的干法制粉的陶瓷地铺石试制

将焙烧脱碳后的煤矸石作为主要原料以干法工艺分别按43#配方与57#配方进行造粒，到不同的陶瓷厂进行中试。其中43#配方在试验室手工制粉60kg后在某手工砖窑炉进行中试，57#配方按配比混料300kg，使用小型雷蒙机粉磨，再人工混匀，在烟台鸿科新材料有限公司进行干法造粒，再到某陶瓷厂压砖中试。

配方等主要生产工艺参数如表7、表8所示。经自检冻融+5℃/-5℃共20次合格。

6干法制粉的工艺流程

43#配方与57#配方采取了不同的干法制粉工艺流程。具体情况如下：

43#配方试验干法制粉约60kg，其工艺流程A如下： （1）原料准备：塑性料全部晒干或烘干备用；煤矸石焙烧脱碳，烧失量0.8，备用。

（2）原料制备：各类原料在5kg球磨机里单独干磨，球磨1h后测细度，250目筛余小于15%，原料出球磨后过60目筛备用。

（3）配料：根据配方配400g料。

（4）混料：将配方料放入快速球磨罐干磨6min，细度为250目筛余1.2g/100g，倒出配方料。

（5）干法造粒：将配方料5kg放入制粉搅拌罐搅拌30min，倒出配方料清理搅拌罐后准备制粉；加入少量料粉，开动搅拌罐喷水制作粉料，粉料成球后倒出；将粉料过16筛及80目筛，贮存备用。

（6）粉料性能：

水分：成球水分控制在9%-12%，经陈腐后粉料最终水分为7.8%。

颗粒级配：20目筛上：2.43%，40目筛上：44.03%，60目筛上：20.72%，80目筛上：15.87%，80目筛下：16.5%。

该颗粒级配基本能保证60目筛上大于60%，因为是手工筛分，细粉并未筛除完全，细粉稍微偏多。粉饼干燥强度1.5MPa。

57#配方试验干法制粉300公斤，其工艺流程B如下：

（1）原料准备：塑性料全部晒干或烘干备用；煤矸石焙烧脱碳，烧失量0.8%，备用；

（2）配料混料：根据配方配300kg原料，并人工混匀；

（3）粉磨过筛：将配料投料到雷蒙机粉磨，粉磨细度控制250目筛余在1.2%-1.5%；过80目振动筛；

（4）混料：将磨好的干粉人工混料多次，再过80目筛后备用；

（5）干法造粒：将280kg的干粉送至烟台鸿科新材料有限公司的干法造粒机造粒；

（6）粉料性能： 造粒水份13%-15%，100目下细粉15%左右，颗粒整体外观均匀，硬度适中；经干燥陈腐后粉料水分在9%-9.5%。粉饼干燥强度1.4-2.0MPa；

（7）粉料均混：将粉料倒入无球石的球磨机混合1h。

在试验过程中，经过多次对比发现，干法制粉工艺流程A比工艺流程B混料更加均匀。但干法制粉也面临几个问题：

（1）干法制粉的粉料细粉偏多，会导致压机压制次数减少甚至砖坯分层；

（2）二次细粉重新造粒比较困难，需单独处理单独造粒。

7对干法制粉的煤矸石基陶瓷地铺石的展望

大宗固废资源化利用是国家产业政策的方向，利用煤矸石固废生产陶瓷是陶瓷行业积极响应国家政策的一项举措。采取合适的工艺对煤矸石脱碳，可使煤矸石应用范围更广，对陶瓷生产而言，使用量会更大。采用干法制粉工艺，煤矸石添加量65%-70%，这两项对陶瓷行业来讲，是双重考验，必须解决以下问题才是项目成功的必要条件：

（1）选择合适的煤矸石脱碳工艺和选用合适的煤矸石脱碳设备，解决脱碳生产成本高和投资成本高的问题，同时也要满足脱碳煤矸石的陶瓷生产工艺指标要求；

（2）高度重视原材料的均化，特别是煤矸石的均化，满足原料的稳定性要求，为稳定生产创造条件；

（3）选择合适的干法工艺流程，解决干粉不同原料分散均匀性难题；

（4）选择合适的干法造粒设备，减少细粉。

陶瓷干法生产工艺有两大难题，分散均匀性和造粒。与传统湿法的固水分散体系相比，干法的固固分散体系分散均匀更难，必须选择合适的工艺流程及合适的混料分散设备，达到微米级的分散均匀。选择合适的造粒设备，既要满足粉料的细粉少，100目筛下细粉最好能达到5%以下，也要满足二次细粉少，二次细粉最好能达到20%以下；并且二次细粉需单独处理，单独重新造粒。

解决好上述问题，干法制粉生产煤矸石基陶瓷地铺石项目必定有所突破，为顺利生产提供保证。

参考文献

[1]国家发展改革委有关负责同志就《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》答记者问，环资司，2021，3，24

[2]关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见，发改环资〔2021〕381号

[3] 国家发展改革委新闻发布会，介绍生态文明建设有关工作情况，文字实录，刘德春，2022，9，22

[4] 闫纯有，邯郸地区地貌与构造，[J]，2000（17）4：63-65.

[5]煤矸石，360百科。