CN104876625B - 一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法，采用的原料组分及各组分以干基重计算的重量百分含量为：粘土性含铁尾矿 40~48%，煤系高岭土或煤矸石40~48%，脱水污泥 8~15%；其制备工艺流程为：混料→造球→干燥→预热→焙烧→冷却，预热温度500~600℃、焙烧温度1250~1350℃、升温速率10~15℃/min的最佳配方和工艺条件下，烧制出堆积密度为390kg/m3、筒压强度为1.2MPa、吸水率为3.8%的全固废超轻陶粒，达到GB/T 17431.1‑2010要求，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的大宗利用开辟一条新的途径，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用领域，具体涉及一种利用粘土性含铁尾矿等固体废物制备轻质陶粒的方法，制备出超轻陶粒可用于保温隔热混凝土及其制品，还可在于园艺、食品饮料、化工、石油等领域应用。
背景技术
尾矿、煤矸石和脱水污泥作为固体废弃物，它们的大量堆存会带来经济、环境和安全等诸多方面的问题，例如占用大面积土地、污染环境、造成潜在的安全隐患等。如何大宗利用尾矿、煤矸石和脱水污泥等固体废弃物，达到减量化、无害化和资源化的目的，成为国内外研究热点和难点。
传统的陶粒原料主要是粘土和页岩等天然矿产资源，但是，大量利用它们来生产陶粒会破坏耕地和生态环境。随着对环保重视程度的不断提高，近年来国家开始逐步禁止生产和使用纯天然粘土类制品，鼓励利用固体废弃物来部分或全部代替粘土和页岩等天然矿产资源。目前，对于陶粒的研制，大都集中在如何利用各种固体废弃物，主要有河道淤泥、海泥、粉煤灰、煤矸石等，利用尾矿来制备陶粒的研究屈指可数，而且往往需要加入其它矿物原料，利用尾矿制备全固废超轻陶粒未见报道。
中国专利申请201210314981.8公布了一种利用低硅铁尾矿制备多孔陶粒及其制备方法，所述陶粒的制备原料按重量配比包括75~90份低硅铁尾矿粉或与其份量相当低硅铁尾矿浆、5~20份造孔剂和1~8份粘土，所述低硅铁尾矿粉或低硅铁尾矿浆中SiO2重量含量低于40%。该方法称取铁尾矿、造孔剂和粘土粉混合后，造粒成生球；生球干燥后，在1100~1180℃条件下焙烧40~60min，得到烧成铁尾矿陶粒。本发明可分别制备出符合建筑应用和水处理应用的多孔陶粒，但制备出的陶粒密度仍比较大，达不到超轻陶粒的密度要求，而且该专利仍然需要粘土性物料，生产成本高。
陶粒行业中将密度300~500 kg/m3的陶粒称为超轻陶粒，而密度＞500kg/m3的陶粒为一般密度陶粒。超轻陶粒对原料配方要求很苛刻，故一般只是用固体废弃物部分代替粘土或页岩，或者固体废弃物加入煤炭、水玻璃等非固废原料来制备超轻陶粒，全固废超轻陶粒较少，目前尚未发现利用尾矿制备全固废超轻陶粒的相关报道。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述问题，而提供一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法，该方法利用粘土性含铁尾矿、煤系高岭土和城镇污水处理厂脱水污泥为原料制备超轻陶粒，原料全部为固体废物、生产成本低、产品的密度符合超轻陶粒要求，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的大宗利用开辟一条新的途径。
为实现本发明的上述目的，本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用以下技术方案：
本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法，采用的原料组分及各组分以干基重计算的重量百分含量为：
（1）粘土性含铁尾矿 40~48%；
（2）煤系高岭土或煤矸石40~48%；
（3）脱水污泥 8~15%；
采用的原料组分及各组分以干基重量的百分含量优选为：
（1）粘土性含铁尾矿 42~46%；
（2）煤系高岭土或煤矸石42~46%；
（3）脱水污泥 10~13%；
所述的粘土性含铁尾矿中：SiO2含量25.0~35.0%，Al2O3含量4.0~9.0%，Fe2O3含量12.0~28.0%，（CaO + MgO）含量12.0~18.0%，（K2O + Na2O）含量0.8~2.0%，烧损14.0~18.0%。
原料中各组分的含水率<5%，各组分中粒度达到0.08mm方孔筛筛余量<5%。
所述的脱水污泥采用城镇污水处理厂脱水污泥。
其制备工艺流程为：混料→造球→干燥→预热→焙烧→冷却。在检测各原料化学成分的基础上，根据超轻陶粒原料化学成分理论范围，初步拟定各原料的变化范围，然后采用均匀设计法来确定最佳配方；通过单因素试验初步确定预热温度、升温速率和焙烧温度为影响陶粒性能的主要因素，设计三因素三水平正交试验，确定最佳工艺参数。
在原料选择时，超轻陶粒是原料在高温下软化、充分膨胀所得，其内部具有蜂窝状微孔，孔隙率很高。原料能够充分膨胀，其化学成分、矿物组成和物理性质必须满足一定的理论条件。因此，首先检测尾矿的化学成分和矿物组成等性质，然后与理论值进行对比，根据“缺啥补啥”和消纳固废的原则，确定煤矸石系高岭土和城镇污水处理厂脱水污泥为辅助原料。测定各原料的含水率和粒度，必要时进行晾晒、破碎、磨细等预处理，以利于原料成球。
经过大量试验研究，本法一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用的工艺流程及参数为：
（1）混料：按各组分重量配比进行配料、混合，加水后进行搅拌，加水后的含水率为16~19%；
（2）造球：造球机出料粒度控制在15~20mm；
（3）干燥：首先在55~75℃干燥1.5~2.5 h，然后在100~120℃干燥约1.5~2.5h；
（4）预热：预热温度为500~600℃，预热时间15~30min。
（5）焙烧：焙烧温度为1250~1350℃，预热升温速率10~15℃/min
（6）冷却：①将高温炉门打开，自然冷却至650~750℃，②关闭炉门程序控制炉温以8~12℃/min速度下降至380~420℃，③再打开炉门自然冷却至室温。
陶粒检测。依据GB/T 17431.2-2010中的相关测试方法，检测陶粒制品的堆积密度、吸水率和筒压强度等性能指标，并将所测得的各项性能指标值与GB/T 17431.1-2010中对应的标准值进行对比，看是否达到要求；由于本发明所用原料均为固体废弃物，因此依据GB 5085.3-2007对陶粒制品的浸出毒性进行检测，看是否达到要求。
本发明采用以上工艺方案后，具有以下优点：
（1）全部以固体废物为原料制备超轻陶粒，为尾矿、煤矸石和脱水污泥的大宗利用开辟一条新的途径，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益；
（2）制备出的超轻陶粒产品性能优异，各项性能指标值达到了GB/T 17431.1-2010的要求；
（3）生产工艺简单，生产成本低，产品的性价比高、市场竞争力强。
附图说明
图1为本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用的技术路线图；
图2为本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法的工艺流程图；
图3为一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法预热至冷却阶段温度变化示意图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例，对本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法做详细说明。
表1为本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用的原料化学成分表。
表1 采用的原料化学成分表（%）
由图1所示的本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用的技术路线图并结合图2看出，本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法采用的工艺及参数为：
（1）原料选择
烧制超轻陶粒时，原料的化学成分范围一般为：SiO248~65%，Al2O314~20%，Fe2O32~9%，CaO+MgO3~8%，Na2O+K2O1~5%，烧失量4~13%；原料的矿物组成应以伊利石、水云母、蒙脱石、绿泥石、沸石等粘土矿物为主，总含量大于40％；粒度一般为0.08mm方孔筛筛余小于5%。
由表1可知，该尾矿SiO2和Al2O3偏低，会影响陶粒的强度，Fe2O3和CaO偏高，会缩小陶粒的软化温度范围，不利于陶粒烧胀。而煤矸石的的化学成分和超轻陶粒原料的理论值很接近，故加入后改善原料的化学成分，有利于充分烧胀，而且其中的C在高温燃烧后可形成封闭孔，具有造孔剂作用，另外C在高温下还可以还原Fe2O3产生CO，起到发气作用。脱水污泥中的有机质含量非常高（近50%），加入少量，就可以很明显地提高陶粒原料的烧失量，如果同时在高温下能够产生适宜粘度的液相，就可以烧制出超轻陶粒。综上所述，选用尾矿、煤矸石煤系高岭土、脱水污泥为原料来制备全固废超轻陶粒。
（2）原料预处理。测定各原料的含水率和粒度，必要时进行晾晒、破碎、磨细等预处理，使原料含水率小于5%，粒度达到0.08mm方孔筛筛余小于5%。
（3）配料及混料。利用均匀设计法进行配方试验，得到最佳配方为尾矿：煤矸石或煤系高岭土：脱水污泥=8:8:1，即尾矿掺量44.4%，煤矸石或煤系高岭土掺量44.4%，脱水污泥掺量11.1%。按比例准确称量各原料，用搅拌机搅拌5min；加水（16~19%为宜）后再搅拌5min。
（4）造球。将搅拌均匀的原料加入造球机进行造球。陶粒的粒度一般在20~25mm，考虑到料球在高温条件下的膨胀性，造球机出料粒度应控制在15~20mm为宜。
（5）干燥。为确保料球在后续的预热和焙烧阶段不开裂，必须将造球时加入的水分充分蒸发掉，干燥后料球应保持表面无明显裂纹。由于料球含水率较高，如果直接在110℃干燥，料球内部水分剧烈蒸发，大量的水蒸气会导致料球开裂。因此，料球应首先在60℃干燥约2h，然后在110℃干燥约2h。
（6）预热。预热阶段中，温度急剧变化会引起料球炸裂，而导致最终烧制的陶粒各项性能下降；其次是控制料球在焙烧阶段产生的气体量，因为在预热生料阶段，料球中的有机质和碳酸盐就已开始分解挥发产生气体，那么经过预热后，料球在焙烧阶段产生的气体量就会减少；再次就是为生料表层的软化做准备。经试验确定，本发明预热温度为550℃，预热时间20min。
（7）焙烧。焙烧阶段是整个陶粒焙烧过程中最关键的一步，它将直接影响到陶粒制品的各项性能，如果控制不当，会造成气体压力太大而溢出料球外壳形成开口气孔，导致所烧制的陶粒强度低、吸水率高等缺点，如果焙烧温度未达到最佳焙烧温度，陶粒制品的膨胀倍数就会下降，表现密度变大。经试验确定，本发明焙烧温度为1300℃，预热时间10min，升温速率12℃/min。
（8）冷却。待陶粒完成膨胀后将高温炉门打开(不加热)，使其自然冷却至700℃；从700℃到400℃时，关闭炉门程序控制炉温以10℃/min速度下降，因为迅速降温，使陶粒内部和表面产生强大的温度收缩应力，导致其表面出现网状的微细裂缝，使陶粒的颗粒强度降低；400℃至室温自然冷却。
由图3所示的本发明一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法预热至冷却阶段温度变化示意图看出，本发明预热温度为550℃，预热时间20min；本发明焙烧温度为1300℃，预热时间10min，升温速率12℃/min；本发明的冷却分为3个阶段进行：先打开炉门自然冷却至700℃，然后关闭炉门程序控制炉温以10℃/min速度下降至400℃，最后再打开炉门自然冷却至室温。
综上所述，利用尾矿、煤矸石或煤系高岭土、脱水污泥可以烧制出超轻陶粒。烧制超轻陶粒的最佳配方为：粘土性含铁尾矿掺量44.4%，煤矸石系高岭土掺量44.4%，脱水污泥掺量11.1%；最佳工艺条件为：预热温度550℃，焙烧温度1300℃，升温速率12℃/min。在以上最佳配方和工艺条件下，利用尾矿、煤矸石或煤系高岭土和脱水污泥可以烧制出堆积密度为390kg/m3、筒压强度为1.2MPa、吸水率为3.8%的全固废超轻陶粒，达到GB/T 17431.1-2010要求；浸出毒性检测表明，陶粒制品Zn、Cu、Pb浸出浓度分别为0.1575mg/L、0.0058mg/L、0.07316mg/L，而Ni、Cd、Cr、Hg、As未检出，符合GB 5085.3-2007要求。
本发明还进行了大量的实验室研究和产品性能测定，所述的煤矸石中SiO2含量43.0~45.0%、Al2O3含量38.0~41.0%、Fe2O3含量≤1.5%、（K2O + Na2O）含量≤0.5%、烧损控制在12.0~15.0%为好；所述的城镇污水处理厂脱水污泥中，（SiO2+ Al2O3）含量35.0~39.0%、（CaO + MgO）含量2.5~3.5%、K2O + Na2O）含量≤2.0、烧损控制在46.0~50.0%范围为宜。
Claims (2)
1.一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法，其特征在于采用的原料组分及各组分以干基重计算的重量百分含量为：
（1）粘土性含铁尾矿 40~48%；
（2）煤矸石40~48%；
（3）脱水污泥 8~15%；
原料中各组分的含水率<5%，各组分中粒度达到0.08mm方孔筛筛余量<5%；
所述的粘土性含铁尾矿中：SiO2含量25.0~35.0%，Al2O3含量4.0~9.0%，Fe2O3含量12.0~28.0%，（CaO + MgO）含量12.0~18.0%，（K2O + Na2O）含量1.0~3.0%，烧损14.0~18.0%；
所述的煤矸石中SiO2含量43.0~45.0%、Al2O3含量38.0~41.0%、Fe2O3含量≤1.5%、（K2O +Na2O）含量≤0.5%、烧损控制在12.0~15.0%范围；
所述的脱水污泥为城镇污水处理厂脱水污泥，（SiO2+ Al2O3）含量35.0~39.0%、（CaO +MgO）含量2.5~3.5%、（K2O + Na2O）含量≤2.0、烧损控制在46.0~50.0%范围；
其制备工艺流程为：混料→造球→干燥→预热→焙烧→冷却；各工艺流程采用的参数为：
（1）混料：按各组分重量配比进行配料、混合，加水后进行搅拌，加水后的含水率为16~19%；
（2）造球：造球机出料粒度控制在15~20mm；
（3）干燥：首先在55~75℃干燥1.5~2.5 h，然后在100~120℃干燥1.5~2.5h；
（4）预热：预热温度为500~600℃，预热时间15~30min；
（5）焙烧：焙烧温度为1300~1350℃，预热升温速率10~15℃/min；
（6）冷却：①将高温炉门打开，自然冷却至650~750℃，②关闭炉门程序控制炉温以8~12℃/min速度下降至380~420℃，③再打开炉门自然冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种利用粘土性含铁尾矿制备超轻陶粒的方法，其特征在于采用的原料组分及各组分以干基重计算的重量百分含量为：
（1）粘土性含铁尾矿42~46%；
（2）煤矸石42~46%；
（3）脱水污泥 10~13%。
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