CN106915938A - 一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和方法，并利用该基体材料生产超高水充填材料的方法工艺，利用煤矸石等硅铝铁基固废和脱硫石膏等硫酸钙基固废作为原材料，根据需要对上述原材料分别经过原料粉磨、均化、烧成、熟料粉磨等工艺，可制得基体材料。以此基体材料作为核心材料，以特定的添加剂为辅料，经一定的施工工艺，可制成含水率最高达97％的超高水充填材料用于煤矿等采空区的回填。本发明工艺实现了多种大宗工业固废的互补利用，生产的超高水充填材料具有较高的性价比，既替代了优质矿产资源，又大幅度提高大宗工业固废再生产品的附加值。

Description

一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和 方法

技术领域

本发明专利涉及固体废弃物资源化利用和环境保护领域，具体涉及一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和方法。

背景技术

随着我国工业化进程的不断快速推进，采矿、冶金、电力、化工等行业大量的固体废弃物已经占用了越来越多的珍贵土地资源，并对环境造成了巨大的污染，“十三五”规划将煤矸石、尾矿、冶炼渣、赤泥、副产石膏、粉煤灰列为主要关注的固废处理对象。

煤矿等采空区的回填技术发展一直以来都相对滞后，降低了采矿的效率，增加了采矿的成本，对社会和环境造成了降低的安全隐患。超高水充填材料以其较低的成本和施工的便捷性越来越引起关注。

高水充填材料必须具备良好的性能，才能用于采空区充填置换开采，具体来说应该具备以下基本性能：

1、强度，煤层等开采后留下采空区，若不充填任何物质，地压则会显现，出现突水和地面塌陷。充填材料必须具有适当的抗压强度和抗变形能力才可控制和适应围岩变形。一般来讲，充填材料固化后若能达到煤的自身强度，则能较好地堵水和抵抗地层压力，不同煤种的抗压强度不同，一般在2MPa左右，因此，固化后的充填材料的抗压强度应超过2MPa。为了保证充填材料的强度，通常在配方中加入粉煤灰和水泥，粉煤灰有一定的水硬性，与水泥配合，可以提高高水充填材料的强度。

2、输送能力，好的充填材料必须使用方便，采煤工作面都在井下几百米，充填材料必须具有良好的流动能力，才能满足长距离输送要求。更好的是，不采用外加设备，利用材料自身重力自流输送。

3、合适的固化特性，主要是指材料的初凝时间和终凝时间。在操作时，输送过程是在充填材料初凝前完成的，这就要求充填材料具有较长的初凝时间。

4、较低的成本，与采煤成本相比，应具有明显的优势，这样充填开采在经济上才是可行的。

5、较高的安全性和稳定性。

以上的五种基本性能是传统制备高水充填材料需要考虑的问题，但是随着煤矿等资源开采的深入，这几种基本性能已经不能满足实际的需求。如，高水充填材料凝固体暴露在空气中受风化作用，也会严重影响其支撑强度。

此外，现有的高水充填材料的主要原料为粉煤灰、水泥、生石灰、石膏、发泡剂和水等，各种成分都需要较高的成本，所以，高水充填材料的充填开采难以取得可观的经济效益。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和方法。该方法将工业固废处理与生产超高水充填材料完美结合，不但处理了大量堆积的工业固废，降低了超高水充填材料的生产成本，而且制备得到的高水充填材料凝固后具有后期强度高、抗侵蚀性强以及抗渗性好，更能适应现在开采回填的要求。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统，包括破碎机、烘干器、粉磨机、均化设备、回转窑以及配料装置，煤矸石和铁尾矿经所述破碎机破碎后，输送进入烘干器进行烘干，将脱硫石膏、铝灰和电石渣输送至烘干器进行烘干；将烘干得到的物料按设定比例混合后在粉磨机中粉磨，然后输送至均化设备中均化后，输送至回转窑煅烧，得到基体材料；将基体材料、添加剂和水在配料装置中按一定比例混合，制得超高水充填材料。

该系统利用了脱硫石膏、铝灰、电石渣、铁尾矿和煤矸石等工业固废生产高水充填材料，替代了大量优质矿产资源的使用，同时避免了固体废弃物对土地资源的占用和污染，实现了大宗工业固体废弃物的资源化综合利用。

该系统的设置，使各个组分经粉磨、均化、煅烧后即可得到基体材料，无需再向基体材料中加入缓凝剂，即可实现高水充填材料的制备，不但节约了生产工序，还降低了资源的利用。

优选的，所述回转窑的烟气出口连接有余热回收设备，回转窑中排放的烟气对余热回收设备中的水加热，得到的高温蒸汽通入所述烘干器中作为加热介质。

余热回收设备的利用可以回收烟气中含有的大量的热量，避免了热量的浪费，同时对物料进行加热烘干，实现了余热利用，降低了能耗。

一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的方法，包括如下步骤：

1)将煤矸石粉和铁尾矿碎后烘干，并将脱硫石膏、铝灰和电石渣烘干；

2)将各种烘干后的物料按设定比例混合后，粉磨、均化；

3)将粉磨、均化后的物料输送进入回转窑中煅烧，煅烧温度为1250-1300℃，煅烧时间为60-80min，得到基体材料；

4)将基体材料与速凝剂、分散剂、膨胀剂和水配制成高水充填材料；

其中，脱硫石膏、铝灰、电石渣、煤矸石和铁尾矿的质量比为：13-20:15-20:30-35:20-25：8-15。

该方法中利用了铁尾矿、煤矸石、脱硫石膏、铝灰和电石渣等工业固废代替优质矿产资源，来制备高水充填材料，避免了固体废弃物对土地资源的占用和污染，实现了大宗工业固体废弃物的资源化综合利用，大大降低了高水充填材料制备的成本，提高了煤矿等矿产开采的经济效益。

当脱硫石膏、铝灰、电石渣、煤矸石和铁尾矿的质量比为：13-20:15-20:30-35:20-25：8-15，煅烧温度为1250-1300℃，煅烧时间为60-80min时，制备的基体材料的主要化学组成如表1所示：

表1基体材料的主要化学组成

化学成分			CaO
						含量％	4～12	32～39	34～44	8～16	10～12.5

经过试验验证，基体材料中的含铁量较大，所制备的前躯体材料含有更多的铁铝酸盐矿物(如铁铝酸钙)，水化后生成水化铁铝酸钙，水化铁铝酸钙具有致密结构，不与大气中的硫酸根、碳酸根等腐蚀性离子产生化学反应，而且空隙率非常低，可以阻滞其他分子或离子侵入，可以避免空气对水化产物的侵害，还可以降低空气对高水充填材料中结晶水的影响，因此该基体材料制备的高水充填材料的抗侵蚀性较强，尤其具有较强的抗风化性能。

此外，该基体材料制备的高水充填材料具有较好的抗渗性能，更适合海洋等水下施工。

该基体材料中无需加入水泥，其抗压强度在2小时内即可达到2-3MPa，具有足够的支撑强度，后期强度高。

优选的，步骤3)中，所述基体材料的主要化学组成为：SiO₂ 4～12％，Al₂O₃ 32～39％，CaO 34～44％，SO₃ 8～16％，Fe₂O₃ 10～12.5％。

优选的，步骤3)中，所述基体材料以硫铝酸钙(3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄)和硅酸二钙(2CaO·SiO₂)为主要矿物物相，所占比例分别为30～50％和35～55％。

优选的，步骤4)中，加入的速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料的质量百分数为0.1-1％、0.5-2％和0.5-2％，加入的水的质量为高水充填材料总质量的95-97％。

速凝剂主要成分为铝氧熟料、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料，经磨细而制成，是掺入混凝土中能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂，该速凝剂可以加快高水充填材料的终凝速度，使高水充填材料充填完毕后，能在较短的时间内凝固，提供足够的支撑强度。

分散剂是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂，是促使物料颗粒均匀分散于介质中，形成稳定悬浮体的药剂。

膨胀剂可以通过理化反应引起体积膨胀，加在高水充填材料中，当高水充填材料凝结硬化时，随之体积膨胀，起充分填充水泥间隙的作用，可以提高高水充填材料的充填效果。

优选的，步骤3)中，还包括利用回转窑中排放的高温烟气对水进行加热获取高温蒸汽，并将高温蒸汽对物料进行加热烘干的步骤。

上述方法制备得到的基体材料。

一种高水充填材料，由以下组分组成：所述基体材料1-3重量份，水95-97重量份，速凝剂，分散剂和膨胀剂，速凝剂、分散剂和膨胀剂的质量分别为基体材料质量的0.1-1％、0.5-2％和0.5-2％。

本发明的有益效果为：

1)该方法将工业固废处理与生产超高水充填材料完美结合，不但处理了大量堆积的工业固废，降低了超高水充填材料的生产成本，而且制备得到的高水充填材料凝固后具有后期强度高、抗风化性强(可以长期起到回填支护作用)以及抗渗性好，更能适应现在开采回填的要求。

2)由于煅烧硫铝酸盐水泥熟料所需温度为1250～1300℃之间，低于煅烧硅酸盐水泥的温度100-200℃，在回转窑的尾部加装余热回收利用设备，对进入窑的生料进行烘干，较大幅度的减少能源的使用量，从而能在根本上实现节能降耗。

3)超高水充填材料在降低矿区采空区回填技术滞后的今天可以最大的发挥其生产配制工艺简捷、施工易操作的特点，从而降低生产成本，并提高采矿业生产效率和安全性，降低社会和环境压力。

附图说明

图1为本发明的方法工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，将铝灰、电石渣、脱硫石膏、铁尾矿进行烘干至含水率不大于5％。将煤矸石和铁尾矿进行粉碎，与铝灰、电石渣、脱硫石膏进行配料，以固体物质计，铁尾矿占8重量份，煤矸石占22.55重量份，脱硫石膏占19.05重量份，电石渣占35重量份，铝灰占20重量份。物料配合后进行粉磨均化，粉磨后直接输送入回转窑中煅烧，烧成温度为1250℃，煅烧时间为70分钟。烧成后的熟料主要物相为硫铝酸钙和硅酸二钙。取上述基体材料，加入基体材料质量0.5％的速凝剂、1％的膨胀剂、1％的分散剂，另取97份水，每份水的质量与上述基体材料的质量相同，充分混合制备超高水充填材料。

实施例2

将铝灰、电石渣、脱硫石膏、铁尾矿进行烘干至含水率不大于5％。将煤矸石和铁尾矿进行粉碎，与铝灰、电石渣、脱硫石膏进行配料，以固体物质计，铁尾矿占10重量份，煤矸石为20重量份，脱硫石膏为13重量份，电石渣为30重量份，铝灰占15重量份。物料配合后进行粉磨均化，粉磨后直接输送入回转窑中煅烧，煅烧温度为1300℃，煅烧时间为80分钟。取上述基体材料，加入基体材料质量1％的速凝剂、1.5％的膨胀剂，0.5％的分散剂，另取96份水，每2份水的质量与上述基体材料的质量相同，充分混合制备超高水充填材料。

实施例3

将铝灰、电石渣、脱硫石膏进行烘干至含水率不大于5％。将煤矸石和铁尾矿进行粉碎，与铝灰、电石渣、脱硫石膏进行配料，以固体物质计，铁尾矿占15重量份，煤矸石为25重量份，脱硫石膏为18重量份，电石渣为33重量份，铝灰占17重量份。物料配合后进行粉磨均化，粉磨后直接输送入回转窑中煅烧，煅烧温度为1270℃，煅烧时间为75分钟。取上述基体材料，加入基体材料质量0.7％的速凝剂、1％的膨胀剂，1.5％的分散剂，另取96.5份水，每2份水的质量与上述基体材料的质量相同，充分混合制备超高水充填材料。

实施例1-3制备的超高水充填材料的各项性能如表1所示：

表1

抗侵蚀试验：

将每个实施例1-3制备的高水充填材料分为两组进行试验：一组置于养护箱内进行养护，作为试验组，实施例1-3分别对应试验组一、试验组二和试验组三；一组置于室内空气中让其自然风化，作为对照组，实施例1-3分别对应对照组一、对照组二和对照组三。试验时，对正常养护块和受风化块进行不同龄期的抗压强度测量，结果如表2所示。

表2

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统，其特征在于：包括破碎机、烘干器、粉磨机、均化设备、回转窑以及配料装置，煤矸石和铁尾矿经所述破碎机破碎后，输送进入烘干器进行烘干，将脱硫石膏、铝灰和电石渣输送至烘干器进行烘干；将烘干得到的物料按设定比例混合后在粉磨机中粉磨，然后输送至均化设备中均化后，输送至回转窑煅烧，得到基体材料；将基体材料、添加剂和水在配料装置中按一定比例混合，制得超高水充填材料。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述回转窑的烟气出口连接有余热回收设备，回转窑中排放的烟气对余热回收设备中的水加热，得到的高温蒸汽通入所述烘干器中作为加热介质。

3.一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将煤矸石粉和铁尾矿碎后烘干，并将脱硫石膏、铝灰和电石渣烘干；

2)将各种烘干后的物料按设定比例混合后，粉磨、均化；

3)将粉磨、均化后的物料输送进入回转窑中煅烧，煅烧温度为1250-1300℃，煅烧时间为60-80min，得到基体材料；

4)将基体材料与速凝剂、分散剂、膨胀剂和水配制成高水充填材料；

其中，脱硫石膏、铝灰、电石渣、煤矸石和铁尾矿的质量比为：13-20:15-20:30-35:20-25：8-15。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3)中，煅烧温度为1250-1300℃，煅烧时间为60-80min。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述基体材料的主要化学组成为：SiO₂ 4～12％，Al₂O₃ 32～39％，CaO 34～44％，SO₃ 8～16％，Fe₂O₃ 10～12.5％。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述基体材料以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物物相，所占比例分别为30～50％和35～55％。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤4)中，加入的速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料的质量百分数为0.1-1％、0.5-2％和0.5-2％，加入的水的质量为高水充填材料总质量的95-97％。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤3)中，还包括利用回转窑中排放的高温烟气对水进行加热获取高温蒸汽，并将高温蒸汽对物料进行加热烘干的步骤。

9.权利要求1-8任一所述方法制备得到的基体材料。

10.一种高水充填材料，其特征在于：由以下组分组成：权利要求9所述基体材料1-3重量份，水95-97重量份，速凝剂，分散剂和膨胀剂，速凝剂、分散剂和膨胀剂的质量分别为基体材料质量的0.1-1％、0.5-2％和0.5-2％。