CN113860780B - 一种高活性球形煅烧煤矸石粉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合采用气流粉碎‑射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石粉的方法。先将破碎到一定颗粒的煤矸石经气流粉碎系统得到超细粉体，再将超细粉体经射频等离子系统进行等离子高温处理，获得高活性、球形率高的煅烧煤矸石粉。将煤矸石的气流粉碎与煅烧形成一体化工艺流程，能明显降低能耗，制得的煅烧煤矸石粉具有很高的火山灰活性，球形的颗粒形貌还有利于降低需水量，技术效果显著。

Description

一种高活性球形煅烧煤矸石粉的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石粉的方法。
背景技术
煤矸石是煤炭开采过程中的固体废弃物，含有一定的有机物且质地坚硬，据统计2020年其排放量已接近6亿吨。目前煤矸石的综合利用率不高于30%，由于地域的原因，部分地区煤矸石利用率不高于10%。大量的煤矸石堆放需要占用土地资源，破坏矿区生态环境，其自燃和雨水淋润还对大气和水源环境造成一定的污染。煤矸石的资源化迫在眉睫，从水泥混凝土行业特点来看，煤矸石的建材资源化是最可能实现大量消纳，也是最为可行的途径。目前煤矸石在建材的资源化主要有：作为水泥生料、煤矸石制烧结砖、作为粗骨料、高温处理后作为混合材或者掺合料。但从现有的利用率数据可以看出，煤矸石的建材资源化已作出了一些尝试，但成效并不像粉煤灰、矿渣那样明显，需要继续拓展煤矸石的建材利用途径。煤矸石排放主要集中在产煤区且相对集中，而建材的生产往往还要考虑运输半径的问题，这是煤矸石建材资源化程度低的一个重要原因。
煤矸石的主要化学组成为SiO2、A12O3和C，另外还有少量的Fe2O3、CaO、MgO、NaO、K2O、SO3、P2O5等；矿物组成主要有高岭石、伊利石、石英、赤铁矿等。理论上煤矸石经过一定的温度处理，稳定的高岭石转变为不稳定的高活性偏高岭石结构，其火山灰活性提升，作为活性混合材和掺合料是可行的。但煤矸石的化学组成波动较大，同一矿山组成差异较大，这使得煅烧煤矸石的火山灰活性差异较大，引起水泥混凝土的性能变化。再者，煤矸石经过高温处理后得到的偏高岭土为主的粉末颗粒形貌不规则、孔隙率高，在制备水泥混凝土时相应的需水量增加，不利于大流动高强混凝土的配制。因此需要寻找一种温度处理方式，使煅烧煤矸石获得活性的同时还能进行颗粒整形，以满足水泥混凝土的需要。
目前煤矸石的建材资源化利用往往需要一定的温度处理，产业技术途径上需要新上窑炉，而近年来对于环保保护的需要，政府对新上窑炉项目呈现不支持不鼓励的态势，一定程度上煤矸石的资源化陷入两难境地。随着碳达峰、碳中和工作的推进，水泥行业面临历史性转机和巨大挑战，正在积极推进碳达峰碳中和技术方案规划。围绕碳达峰、碳中和，行业除深耕传统节能减排技术外，也在积极推进氢能煅烧水泥熟料技术、全电能煅烧水泥熟料技术等前瞻性技术研究，这一定程度上也给煤矸石的资源化利用指明了方向。采用清洁新型能源处理煤矸石，还处于全新的尝试阶段，需要进一步研究。
等离子体(Plasma)是气体物质存在的一种状态，被称为物质的第四种形态。等离子体具有高温、高焓、高的化学反应活性、反应气氛及反应温度可控等特点，已经在粉体材料的合成制备和球化处理方面有所报道。等离子体发生器的功率一般为10～200kW，可以使被煅烧物料瞬间获得超高温度，附以超快冷却技术，表面张力的作用使得形成液相的物料来不及结晶形成规则的球形，因此在无机球形粉体，甚至是高熔点难熔金属氧化物的球形化处理具有明显优势。等离子在水泥基材料领域的应用未见相关报道，也没有专利涉及采用等离子技术处理水泥混凝土行业用掺合料。是否可以将煤矸石资源化处理与等离子技术结合起来，在获得超高火山灰活性的同时还具有规整的球形形貌，是值得关注的问题。
综上分析，煤矸石的建材资源化利用需要进一步拓展新的应用领域，作为混合材或掺合料时，缺乏协同考虑颗粒形貌控制与火山灰活性提升的关键技术。面对采用新上传统窑炉处置煤矸石项目存在的囧境，需要积极探索新的能源利用方式，进一步提高煤矸石的利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石粉的方法。采用放电等离子技术对煤矸石进行高温处理，协同实现火山灰活性提升与颗粒形貌控制；将该煅烧煤矸石粉作为石膏铝硅酸盐胶凝材料的铝硅质掺合料来源，实现煅烧煤矸石粉的高掺量利用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石的方法，包括以下生产步骤：
（1）煤矸石的气流粉碎，将破碎到一定颗粒的煤矸石经气流粉碎系统得到粒径范围在5~75μm的超细煤矸石粉；
（2）将煤矸石超细粉体经射频等离子系统进行等离子高温处理，获得高活性、球形率高的煅烧煤矸石粉。
进一步，所述联合气流粉碎机-射频等离子系统是指，气流粉碎机的出料出气部分与射频等离子系统的载气进料部分相连接，将煤矸石的气流粉碎与煅烧连成一体化工艺流程。
进一步，气流粉碎机主要由气流粉碎腔、旋风分离器、除尘器和引风系统构成，其工作原理为：将压缩空气通过拉瓦尔喷嘴高速喷射入粉碎腔，多股高压气流与超硬刀片的联合作用使得物料在交汇处多次碰撞、摩擦、剪切而粉碎，粉碎的物料再高速气流和螺旋分离器的作用下被区分成不同粒径的颗粒，达到分级的目的，粗颗粒循环进入粉碎腔再次粉碎，细颗粒则随气流到达出料口 。
进一步，气流粉碎机的主要运行参数为：入料粒度<3mm，生产能力10-150kg/h，进气气流3-20L/min，装机功率30-100kW。
进一步：射频等离子体产生的高温可提供足够的能量使物料在穿越等离子体时迅速吸热、熔融，并在表面张力作用下缩聚成球形，在极短的时间内骤冷凝结形成球形粉末，是获得致密度高、球形度好、纯净度高的球形粉末的有效手段，具有较大的技术优势。
进一步，射频等离子系统主要由以下几个部分组成：射频等离子体发生器、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷水机组。
进一步，射频等离子体的运行参数为：频率3.5-5.0MHz，功率30-200 kW，工作其他为高纯氮气或空气，射频等离子体发生器的焰心温度为1000-1600℃。
进一步，经气流粉碎机粉碎的超细煤矸石粉与射频等离子系统高温处理的煅烧煤矸石粉的粒径范围存在一定的关系，具体为射频等离子系统的煅烧煤矸石粉的粒径大小范围为气流粉碎得到的1.2-15倍。
进一步，经射频等离子系统处理得到的煅烧煤矸石粉的球形率范围在50%-95%内可调，这与物料的液相量、等离子的运行参数有关。
优选的，用于水泥混凝土混合材或掺合料的煅烧煤矸石粉，其球形率宜在70%以上。
通常而言，煤矸石粉在750～900℃煅烧，其黏土矿物如高岭土在高温下脱水，形成无定形结构的偏高岭土，此时煅烧煤矸石粉的火山灰活性迅速提升。但往往由于煅烧过程制备的偏高岭土颗粒形貌不规则，使得煅烧煤矸石粉的需水量增加，若能改变其颗粒形貌，如形成球形颗粒则可以明显降低其需水量。本发明提出的联合气流粉碎-射频等离子燃烧技术在获得高火山灰活性的同时赋予煅烧煤矸石粉规则的球形形貌。
本发明拟采用赤泥或碱金属硫酸盐/碳酸盐作为助熔组分，以提高煤矸石粉在等离子高温处理时的液相量，从而提高煅烧煤矸石粉的球形率。
优选的，碱金属硫酸盐/碳酸盐的添加量为煤矸石粉的0.5%-1%，赤泥添加量为煤矸石粉的5%-10%。
高活性煅烧煤矸石粉的火山灰活性指数（氧化钙吸收法）在85%-100%之间。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的等离子燃烧处理技术，可以使得物料迅速升温以获得稳定结构黏土矿物脱水所需要的温度区间，表现为等离子燃烧技术的加热速率在500℃/min-2000℃/min可调，瞬间升温使煅烧煤矸石粉表面的蚀坑增加，更利于火山灰活性的发挥。
本发明通过瞬间升温和快速冷却使得煅烧煤矸石粉具有规则的球形颗粒形貌，球形率高且范围可调，故制得的煅烧煤矸石粉同水泥混凝土常用的粉煤灰一样，能够发挥“球形减水、滚珠效应”，具有明显的技术优势。本发明提出对煅烧煤矸石粉活性和颗粒形貌调控，为其他工业固体废弃物前处理技术提供范例。
本发明提出的联合采用气流粉碎-射频等离子处理用于煅烧煤矸石粉制备，只需要一次预先粉碎和高温煅烧，煅烧后得到煤矸石粉即为可直接用于水泥混凝土掺合料，无需再次粉磨处理。突破了现有煅烧煤矸石处理技术需要“预先粉碎—高温煅烧—再次粉磨”工艺流程，具有节能降耗的技术特点，低碳效果显著。
附图说明
图1为联合气流粉碎-射频等离子系统的装置示意图，其中A为气流粉碎部分，具体组成为：①供气系统，②进料系统，③气流粉碎系统；B为射频等离子系统部分，④物料载气管道，⑤等离子体发生器，⑥电源系统，⑦冷却供气系统，⑧样品收集系统。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石的方法，包括以下生产步骤：
（1）煤矸石的气流粉碎，将上述预先混匀的混合物粉末，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量4L/min、装机功率20 kW、生产能力50 kg/h、出料粒径2~60μm；
（2）射频等离子高温处理，射频等离子系统由以下几个部分组成：射频等离子体炬、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室及支架、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷水机组。射频等离子发生室的运行参数为：功率50 kW、频率2.5MHz、工作气体为空气，等离子发生器的焰心温度为900-1000℃。其中射频等离子的进料系统直接与气流粉碎机的出气系统相连。
（3）采用风淬冷却气流将煅烧煤矸石粉冷却至室温，在收集室获得高活性球形煅烧煤矸石粉。
实施例2
一种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石的方法，包括以下生产步骤：
（1）生料的制备：将煤矸石粉与赤泥按照质量比为95∶5称量待用并预先混匀。
（2）气流粉碎处理：将上述预先混匀的混合物粉末，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量10L/min、装机功率80 kW、生产能力130kg/h、进料粒径不大于5mm、出料粒径2-50μm、运载气流为氮气。
（3）射频等离子高温处理，射频等离子系统由以下几个部分组成：射频等离子体炬、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室及支架、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷水机组。射频等离子发生室的运行参数为：功率150 kW、频率2.5MHz、工作气体为氮气，等离子体发生器的焰心温度为1000-1000℃左右。其中射频等离子的进料系统直接与气流粉碎机的出气系统相连。
（4）在冷却收集室收集高活性球形煅烧煤矸石粉。
实施例3
种联合采用气流粉碎-射频等离子技术生产高活性球形煅烧煤矸石的方法，包括以下生产步骤：
（1）生料的制备：将煤矸石粉、电石渣、硫酸钾按照质量比为92∶7∶1准确称量待用并预先混匀。
（2）气流粉碎处理：将上述预先混匀的混合物粉末，投入气流粉碎设备，气流粉碎机的主要运行参数为：压缩空气流量10L/min、装机功率100kW、生产能力150kg/h、进料粒径不大于5mm、出料粒径2~50μm、运载气流为空气。
（3）射频等离子高温处理，射频等离子系统由以下几个部分组成：射频等离子体炬、射频等离子体电源、供气送粉系统、反应室与收集室及支架、真空抽气系统、电气控制及测量系统、冷水机组。射频等离子发生室的运行参数为：功率150 kW、频率3.2MHz、工作气体为空气、等离子发生的焰心温度为1200-1300℃。其中射频等离子的进料系统直接与气流粉碎机的出气系统相连，也即气流粉碎机的运行气流就是射频等离子系统的载气输运气流。
（4）样品收集，在冷却收集室收集煅烧煤矸石粉。
对比例1
一种实验室模拟传统静态窑炉煅烧煤矸石粉的制备方法，包括以下步骤：
（1）生料的制备：将煤矸石采用破碎球磨设备进行前处理，至煤矸石粉的最大粒径不超过75μm。
（2）煅烧阶段，将煤矸石投入高温炉煅烧。将高温炉温度设定为从常温升至850℃，并保温1小时。
（3）将烧成的物料迅速从高温炉取出，置于空气中快速冷却，待冷却到室温后破碎成小颗粒，投入球磨机再次粉磨，控制最大粒径低于75μm。至此经过“两磨一烧”完成煅烧煤矸石粉的制备。
性能测试：
采用场发射扫描电镜观察了实施例1和对比例得到的煅烧煤矸石粉的微观形貌，经过采用二值化软件计算得出，实施例1的煅烧煤矸石粉的球形率为75%、实施例2的球形化率为90%，而对比例的球形化率只有8.23%。结果表明，采用射频等离子系统可以制备高球形率的煅烧煤矸石粉。
还测试了实施例1~3和对比例1的煅烧煤矸石粉的火山灰活性，测试步骤如下：取1g煅烧煤矸石粉和1 g氢氧化钙同时置于200 m L去离子水中, 将悬浮液煮沸24 h, 冷却至室温后加入200 m L蔗糖溶液 (0.7 mol/L) , 磁力搅拌15min后过滤, 取20 m L滤液在酚酞指示剂下用0.1 mol/L盐酸滴定至中性, 通过盐酸消耗量计算出硅灰的化学吸钙量。参照中华人民共和国国家标准GB/T 1596-2017《用于水泥混凝土中的粉煤灰》中粉煤灰强度活性指数试验方法，测试实施例1-3和对比例1的抗压强度活性指数比；参照上述标准中的粉煤灰需水量比测定方法，测试了煅烧煤矸石粉的需水量。化学吸钙量、抗压强度活性指数和需水量比结果见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，无论是氧化钙吸收法或抗压强度指数法，联合采用气流粉碎-射频等离子处理系统等到的煅烧煤矸石粉的火山灰活性指数均高于传统窑炉静态煅烧得到的煤矸石粉。较高的球形率还显著降低了煅烧煤矸石粉的需水量比。综合来看，本发明提供的煅烧煤矸石粉的制备方法具有明显的性能优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种高活性球形煅烧煤矸石粉的制备方法，其特征在于：联合采用气流粉碎-射频等离子技术进行煤矸石的粉碎和煅烧，获得无需再次粉磨的高活性球形率高的煅烧煤矸石粉；
包括以下步骤：
将破碎后的煤矸石经气流粉碎，得到粒径为5~75μm的超细煤矸石粉；
（2）将超细煤矸石粉经射频等离子高温处理，获得高活性、球形煅烧煤矸石粉；
原料还包括改性助熔组分，为赤泥、碱金属硫酸盐、碱金属碳酸盐中的至少一种；其中碱金属硫酸盐/碳酸盐的添加量为煤矸石重量的0.5-1%，赤泥添加量为煤矸石重量的5-10%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：射频等离子技术参数为：频率3.5-5.0MHz，功率30-200 kW，工作气体为高纯氮气或空气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：联合采用气流粉碎-射频等离子技术具体是：气流粉碎机的出料出气部分与射频等离子系统的载气进料部分相连接，使煤矸石的气流粉碎与煅烧形成一体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：球形煅烧煤矸石粉的球形率为50-95%。
5.一种如权利要求1所述的方法制得的煅烧煤矸石粉，其特征在于：所述的煅烧煤矸石粉的火山灰活性指数为85-100%。
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