CN113526894B - 一种强化煤矸石烧结脱炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括：(1)将煤矸石破碎至预定细度；(2)将破碎后的煤矸石和水按照设定比例充分混匀；(3)将混合料制成预定粒度的小球；(4)将制粒小球在带式抽风烧结机中布料、点火、抽风烧结和冷却，完成烧结脱炭，以提高煤矸石活性；(5)将烧结料破碎并细磨，得到设定粒度、比表面积的煤矸石活性混合材。本发明针对煤矸石超高料层无燃料烧结过程中，热量不足，导致煤矸石脱炭反应的动力学和热力学条件较差，将常规烧结时抽入的冷风替换为热风，确保脱炭反应能够充分进行，提高其活性。本发明提出的利用带式烧结法处理煤矸石，首次提出通过热风循环烧结和加压烧结的联合强化煤矸石烧结脱炭。
Description
技术领域
本发明属于固废综合利用技术领域，具体涉及一种强化煤矸石烧结脱炭的方法。
背景技术
煤矸石是在成煤过程中与煤伴生的一种比煤含碳量低、硬度高的黑灰色岩石，其热值低，主要含有Al2O3、SiO2和Fe2O3等无机灰分，利用十分困难。此外，煤矸石产量巨大，据统计，我国煤矸石年产量超过5亿吨，目前堆存的煤矸石超过50亿吨。煤矸石的大量堆放带来了非常严重的社会、环境和经济问题。大量土地的占用，且有毒有害元素也会对水、土壤等生态环境造成重危害。因此，煤矸石亟需得到有效的综合利用。
利用煤矸石作为建筑材料(比如水泥混合材)，是煤矸石实现大宗消纳和应用的有效手段。若将煤矸石制备水泥混合材等建筑材料，必须借助适宜的方法，增加其活性，减少煤矸石残炭等有机质。目前，主要通过火法方法进行脱除炭，提高其活性。
中国专利CN1236748A公开了一种煅烧煤矸石制取活性水泥混合材的方法，该方法中煤矸石在简易窑内，氧化气氛下，煅烧温度控制在850～1150℃的条件下，可制备成活性水泥混合材，该工艺虽然简单，但是回转窑存在结圈、能耗高和环境污染不易控制等一系列问题。
中国专利CN102351446A公开了一种煤矸石活性混合材制备方法，将天然煤矸石破碎至10mm以下，放入微波炉中，辐照8～12min时间后，用球磨机粉磨15～30min，即可获得活性混合材。该方法虽然简单可行，成本低且制备的活性混合材质量高，但是活化效果较差，微波炉大型化和工业化难度极大，成本巨大，因此并不能大规模的处理巨量的煤矸石。
中国专利CN110078401B公开了一种煤矸石带式烧结制备活性混合材的工艺。该方法中采用烧结机处理煤矸石，然后经过细磨，即可获得活性混合材。但是该方法烧结过程由于料层厚度较低(料层高度700～1000mm)，不能有效蓄热，需要添加4％～7％的炭质固体燃料，不但提高的生产成本，且炭质燃料燃烧过程增加了SO2、NOX和CO2的排放，势必提高废气的处理成本。
针对上述难题，有必要提出一种强化煤矸石烧结脱炭的方法。
发明内容
针对现有技术中高能耗、处理成本高、煤矸石活性效果较差的技术问题，本发明的目的在于提供一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，旨在通过超高料层蓄热能力、加压烧结和热风循环烧结等强化措施，降低处理能耗和成本，提高煤矸石的脱炭效率和活性，使得本发明工艺更具竞争力。
为了实现上述技术目的，本发明提供以下技术方案：
一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石破碎至预定细度；
(2)将破碎后的煤矸石和水按照设定比例充分混匀，得到混合料；
(3)将步骤(2)所得混合料制成预定粒度的小球；
(4)将步骤(3)所得制粒小球在带式抽风烧结机中布料、点火、抽风烧结和冷却，完成烧结脱炭，以提高煤矸石活性；
在烧结布料过程，控制料层高度为1000～2000mm；
在烧结料面施加外加力场，均匀施加2000～4000N/m2的外加力场，在烧结机的倒数第二个风箱前撤除压辊；
(5)将步骤(4)所得烧结料破碎并细磨，得到设定粒度、比表面积的煤矸石活性混合材。
上述的方法，优选的，所述煤矸石的固定碳含量为2％～5％，煤矸石为页岩型煤矸石。
上述的方法，优选的，步骤(1)中，利用颚式破碎机将煤矸石破碎至-6.3mm，破碎粒度-6.3mm占70％～90％，-0.25mm占10％～30％。
上述的方法，优选的，步骤(2)中，利用强力混合机进行混匀，混合机转速为800～1000rpm，混合时间为6～9min，混合水分为5％～6％，所得制粒小球的含水量控制7％～7.5％。
上述的方法，优选的，步骤(3)中，利用圆筒造球机进行制粒，圆筒制粒机的转速为20～40rpm，制粒时间为4～7min，制粒过程喷洒水分为1％～2％，填充率12％～15％，混合中粒径+0.5mm占90％以上，粒径+1mm的颗粒占75％以上。
进一步优选的，圆筒造球机转速为30rpm，制粒时间为5min，填充率为14％。
进一步优选的，步骤(4)中，在烧结布料过程，控制料层高度为1200～2000mm。
上述的方法，优选的，步骤(4)中，在点火、抽风烧结和冷却过程，点火时间为1～4min，点火温度为850～1100℃，点火负压为4～6kPa，保温温度800～900℃，保温时间3～5min，烧结负压为10～16kPa，冷却时间为5～7min，冷却负压为7～9kPa。
进一步优选的，点火时间为3min，点火温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为12～15kPa，冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。
上述的方法，优选的，步骤(4)中，给予烧结料面均匀2500N/m2～3500N/m2的外加力场。
上述的方法，优选的，步骤(4)中，将烧结过程产生的220～260℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，将常规烧结时抽入的冷风替换为热风，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的30％～40％。
上述的方法，优选的，步骤(5)中，烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm占80％以上，在球磨机中干磨至粒度比表面积为300～400m2/kg。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明提供了一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，针对煤矸石超高料层无燃料烧结过程中，热量不足，烧结过程料层温度低，导致煤矸石脱炭反应的动力学和热力学条件较差，将常规烧结时抽入的冷风替换为热风，一方面提高烧结料层的温度，强化脱炭反应；另外一方面，可抑制烧结速度，提高烧结高温保持时间，确保脱炭反应能够充分进行，从而降低混合材中残炭和烧损，提高其活性。
2、本发明提供了一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，在烧结过程中，在煤矸石料层中施加外部压力，提高煤矸石颗粒的紧密程度，改善高温过程的固液相反应动力学条件，加快煤矸石中硅、铝等矿物的矿化反应，和抑制析晶，使得更多的非晶质形成，从而提高混合材活性。本发明提出的利用带式烧结法处理煤矸石，通过热风循环烧结和加压烧结的联合强化煤矸石烧结至今未见相关的报道。
3、本发明提供了一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，通过压料操作，提高混合料的堆密度，可以使得有限抽风面积的烧结机中，产出更多的混合料，从而提高产量。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本发明技术方案进行详细的阐述。
以下实施例及对比例，采用某地区的煤矸石，其化学成份如下：
SiO253.22％，CaO 0.89％，MgO 0.33％，Al2O322.56％，固定碳2.75％，LOI12.21％。
对比例
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1250mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为13kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。
烧结系数为1.18t/m2·h煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为2.42％，残炭含量为0.99％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为72％。
实施例1
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1250mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为13kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为2000N/m2。
烧结系数为1.22t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为2.21％，残炭含量为0.96％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为74％。
实施例2
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为2500N/m2。
烧结系数为1.28t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为2.12％，残炭含量为0.91％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为76％。
实施例3
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为3500N/m2。
烧结系数为1.31t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为2.02％，残炭含量为0.88％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为77％。
实施例4
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为4500N/m2。
烧结系数为1.21t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为2.24％，残炭含量为1.02％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为71％。
由对比例和实例1-4可知，施加外部压力后，烧结利用系数提高，产量提高，同时混合材中的烧损和残炭量降低，活性改善；但是当外场压力过大后(强度为4500N/m2)，由于料层过于紧密，透气性降低，烧结速度减慢，产量降低至1.21t/m2·h，同时烧结过程的氧位随着下降，导致脱炭反应不完全，残炭含量增加至1.02％，活性降低到71％。
实施例5
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为3500N/m2，同时将烧结过程产生的220℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，在抽风烧结时抽入热风，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的35％。
烧结利用系数为1.30t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为1.98％，残炭含量为0.83％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为79％。
实施例6
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为3500N/m2，同时将烧结过程产生的240℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的35％。
烧结利用系数为1.29t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为1.88％，残炭含量为0.72％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为82％。
实施例7
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为3500N/m2，同时将烧结过程产生的260℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的35％。
烧结利用系数为1.29t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为1.83％，残炭含量为0.69％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为85％。
实施例8
本发明一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，包括以下步骤：
(1)破碎：将煤矸石破碎至-6.3mm占81％，-0.25mm 19％；
(2)配料、混匀：煤矸石配入质量比为6.0％的水，然后在强力混合机中强力混匀6min，混合机的转速为900rpm；
(3)制粒：在制粒过程，喷洒质量比为2.0％的水分，且圆筒制粒机的转速为30rpm、制粒时间为5min和圆筒造球机的填充率为14％，制粒所得小球，所得生料含水量7.4％，生料的粒度大于0.5mm为92％以上，粒径大于1mm的颗粒为77％以上；
(4)烧结：料层高度1350mm，控制点火时间为3min，点火温度1050℃，保温温度为900℃，保温时间4min，烧结负压为14kPa；冷却时间为6min，冷却负压为7.5kPa。烧结料表面放置连续压辊，给予烧结料的表面均匀外加压力场，强度为3500N/m2，同时将烧结过程产生的280℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的35％。
烧结利用系数为1.19t/m2·h，煤矸石烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm后，然后在球磨机中干磨至粒度比表面积350m2/kg左右，即可得到煤矸石活性混合材，烧损量为1.81％，残炭含量为0.67％。
按照GB/T17671-1999和GB/T12957-2005检验，活性指数为86％。
对比实例5-8可知，在高料层情况，在烧结过程中进行热风循环烧结，热风温度在220-260℃范围内，提高热风温度，烧结利用系数变化不大，但是烧结料的烧损和残炭逐渐减少，活性指数显著提高。但是当热风温度超过260℃后，烧结利用系数急剧下降。
Claims (7)
1.一种强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将煤矸石破碎至预定细度；
(2)将破碎后的煤矸石和水按照设定比例充分混匀，得到混合料；
(3)将步骤(2)所得混合料制成预定粒度的小球；
(4)将步骤(3)所得制粒小球在带式抽风烧结机中布料、点火、抽风烧结和冷却，完成烧结脱炭，以提高煤矸石活性；
在烧结料面施加外加力场，均匀施加2500N/m2～3500N/m2的外加力场，在烧结机的倒数第二个风箱前撤除压辊；
(5)将步骤(4)所得烧结料破碎并细磨，得到设定粒度、比表面积的煤矸石活性混合材；
步骤(4)中，在烧结布料过程，控制料层高度为1200～2000mm；
步骤(4)中，将烧结过程产生的220～260℃中低温热风引入烧结机料面烟罩中，在抽风烧结时抽入所述热风，热风通入烧结机的时间占烧结时间长度的30％～40％。
2.根据权利要求1所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，所述煤矸石的固定碳含量为2％～5％，煤矸石为页岩型煤矸石。
3.根据权利要求1或2所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，步骤(1)中，利用颚式破碎机将煤矸石破碎至-6.3mm，破碎粒度-6.3mm占70％～90％，-0.25mm占10％～30％。
4.根据权利要求1或2所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，步骤(2)中，利用强力混合机进行混匀，混合机转速为800～1000rpm，混合时间为6～9min，混合水分为5％～6％，所得制粒小球的含水量控制7％～7.5％。
5.根据权利要求1或2所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，步骤(3)中，利用圆筒造球机进行制粒，圆筒制粒机的转速为20～40rpm，制粒时间为4～7min，制粒过程喷洒水分为1％～2％，填充率12％～15％，混合中粒径+0.5mm占90％以上，粒径+1mm的颗粒占75％以上。
6.根据权利要求1或2所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，步骤(4)中，在点火、抽风烧结和冷却过程，点火时间为1～4min，点火温度为850～1100℃，点火负压为4～6kPa，保温温度800～900℃，保温时间3～5min；烧结负压为10～16kPa；冷却时间为5～7min，冷却负压为7～9kPa。
7.根据权利要求1或2所述强化煤矸石烧结脱炭的方法，其特征在于，步骤(5)中，烧结料经过颚式破碎机破碎至-1mm占80％以上，在球磨机中干磨至粒度比表面积为300～400m2/kg。
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