CN114933434B - 一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法 - Google Patents

一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法，包括步骤：S1、将铁尾矿和煤矸石分别进行破碎及细磨处理；S2、将磨细后的铁尾矿和煤矸石按一定比例进行配料，并加水混匀，得到混合料；S3、将混合料进行造球，造球时持续加水，得到轻集料生坯,将生坯进行筛分，筛选出5～16mm的生坯；S4、在台车上铺底料及边料，将筛选出的生坯依次进行布料、干燥、预热、焙烧和冷却处理，得到焙烧球团；S5、对焙烧球团进行筛分，粒径5～16mm的焙烧球团即为高强轻集料。本发明不仅可以实现两种固废的大宗消纳，还可以满足下游建材市场的需求。

Description

一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用技术领域，尤其涉及一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法。
背景技术
我国现阶段对铁尾矿的利用率不足10％，煤矸石的利用率仅58.9％，现有的主要利用途径难以解决两宗固废大量堆存的问题，甚至会造成二次污染。如何对铁尾矿与煤矸石进行“减量化、资源化、无害化”综合利用成为亟需解决的问题。
铁尾矿、煤矸石的主要化学成分为SiO2、Al2O3，与黏土的化学组成相似。因此，铁尾矿、煤矸石有望代替黏土制备轻集料，使其得到资源化利用。但铁尾矿的成球性较差、焙烧温度区间较窄，煤矸石因含有固定碳，其爆裂温度较低，液相形成温度较高，且较难发生膨胀，以上这些问题使得铁尾矿、煤矸石难以作为单一原料在较低的温度下制备轻集料，并实现轻集料的高强、轻质性能。因此在利用铁尾矿或煤矸石等固废制备轻集料的过程中，往往会加入很多额外的添加剂以改善轻集料性能，如粘结剂(膨润土、黏土等)、发泡剂(碳化硅、碳酸钠、石灰石、硫酸钙、氧化铁、有机物等)、助熔剂(长石、石灰石、铁类氧化物、二氧化锰等)等。
中国专利CN114133213A把铁尾矿、粉煤灰、磁性纳米材料与其他粘合添加剂按质量百分比混合后造球进行微波循环加热得到铁尾矿轻集料。中国专利 CN113698175A以煤矸石粉、粘土粉、页岩粉、生石灰粉、发泡剂等为原料，按一定比例混合造粒，再焙烧得到煤矸石轻集料。大量添加剂的加入降低了固体废弃物在原料中的占比，无法使固废利用的程度达到最大化，且消耗了粘土、页岩等不可再生资源，添加剂的掺加导致轻集料的生产成本提高。
而我国轻集料的发展比较缓慢，2021年我国陶粒产量仅为1614.5万m3，且近年来轻集料企业主要集中于发展超轻集料，高强轻集料发展缓慢。同时高强轻集料是制备隔墙板、砌块等预制构件的理想材料，近年来装配式建筑蓬勃发展，需要高强轻集料用量5亿m3左右，远高于我国目前的陶粒年产量。
发明内容
本发明意在提供一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法，不仅可以实现两种固废的大宗消纳，还可以满足下游建材市场的需求。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法，包括步骤：
S1、将铁尾矿和煤矸石分别进行破碎及细磨处理；
S2、将磨细后的铁尾矿和煤矸石按一定比例进行配料，并加水混匀，得到混合料；
S3、将混合料进行造球，造球时持续加水，得到轻集料生坯,将生坯进行筛分，筛选出5～16mm的生坯；
S4、在台车上铺底料及边料，将筛选出的生坯依次进行布料、干燥、预热、焙烧和冷却处理，得到焙烧球团；
S5、对焙烧球团进行筛分，粒径5～16mm的焙烧球团即为高强轻集料。
作为优选，所述步骤S1中，所述铁尾矿为高硅型铁尾矿，其SiO2含量大于 40％；所述煤矸石为黏土岩矸石，其主要成分为SiO2和Al2O3。
作为优选，所述步骤S1中，细磨处理为以下处理工艺中的一种：
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别加水进行湿式球磨，然后进行脱水干燥；
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在自然水分下进行高压辊磨；
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在烘干后进行干式球磨。
作为优选，所述步骤S2中，配料时：所述铁尾矿占比25％～65％，所述煤矸石占比35％～75％，加1％％～7％水后混匀；混合料中的SiO2、Al2O3、熔剂氧化物含量以质量百分比计算：SiO2含量52％～79％，Al2O3含量12％～25％，熔剂氧化物含量8％～26％，以上数值是换算为三者占比为100％时的含量，熔剂氧化物包括Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O和K2O中的多种成分。
作为优选，所述步骤S3中，采用圆盘造球机或圆筒造球机进行造球，造球时水分增至9～12％，造球时间为6～12min。得到的生坯的落下强度大于4次 /0.5m，抗压强度大于10N/个，生坯爆裂温度高于250℃。
作为优选，所述步骤S4中的制备工艺为：
布料：布料高度为50～500mm；
干燥：干燥温度为200～300℃，干燥时间为5～10min；
预热：预热温度400～700℃，预热时间4～10min；
焙烧：焙烧温度1100～1250℃，焙烧时间10～35min；
冷却：通过台车下方的风箱鼓入自然空气，将台车上的焙烧陶粒强制冷却，冷却得到的热风从台车上部烟罩循环到干燥预热段使用，陶粒冷却到温度小于 120℃后从台车卸下。
作为优选，所述步骤S4中的设备采用带式焙烧机、基于移动床水平移动的链篦机、静态烧结隧道窑或辊道窑。
作为优选，所述步骤S5中，高强轻集料的堆积密度700～900kg/m3，吸水率3～9％，筒压强度≥6MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明技术方案完全利用铁尾矿、煤矸石作为原料制备高强轻集料，使得原料中的固废掺量达到百分百，提高了固废物的使用量，达到了最大化利用的目的，不额外掺杂添加剂，降低了轻集料的生产成本。
2、本发明通过优化铁矿石和煤矸石原料配比，充分利用原料自身性质，协同制备高强轻集料。利用煤矸石成球性优、焙烧温度区间宽来弥补铁尾矿的成球性弱、焙烧温度区间较窄的问题，利用铁尾矿助熔成分较高、易膨胀的特点，可弥补煤矸石焙烧温度高、液相难生成、难膨胀的缺陷，有效降低体系液相形成温度、促进轻集料膨胀，满足高强轻集料性能需求，节能降耗，并降低了生产成本。
3、本发明技术方案利用铁尾矿和煤矸石共同制备得到符合 GBT17431.1-2010标准的高强轻集料。制备的高强轻集料可作为建筑行业的优质原料，用于制备隔墙板、砌块等预制构件，填补高强轻集料市场的空缺。
4、采用带式焙烧机、基于移动床水平移动的链篦机、静态烧结隧道窑、辊道窑等设备烧制高强轻集料，相较于回转窑，产量更高，能耗更低，且避免了回转窑易结圈的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的，一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法，包括步骤：
S1、将铁尾矿和煤矸石分别进行破碎及细磨处理；
具体的，铁尾矿为高硅型铁尾矿，其SiO2含量大于40％；所述煤矸石为黏土岩矸石，其主要成分为SiO2和Al2O3。
细磨处理为以下处理工艺中的一种：
(1)经破碎的铁尾矿和煤矸石分别加水进行湿式球磨，然后进行脱水干燥；
(2)经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在自然水分下进行高压辊磨；
(3)经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在烘干后进行干式球磨。
细磨处理使得铁尾矿和煤矸石的粒径小于0.074mm的占比为50％以上，比表面积达到2000cm2/g以上。对铁尾矿和煤矸石进行适当细磨，可有效降低原料粒径，增加比表面积，使得颗粒间接触更充分；造球时适当调节水分和造球时间，即可在不使用粘结剂的条件下制备性能优良的生坯球团；还能够提高反应活性，对促进球团固结有重要作用。
S2、将磨细后的铁尾矿和煤矸石按一定比例进行配料，并加水混匀，得到混合料；
具体的，配料时，所述铁尾矿占比25％～65％，所述煤矸石占比35％～75％，加1％％～7％水后混匀；混合料中的SiO2、Al2O3、熔剂氧化物含量以质量百分比计算：SiO2含量52％～79％，Al2O3含量12％～25％，熔剂氧化物含量8％～26％。以上数值是换算为三者占比之和为100％时的含量，熔剂氧化物代表Fe2O3、FeO、 MgO、CaO、Na2O和K2O，SiO2、Al2O3是轻集料的基体成分，构成其骨架，熔剂氧化物在焙烧时起到助熔的作用，可降低液相的生成温度。
以铁尾矿、煤矸石共同作为原料，充分利用了两者的优势，协同制备高强轻集料。两者一般难以满足轻集料化学成分要求，通过调整两者配比，则可满足要求。煤矸石中含有高岭石，是一种优等成球性原料，可弥补铁尾矿成球性弱的问题，配加使用，可制备性能优良的生坯球团。铁尾矿助熔成分较高，可弥补煤矸石焙烧温度高、液相难生成的缺陷，有效降低轻集料的焙烧温度；铁尾矿中的碳酸盐、铁氧化物、硫化物可充当发气成分，更易膨胀，配加后利于轻质性能的实现。铁尾矿的焙烧温度区间较窄，配加煤矸石后，焙烧温度区间拓宽，生产过程中温度易于控制。煤矸石中的固定碳可作为燃料、发气成分，配加后可降低能耗。
S3、将混合料进行造球，造球时持续加水，得到轻集料生坯,将生坯进行筛分，筛选出5～16mm的生坯；
具体的，采用圆盘造球机或圆筒造球机进行造球，造球时水分增至9～12％，造球时间为6～12min。得到的生坯的落下强度大于4次/0.5m，抗压强度大于10N/ 个，生坯爆裂温度高于250℃。
S4、在台车上铺底料及边料，将筛选出的生坯依次进行布料、干燥、预热、焙烧和冷却处理，得到焙烧球团；
具体的，采用带式焙烧机、基于移动床水平移动的链篦机、静态烧结隧道窑或辊道窑烧制高强轻集料。布料高度为50～500mm。利用余热对生坯进行干燥，干燥温度为200～300℃，干燥时间为5～10min。干燥温度过低，则所需干燥时间延长；干燥温度过高，干燥过程中生坯易发生炸裂，成品率降低。预热温度 400～700℃，预热时间4～10min，避免坯体进入高温区后因温度剧烈变化而发生炸裂，起到排气降压的作用并为坯体表层的软化做准备。焙烧温度1100～ 1250℃，焙烧时间10～35min。焙烧温度过低或焙烧时间过短，坯体内反应不充分，孔隙不够发达，液相量较少，表面难以形成釉层；焙烧温度过高或焙烧时间过长，坯体过于膨胀，且过熔，坯体出现板结现象。焙烧结束后鼓入自然空气进行冷却，冷却热风循环至干燥预热段使用，可降低陶粒生产能耗。
S5、对焙烧球团进行筛分，粒径5～16mm的焙烧球团即为高强轻集料；
具体的，高强轻集料的堆积密度700～900kg/m3，吸水率3～9％，筒压强度≥6MPa。并且高强轻集料的性能满足以下要求：当堆积密度＞700kg/m3、≤800 kg/m3时，吸水率≤10％，筒压强度≥6MPa，此时为800级高强轻集料；当堆积密度＞800kg/m3、≤900kg/m3时，吸水率≤10％，筒压强度≥6.5MPa，此时为 900级高强轻集料。
以下实施例及对比例，采用某矿山的铁尾矿，其化学成分如下：SiO241.97％，Al2O39.98％，Fe2034.63％，FeO 3.18％，CaO 10.90％，MgO 5.31％，Na2O 3.48％， K2O1.82％，S 5.84％，LOI(烧失量)5.56％；采用某地区的煤矸石，其化学成分如下：SiO250.29％，Al2O322.86％，Fe2030.53％，FeO 2.75％，CaO 0.98％，MgO 0.57％， Na2O0.50％，K2O 1.46％，S 0.25％，C6.09％，LOI 17.01％。
实施例1
将铁尾矿和煤矸石分别烘干后进行干式球磨，至粒度-0.074mm占55％。以混合料(干重)为基准，按铁尾矿：煤矸石＝55：45的配比进行配料，预加3％水后混匀。利用圆盘造球机造球，造球水分10.0％，造球时间为8min，紧密2min。
采用带式焙烧机烧制轻骨料，生坯料层高度为100mm。干燥温度250℃，干燥时间6min；再在500℃下预热6min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1175℃，焙烧时间20min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度894kg/m3，1h吸水率6.8％，表观密度1756kg/m3，筒压强度9.2MPa，单颗轻集料抗压强度1563N。根据标准，密度等级为900的高强轻集料，其筒压强度需大于6.5MPa，故符合标准。
实施例2
将铁尾矿和煤矸石分别加水调整矿浆浓度70％进行湿式球磨，然后干燥脱水，至粒度-0.074mm占60％。以混合料(干重)为基准，按铁尾矿：煤矸石＝50： 50的配比进行配料，预加3％水后混匀。利用圆盘造球机造球，造球水分10.5％，造球时间为8min，紧密2min。
采用静态烧结隧道窑烧制轻骨料，生坯料层高度为150mm。干燥温度250℃，干燥时间8min；再在550℃下预热6min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1175℃，焙烧时间25min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度859kg/m3，1h吸水率7.3％，表观密度1705kg/m3，筒压强度8.6MPa，单颗轻集料抗压强度1250N。根据标准，密度等级为900的高强轻集料，其筒压强度需大于6.5MPa，故符合标准。
实施例3
将铁尾矿和煤矸石分别在自然水分下进行高压辊磨，至粒度-0.074mm占 65％。以混合料(干重)为基准，按铁尾矿：煤矸石＝45：55的配比进行配料，预加5％水后混匀。利用圆筒造球机造球，造球水分11.0％，造球时间为8min，紧密2min。
采用辊道窑烧制轻骨料，生坯料层高度为200mm。干燥温度270℃，干燥时间8min；再在550℃下预热8min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1200℃，焙烧时间25min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度844kg/m3，1h吸水率7.8％，表观密度1664kg/m3，筒压强度7.5MPa，单颗轻集料抗压强度1144N。根据标准，密度等级为900的高强轻集料，其筒压强度需大于6.5MPa，故符合标准。
实施例4
将铁尾矿和煤矸石分别烘干后进行干式球磨，至粒度-0.074mm占70％。以混合料(干重)为基准，按铁尾矿：煤矸石＝40：60的配比进行配料，预加5％水后混匀。利用圆筒造球机造球，造球水分11.5％，造球时间为8min，紧密2min。
采用基于移动床水平移动的链篦机烧制轻骨料，生坯料层高度为250mm。干燥温度300℃，干燥时间8min；再在600℃下预热8min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1200℃，焙烧时间30min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为 20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度859kg/m3，1h吸水率8.1％，表观密度1705kg/m3，筒压强度7.3MPa，单颗轻集料抗压强度1017N。根据标准，密度等级为900的高强轻集料，其筒压强度需大于6.5MPa，故符合标准。
对比例1
将铁尾矿烘干后进行干式球磨，至粒度-0.074mm占60％。将100％铁尾矿预加5％水后混匀。利用圆筒造球机造球，造球水分10.4％，造球时间为8min，紧密2min。
采用带式焙烧机烧制轻骨料，生坯料层高度为200mm。干燥温度300℃，干燥时间8min；再在600℃下预热8min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1150℃，焙烧时间20min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度718kg/m3，1h吸水率8.1％，表观密度1532kg/m3，筒压强度3.3MPa，单颗轻集料抗压强度617N，不符合标准。
对比例2
将煤矸石烘干后进行干式球磨，至粒度-0.074mm占60％。以100％煤矸石预加5％水后混匀。利用圆盘造球机造球，造球水分10.4％，造球时间为8min，紧密2min。
采用带式焙烧机烧制轻骨料，生坯料层高度为200mm。干燥温度300℃，干燥时间8min；再在600℃下预热8min；然后进行氧化焙烧，焙烧温度1200℃，焙烧时间30min。焙烧结束后鼓入空气进行冷却，冷却时间为20min。
按照GBT17431-2010检验产品性能，该轻集料堆积密度908kg/m3，1h吸水率10.6％，表观密度1782kg/m3，筒压强度5.6MPa，单颗轻集料抗压强度885N，故不符合标准。
由实施例1、2、3、4和对比例1、2可知，调整铁尾矿、煤矸石的比例，配合适宜的工艺参数，可以不添加其他物质，提高轻集料的强度，得到性能优良的高强轻集料产品。而对比实施例1、2中，使用100％铁尾矿或100％煤矸石制备轻集料，其性能较差，不符合标准要求。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未做过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (1)

1.一种铁尾矿、煤矸石球团法协同制备高强轻集料的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将铁尾矿和煤矸石分别进行破碎及细磨处理；
S2、将磨细后的铁尾矿和煤矸石按一定比例进行配料，并加水混匀，得到混合料；
S3、将混合料进行造球，造球时持续加水，得到轻集料生坯,将生坯进行筛分，筛选出5～16mm的生坯；
S4、在台车上铺底料及边料，将筛选出的生坯依次进行布料、干燥、预热、焙烧和冷却处理，得到焙烧球团；
S5、对焙烧球团进行筛分，粒径5～16mm的焙烧球团即为高强轻集料；
所述步骤S1中，所述铁尾矿为高硅型铁尾矿，其SiO2含量大于40％；所述煤矸石为黏土岩矸石，其主要成分为SiO2和Al2O3；
所述步骤S1中，细磨处理为以下处理工艺中的一种：
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别加水进行湿式球磨，然后进行脱水干燥；
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在自然水分下进行高压辊磨；
经破碎的铁尾矿和煤矸石分别在烘干后进行干式球磨；
所述步骤S2中，配料时：所述铁尾矿占比25％～65％，所述煤矸石占比35％～75％，加1％％～7％水后混匀；混合料中的SiO2、Al2O3、熔剂氧化物含量以质量百分比计算，包括：SiO2含量52％～79％，Al2O3含量12％～25％，熔剂氧化物含量8％～26％；
所述步骤S3中，采用圆盘造球机或圆筒造球机进行造球，造球时水分增至9～12％，造球时间为6～12min，得到的生坯的落下强度大于4次/0.5m，抗压强度大于10N/个，生坯爆裂温度高于250℃；
所述步骤S4中的制备工艺为：
布料：布料高度为50～500mm；
干燥：干燥温度为200～300℃，干燥时间为5～10min；
预热：预热温度400～700℃，预热时间4～10min；
焙烧：焙烧温度1100～1250℃，焙烧时间10～35min；
冷却：通过台车下方的风箱鼓入自然空气，将台车上的焙烧陶粒强制冷却，冷却得到的热风从台车上部烟罩循环到干燥预热段使用，陶粒冷却到温度小于120℃后从台车卸下；
所述步骤S4中的设备采用带式焙烧机、基于移动床水平移动的链篦机、静态烧结隧道窑和辊道窑中的一种；
所述步骤S5中，高强轻集料的堆积密度700～900kg/m3，吸水率3～9％，筒压强度≥6MPa。
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