CN114804826A - 短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，包括以下步骤：步骤1，将赤泥、煤矸石、添加剂、水加入到行星球磨机中进行混合并机械研磨反应；步骤2，反应结束后，将混合物料卸出球磨机，转运至洞道干燥器中，在流动热空气氛围中进行干燥处理，得到制备通用砖的粉体原料。本发明利用机械球磨过程中产生的高能量机械能促进添加剂、赤泥、煤矸石三者发生化学反应，消耗其中的碱性OH—羟基物，强化赤泥结晶水和OH—羟基物的脱水，改变碱金属Na+离子的赋存形态，降低赤泥的碱度；赤泥和煤矸石颗粒在受力作用下，颗粒受击发生破碎和细化，物料比表面积增大，同时材料晶体结构、物理化学性质也发生变化，提高了产品性能。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种赤泥与煤矸石的综合利用工艺。
背景技术
赤泥是氧化铝生产过程中排放的一种强碱性固体废弃物，采用不同工艺提炼铝土矿中氧化铝过程中排出的赤泥化学成分基本相同，主要为氧化铝、氧化铁、二氧化硅、二氧化钛、氧化钠、氧化钙等氧化物，但因矿石性质和生产工艺不同，产生赤泥中各物质含量有所差别。目前我国赤泥年排放量超过1亿吨，主要以筑坝堆存的方式处置，综合利用率不足4％。赤泥堆存占用场地资源，管理维护成本高，且赤泥中含有大量的钠离子，长时间堆存会渗入地下并使周边环境及地下水碱化。目前，我国对赤泥的综合利用主要用于生产水泥、回收金属、道路建设等，存在产品性能不稳定，综合利用成本高等缺点，且易造成二次污染。以赤泥作为原料制备瓷砖、水泥、建筑材料等加以利用，可以减少氧化铝长大宗赤泥的排放。然而赤泥中含碱量偏高，掺入太多的赤泥会使水泥和建筑材料的碱含量超标，不符合产品生产所要求的低碱特性，赤泥添加配比受到限制。因此，降低赤泥碱性是提高其利用率的关键因素之一。煤炭是我国的主体能源，煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物，因此伴随排放巨量的煤矸石固体废弃物，据统计，我国的煤矸石累计存量已经超过45亿t，大量煤矸石堆存会占用土地资源、污染大气和地下水环境，还存在自燃的风险，严重危害生态环境和人类健康。目前煤矸石主要应用于路基填料，其综合利用率不足20％。煤矸石具有强度较低、容易破碎、耐水性差等特点，并且煤矸石的粒径分布跨度大且颗粒分布不均，导致其固结特性和水稳性较差，使其作为建筑材料或路基填料受到一定限制。
中国专利申请CN111848125A提供了一种一种废石膏、赤泥、煤矸石烧结砖建材制品的生产方法，包括(1)原料粉碎预处理；(2)依次将经过预处理后的赤泥、废石膏、煤矸石中的两种以上的原料，输入坯料搅拌机中，添加外加剂后，混合均匀，得到混合物，然后往混合物中加水并搅拌均匀以获得砖坯原料；(3)将砖坯原料烧结成砖，最终得到废石膏、赤泥、煤矸石内燃烧结墙地砖建材制品。该方法为多步流程，且无法获得超细粒径的粉体原料。
中国专利申请CN110105051A提供了一种以赤泥和煤矸石为原料制备的环保烧结砖的方法，是将拜耳法赤泥与煤矸石按一定比例混合、陈化、二次搅拌、制坯码坯、烘干烧制环保砖。但该方法未提供煤矸石和赤泥粉体的获得方式，也未涉及材料碱性超标的问题。
中国专利申请CN108373339A提供了一种利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖及其制备方法，包括赤泥、煤矸石、黏土、造孔剂(煤粉、木屑、秸秆)、坯体增强剂(可溶性淀粉)和水的混合，然后经过陈腐、挤出成型、干燥、焙烧等步骤制备透水砖。该专利涉及原料、步骤较多，且未涉及材料碱性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用机械力化学法将赤泥和煤矸石废料短流程处理制备通体砖粉料的方法，实现固体废弃物的减量化处理和高值化利用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将赤泥、煤矸石、添加剂、水加入到行星球磨机中进行混合并机械研磨反应；
步骤2，反应结束后，将混合物料卸出球磨机，转运至洞道干燥器中，在流动热空气氛围中进行干燥处理，得到制备通用砖的粉体原料。
所述步骤1中，添加剂为水玻璃，或者水玻璃和硫酸钙的混合物。
所述水玻璃为酸性水玻璃或中性水玻璃。
所述步骤1中，进行如下反应：
2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O
Ca2++2OH-→Ca(OH)2
CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O。
所述步骤1中，以干基计，赤泥和煤矸石的质量比为20～60：40～80。
所述步骤1中，添加剂按照干基赤泥和煤矸石总质量的2～20％比例掺入。
所述步骤1中，水的添加量为干基赤泥和煤矸石总质量的2～50％。
所述步骤1中，行星球磨机转速为50～400rpm。
所述步骤2中，洞道干燥器中干燥温度为30-110℃，干空气流量为0～2000m3/h，干燥时间为1～48h。
有益效果：本发明利用机械球磨过程中产生的高能量机械能促进添加剂、赤泥、煤矸石三者发生化学反应，消耗其中的碱性OH—羟基物，强化赤泥结晶水和OH—羟基物的脱水，改变碱金属Na+离子的赋存形态，降低赤泥的碱度；赤泥和煤矸石颗粒在受力作用下，颗粒受击发生破碎和细化，物料比表面积增大，同时材料晶体结构、物理化学性质也发生变化，提高了产品性能。本方法所采用的机械球磨法制备通体砖粉料，具有极大工业生产潜在价值，该方法流程短，在球磨过程中添加剂与赤泥和煤矸石发生机械力化学反应，改变Na+赋存形态并消耗OH羟基物浓度，从而降低赤泥碱度，球磨后的赤泥和煤矸石混合物料粒度更细、更均匀，颗粒间粘连性变强，以其为原料生产的通体砖产品在碱度、密度、抗压强度、耐水性等性能方面均可达到国家标准。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为赤泥与粉煤灰机械球磨后的样品XRD谱图(A)及赤泥和煤矸石放大XRD图(B)。
具体实施方式
本发明的一种短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，包括以下步骤：
步骤1，将赤泥、煤矸石、添加剂、水加入到行星球磨机中进行混合并机械研磨反应，利用机械球磨过程中产生的高能量机械能促进添加剂、赤泥、煤矸石三者发生化学反应，消耗其中的碱性OH—羟基物，强化赤泥结晶水和OH—羟基物的脱水，改变碱金属Na+离子的赋存形态，降低赤泥的碱度，反应如下：
2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O
Ca2++2OH-→Ca(OH)2
CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O
其中，添加剂为水玻璃，或者水玻璃和硫酸钙的混合物，水玻璃为酸性水玻璃或中性水玻璃。
其中，以干基计，赤泥和煤矸石的质量比为20～60：40～80。添加剂按照干基赤泥和煤矸石总质量的2～20％比例掺入。水的添加量为干基赤泥和煤矸石总质量的2～50％，水全部或部分来自于水玻璃。
其中，行星球磨机转速为50～400rpm。
步骤2，反应结束后，将混合物料卸出球磨机，转运至洞道干燥器中，在流动热空气氛围中进行干燥处理，得到制备通用砖的粉体原料；
其中，洞道干燥器中干燥温度为30-110℃，干空气流量为0～2000m3/h，干燥时间为1～48h。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将30kg赤泥、70kg煤矸石、10kg水玻璃(30wt.％)添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应1h，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，其中，干空气流量为1000m3/h，即得到生产通体砖的粉体原料，记为A。
本实施例中，原料中的水来自于水玻璃。
实施例2
将40kg赤泥、60kg煤矸石、10kg水玻璃(30wt.％)添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应30分钟，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，其中，干空气流量为100m3/h，即得到生产通体砖的粉体原料，记为B。
本实施例中，原料中的水来自于水玻璃。
实施例3
将40kg赤泥、60kg煤矸石、8kg水玻璃(30wt.％)、2kg硫酸钙添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应30分钟，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，其中，干空气流量为2000m3/h，即得到生产通体砖的粉体原料，记为C。
本实施例中，原料中的水来自于水玻璃。
实施例4
将40kg赤泥、60kg煤矸石、5kg水玻璃(30wt.％)、3kg硫酸钙添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应30分钟，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，其中，干空气流量为800m3/h，即得到生产通体砖的粉体原料，记为D。
本实施例中，原料中的水来自于水玻璃。
对比例1
将40kg赤泥、60kg煤矸石、3kg硫酸钙添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应30分钟，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，即可以得到生产通体砖的粉体原料，记为E。
对比例2
将40kg赤泥、60kg煤矸石、5kg硫酸钙添加剂依次倒入行星球磨机中，在100rpm的转速下进行球磨，在机械能作用下反应30分钟，然后将混合物料卸出，在70℃的流动热空气进行干燥处理12h，即得到生产通体砖的粉体原料，记为F。
图2是赤泥与粉煤灰机械球磨后的样品XRD谱图(A)及赤泥和煤矸石放大XRD图(B)。可知机械球磨后石英、高岭石等组分衍射峰强度出现明显降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将赤泥、煤矸石、添加剂、水加入到行星球磨机中进行混合并机械研磨反应；
步骤2，反应结束后，将混合物料卸出球磨机，转运至洞道干燥器中，在流动热空气氛围中进行干燥处理，得到制备通用砖的粉体原料。
2.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，添加剂为水玻璃，或者水玻璃和硫酸钙的混合物。
3.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述水玻璃为酸性水玻璃或中性水玻璃。
4.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，进行如下反应：
2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O
Ca2++2OH-→Ca(OH)2
CO2+Ca(OH)2→CaCO3+H2O。
5.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，以干基计，赤泥和煤矸石的质量比为20～60：40～80。
6.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，添加剂按照干基赤泥和煤矸石总质量的2～20％比例掺入。
7.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，水的添加量为干基赤泥和煤矸石总质量的2～50％。
8.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤1中，行星球磨机转速为50～400rpm。
9.根据权利要求1所述的短流程机械能作用下赤泥与煤矸石的综合利用工艺，其特征在于：所述步骤2中，洞道干燥器中干燥温度为30-110℃，干空气流量为0～2000m3/h，干燥时间为1～48h。
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