CN113912414A - 一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，步骤如下：将45～60wt％的煤矸石粉、15～35wt％的高铝矿物和10～25wt％的高岭土作为原料混合，加入结合剂和造孔剂充分混合，加水搅拌3～8h，调成可塑性泥料，困料4～30h，然后成型干燥，在1300～1650℃条件下保温1～10h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料；其中，所述结合剂为原料总质量的10～50％，所述造孔剂为原料总质量的5～25％。本发明具有成本低、能耗低、工艺简单和环境友好的优点，可实现工业废渣的资源化再利用。
Description
技术领域
本发明涉及煤矸石资源化利用技术领域，更具体地说，它涉及一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法。
背景技术
工业废渣是工业企业生产过程中所产生的固体废弃物。在我国，工业废渣主要包括钢渣、矿渣、粉煤灰、煤矸石、铝渣、铬渣和硼泥等，排放量及废渣储量皆呈逐年增加的趋势。以煤矸石为例，煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。一般煤矸石综合排放量占原煤产量的10％-25％。随着采煤业的发展，在采煤过程中产生的煤矸石一般是直接露天堆放，大量煤矸石堆积于地面，不仅占用了大量土地，而且破坏生态环境，造成大气、土壤、水体污染及地质灾害的发生。因此，尽快实现工业废渣的高效率资源化综合利用是发展循环经济，保护生态环境、节能减排降耗的紧迫任务，具有重要的经济效益、环境效益和社会效益。
我国一直重视对工业废渣的资源化处理，在相关领域已有初步综合应用：如在化工领域利用工业废渣生产高效吸附剂及絮凝剂过滤沉淀矿山酸性废水的有害物质；在农业领域制成回填材料用以改良土壤酸碱度；在建材领域将工业废渣制备成混凝土的掺合料，改善材料抗压强度、粘结强度、耐久性、抗冻性等，但整体利用率仍然较低。从近十年数据来看，随着技术发展，工业废渣的综合利用领域也不断拓展，相关研究方兴未艾，研究价值空间巨大。
我国是耐火材料的生产和出口大国，耐火材料的原料矿物与工业废渣含有相似的化学组成，如何优化现有工艺，实现节能降耗和发展绿色可持续经济，是使我国耐火材料生产向低能耗高质量方向转变的关键。
耐火材料的主要成分一般是金属氧化物(如氧化铝、氧化镁和氧化钙)和二氧化硅，煤矸石的化学成分主要是以二氧化硅和氧化铝为主，此外还含有少量的氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钾和二氧化钛等。可见，煤矸石与常用的耐火材料的成分组成相似，目前煤矸石的循环利用一般是作为建筑材料使用，即将煤矸石活化，再与水泥混合使用，以达到减少水泥用量的作用，降低了水泥的使用成本,具有良好的经济效益和社会环境效益，如果可以将煤矸石作为耐火材料的原料，将实现工业废渣在耐火材料领域的开发和增值利用，也有利于降低耐火材料的生产成本，为资源的循环利用开辟一条新途径。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，具有成本低、能耗低、工艺简单和环境友好的优点，可实现工业废渣的资源化再利用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，步骤如下：
将45～60wt％的煤矸石粉、15～35wt％的高铝矿物和10～25wt％的高岭土作为原料混合，加入结合剂和造孔剂充分混合，加水搅拌3～8h，调成可塑性泥料，困料4～30h，然后成型干燥，在1300～1650℃条件下保温1～10h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料，内部结构稳定，形成孔内固态核粒，延长了热量在材料内部传递的有效距离，提高了保温性能，外观呈现多孔结构；
其中，所述结合剂为原料总质量的10～50％，所述造孔剂为原料总质量的5～25％。
在其中一个实施例中，干燥的方法是20～40℃自然风干8～18h，脱模后80～200℃烘干10～24h。
在其中一个实施例中，所述煤矸石粉的制备方法是，将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
在其中一个实施例中，所述造孔剂的制备方法是，向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂。
在其中一个实施例中，所述造孔剂的粒径小于或等于8mm。
在其中一个实施例中，所述结合剂是磷酸二氢铝、50wt％磷酸溶液、铝酸钙水泥和铝溶胶中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述煤矸石的主要成分和含量是：35～65wt％的SiO2、20～55wt％的Al2O3、0.3～1.2wt％的CaO+MgO，烧失量为0.1～0.2wt％。
在其中一个实施例中，所述煤矸石的粒径小于0.045mm。
在其中一个实施例中，所述高铝矿物是铝矾土或刚玉，粒径小于0.045mm。
在其中一个实施例中，所述高铝矿物的主要成分和含量是：65～99wt％的Al2O3、0～15wt％的SiO2、0.04～1.5wt％的Fe2O3、0.1～0.9wt％的CaO+MgO、0.2～0.8wt％的Na2O+K2O，烧失量为0.7～1.3wt％。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明优化了现有工艺，以煤矸石这一工业废渣为原料来生产莫来石多孔保温材料，有利于实现节能降耗和发展绿色可持续经济，有利于我国耐火材料生产向低能耗高质量方向转变。本发明采用的主要原料是工业废渣煤矸石、高铝矿物和高岭土，来源丰富，原料易得；本发明采用振动浇注成型，工艺简单，易于实现；利用高铝矿物均质泥浆在低压环境下浸渍聚苯乙烯球，使之充分吸附饱和，高温燃尽后形成孔内固态核粒，延长了热量在材料内部传递的有效距离，提高了保温性能。
对采用本发明制备方法制得的莫来石多孔保温材料进行性能参数测定，测定结果是：主要物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分Al2O3:55～80wt％，SiO2:17～42wt％，其它杂质总含量小于3wt％；体积密度≤1.60g/cm3；气孔率≥50％；耐压强度≥25MPa；1000℃导热系数≤0.31W/(m·K)；热震稳定性(1000℃空冷)≥85次。
附图说明
图1是本发明制备的莫来石多孔保温材料的XRD图谱；
图2是本发明制备的莫来石多孔保温材料的SEM图；
图3是本发明制备的莫来石多孔保温材料的外观图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
值得注意的是，本文所涉及的“上”“下”等方位词均相对于附图视角而定，仅仅只是为了便于描述，不能够理解为对技术方案的限制。
我国一直是耐火材料的生产和出口大国，每年在此消耗的原材料和能源也不少。国家提出节能降耗、发展绿色可持续经济以后，在不大幅度减少产量的同时，如何优化现有工艺进行低能耗高质量生产成为关键。工业废渣与传统的耐火原料矿物含有相同的化学组成，可通过相关技术革新实现工业废渣在耐火材料领域的开发与增值利用，降低耐火材料的生产成本，为资源的循环利用开辟一条新途径。本发明提供一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，原料是煤矸石粉、高铝矿物和高岭土，加入结合剂和造孔剂；
其中，煤矸石粉45～60wt％，高铝矿物15～35wt％，高岭土10～25wt％；
其中，造孔剂是在真空中苯乙烯球在高铝矿物均质泥浆中浸渍制得；
其中，结合剂是磷酸二氢铝、50wt％磷酸溶液、铝酸钙水泥和铝溶胶中的一种或多种。
高岭土是一种非金属矿产，是一种以高岭石族矿物为主的黏土和黏土岩，具有良好的可塑性和耐火性等理化性质，其晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，其理论化学组成为46.54％的SiO2，39.5％的Al2O3，13.96％的H2O。
煤矸石的主要矿物组成是高岭石或伊利石、石英，次要矿物组成是钙长石、菱镁矿、方解石、白云石、云母等，煤矸石的化学成分主要是以二氧化硅和氧化铝为主，此外还含有少量的氧化钙、氧化铁、氧化镁、氧化钾和二氧化钛等。
具体的制备方法如下：
步骤1，制备煤矸石粉：将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
步骤2，制备造孔剂：向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa(真空)条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂，其中，造孔剂的粒径小于或等于8mm。
步骤3，在室温条件下，将45～60wt％的煤矸石粉、15～35wt％的高铝矿物和10～25wt％的高岭土混合，再加入占原料总质量10～50wt％的结合剂和占原料总质量5～25％的造孔剂，将上述物料充分混合后，加入适量自来水，搅拌3～8h，调成可塑性泥料，困料4～30h，然后振动浇注成型后干燥，在1300～1650℃条件下保温1～10h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料；
其中，干燥的方法是20～40℃自然风干8～18h，脱模后80～200℃烘干10～24h。
在本发明中，采用的煤矸石的主要成分和含量是：35～65wt％的SiO2、20～55wt％的Al2O3、0.3～1.2wt％的CaO+MgO，烧失量为0.1～0.2wt％，所述煤矸石的粒径小于0.045mm。
在本发明中，采用的高铝矿物是铝矾土或刚玉，粒径小于0.045mm，高铝矿物的主要成分和含量是：65～99wt％的Al2O3、0～15wt％的SiO2、0.04～1.5wt％的Fe2O3、0.1～0.9wt％的CaO+MgO、0.2～0.8wt％的Na2O+K2O，烧失量为0.7～1.3wt％。
实施例1
莫来石多孔保温材料的原料及含量是：煤矸石粉45～48wt％，高铝矿物32～35wt％，高岭土20～22wt％；结合剂是原料总质量的46～50wt％，造孔剂是原料总质量的23～25wt％；
制备煤矸石粉：将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和磁选机充分除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
制备造孔剂：向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa(真空)条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂，其中，造孔剂的粒径小于或等于8mm。
利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的制备方法是：将上述煤矸石粉、高铝矿物、高岭土、结合剂和造孔剂在室温条件下混合，加入适量自来水，搅拌5h，调成可塑性泥料，困料10h，然后振动浇注成型后干燥，在1500～1600℃条件下保温5h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料。
在本实施例中，结合剂是50wt％磷酸溶液。
在本实施例中，干燥的方法是25℃自然风干10h，脱模后150℃烘干12h。
本实施例所制备的主要物相为莫来石相和刚玉相，Al2O3:68.3wt％，SiO2:30.3wt％，体积密度1.32g/cm3；气孔率65.3％；耐压强度25MPa；1000℃导热系数0.21W/(m·K)；热震稳定性(1000℃空冷)87次。
实施例2
莫来石多孔保温材料的原料及含量是：煤矸石粉49～52wt％，高铝矿物23～26wt％，高岭土22～25wt％；结合剂是原料总质量的35～42wt％，造孔剂是原料总质量的21～23wt％；
制备煤矸石粉：将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和磁选机充分除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
制备造孔剂：向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa(真空)条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂，其中，造孔剂的粒径小于或等于8mm。
利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的制备方法是：将上述煤矸石粉、高铝矿物、高岭土、结合剂和造孔剂在室温条件下混合，加入适量自来水，搅拌6h，调成可塑性泥料，困料15h，然后振动浇注成型后干燥，在1400～1500℃条件下保温8h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料。
在本实施例中，结合剂是磷酸二氢铝。
在本实施例中，干燥的方法是30℃自然风干15h，脱模后100℃烘干20h。
本实施例所制备的主要物相为莫来石相和刚玉相，Al2O3:64.8wt％，SiO2:33.4wt％，体积密度1.45g/cm3；气孔率58.3％；耐压强度28MPa；1000℃导热系数0.26W/(m·K)；热震稳定性(1000℃空冷)91次。
实施例3
莫来石多孔保温材料的原料及含量是：煤矸石粉55～58wt％，高铝矿物20～22wt％，高岭土22～23wt％；结合剂是原料总质量的33～36wt％，造孔剂是原料总质量的18～20wt％；
制备煤矸石粉：将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和磁选机充分除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
制备造孔剂：向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa(真空)条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂，其中，造孔剂的粒径小于或等于8mm。
利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的制备方法是：将上述煤矸石粉、高铝矿物、高岭土、结合剂和造孔剂在室温条件下混合，加入适量自来水，搅拌7h，调成可塑性泥料，困料25h，然后振动浇注成型后干燥，在1300～1400℃条件下保温9h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料。
在本实施例中，结合剂是磷酸二氢铝和铝酸钙水泥。
在本实施例中，干燥的方法是22℃自然风干18h，脱模后200℃烘干10h。
本实施例所制备的主要物相为莫来石相和刚玉相，Al2O3:57.4wt％，SiO2:40.1wt％，体积密度1.58g/cm3；气孔率51.1％；耐压强度29MPa；1000℃导热系数0.29W/(m·K)；热震稳定性(1000℃空冷)97次。
在上述三个实施例中，采用的煤矸石的主要成分和含量是：35～65wt％的SiO2、20～55wt％的Al2O3、0.3～1.2wt％的CaO+MgO，烧失量为0.1～0.2wt％，所述煤矸石的粒径小于0.045mm；采用的高铝矿物是铝矾土或刚玉，粒径小于0.045mm，高铝矿物的主要成分和含量是：65～99wt％的Al2O3、0～15wt％的SiO2、0.04～1.5wt％的Fe2O3、0.1～0.9wt％的CaO+MgO、0.2～0.8wt％的Na2O+K2O，烧失量为0.7～1.3wt％。
对采用本发明制备方法制得的莫来石多孔保温材料进行性能参数测定，测定结果是：主要物相为莫来石相和刚玉相，主要化学成分Al2O3:55～80wt％，SiO2:17～42wt％，其它杂质总含量小于3wt％；体积密度≤1.60g/cm3；气孔率≥50％；耐压强度≥25MPa；1000℃导热系数≤0.31W/(m·K)；热震稳定性(1000℃空冷)≥85次。
结合附图1的XRD图谱可知，本发明制得的产物为Al6Si2O13和Al2O3，其中，Al6Si2O13是3Al2O3·2SiO2，可知本发明的产物的主要物相是莫来石相和刚玉相，说明通过本发明可制得莫来石相的材料。
结合附图2和3可知，本发明制得的产物内部结构稳定，形成孔内固态核粒，延长了热量在材料内部传递的有效距离，提高了保温性能，外观呈现多孔结构，说明通过本发明可制得多孔保温材料。
综上可知，通过本发明制备方法可制得莫来石多孔保温材料，本发明具有成本低、能耗低、工艺简单、环境友好的特点，可实现工业废渣的资源化再利用，所制备的莫来石多孔保温材料体积密度小，导热系数低、耐压强度高和热震稳定性好。
本发明优化了现有工艺，以煤矸石这一工业废渣为原料来生产莫来石多孔保温材料，有利于实现节能降耗和发展绿色可持续经济，有利于我国耐火材料生产向低能耗高质量方向转变。本发明采用的主要原料是工业废渣煤矸石、高铝矿物和高岭土，来源丰富，原料易得；本发明采用振动浇注成型，工艺简单，易于实现；利用高铝矿物均质泥浆在低压环境下浸渍聚苯乙烯球，使之充分吸附饱和，高温燃尽后形成孔内固态核粒，延长了热量在材料内部传递的有效距离，提高了保温性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，将45～60wt％的煤矸石粉、15～35wt％的高铝矿物和10～25wt％的高岭土作为原料混合，加入结合剂和造孔剂充分混合，加水搅拌3～8h，调成可塑性泥料，困料4～30h，然后成型干燥，在1300～1650℃条件下保温1～10h，自然冷却得到莫来石多孔保温材料；
其中，所述结合剂为原料总质量的10～50％，所述造孔剂为原料总质量的5～25％。
2.如权利要求1所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，干燥的方法是20～40℃自然风干8～18h，脱模后80～200℃烘干10～24h。
3.如权利要求1所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述煤矸石粉的制备方法是，将煤矸石原矿经过破碎、粉磨、过筛和除铁后，在650～950℃恒温1～5h进行除碳处理，将完成除碳处理的煤矸石加入8～12倍自身质量的盐酸溶液中80℃水浴浸泡12～24h，然后抽滤洗涤，以110℃条件烘干，得到煤矸石粉。
4.如权利要求1所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述造孔剂的制备方法是，向高铝矿物加入自身质量3～10％的清水，调成均质泥浆，按照聚苯乙烯球与高铝矿物的质量比为(2～5.5)：1，向聚苯乙烯球中加入均质泥浆，在1～10Pa条件下充分浸渍30-60min，然后搅拌3～8h，静置5～10min得到造孔剂。
5.如权利要求4所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述造孔剂的粒径小于或等于8mm。
6.如权利要求1所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述结合剂是磷酸二氢铝、50wt％磷酸溶液、铝酸钙水泥和铝溶胶中的一种或多种。
7.如权利要求1-6任一项所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述煤矸石的主要成分和含量是：35～65wt％的SiO2、20～55wt％的Al2O3、0.3～1.2wt％的CaO+MgO，烧失量为0.1～0.2wt％。
8.如权利要求7所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述煤矸石的粒径小于0.045mm。
9.如权利要求1所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述高铝矿物是铝矾土或刚玉，粒径小于0.045mm。
10.如权利要求9所述的利用煤矸石制备莫来石多孔保温材料的方法，其特征在于，所述高铝矿物的主要成分和含量是：65～99wt％的Al2O3、0～15wt％的SiO2、0.04～1.5wt％的Fe2O3、0.1～0.9wt％的CaO+MgO、0.2～0.8wt％的Na2O+K2O，烧失量为0.7～1.3wt％。
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