CN115466133A - 一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤泥‑自燃煤矸石陶粒的制备方法，属于建筑材料技术领域，本发明以煤泥为主料，自燃煤矸石为辅料，硬脂酸为造孔剂，按重量百分比：煤泥50％～70％、自燃煤矸石30％～50％，然后造孔剂占二者质量之和的4％～10％。生产工艺包括：配料、粉磨、过筛、混合、制球、烘干、焙烧和冷却。该方法利用高温反应过程中造孔剂热分解留下孔洞进行膨化造孔，煤泥中的碳含量降低了燃料的过耗，提高了坯体孔隙结构，搭配自燃煤矸石和造孔剂硬脂酸共同作用，生产出具有粗糙表面，丰富孔道结构和不同尺寸闭口孔的陶粒。本发明生产工艺简单，成本低，消纳大量煤基固废，陶粒堆积密度低、筒压强度高，可助力当地装配式建筑的发展。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种采用煤泥、自燃煤矸石制备陶粒的制备方法。
背景技术
煤泥、煤矸石是我国排放量较大的煤基固废之一，每年煤泥产生量在2亿吨左右，而煤矸石排放量一般为当年煤炭产量的10％～15％，已累计堆存70亿吨。目前二者一般采用填埋或露天堆放，由于产量高、综合利用率低，对环境造成严重污染。近些年，随着资源环境约束的持续加重，堆存越来越困难，时有煤炭企业因为无法处理这些固废而不得不限产或停产。因此，研究煤泥、煤矸石等煤基固废的综合利用途径显得尤为重要。
煤矸石是伴随着煤炭开采产生的固体废弃物，自燃煤矸石不同于原状煤矸石，原状煤矸石外观呈黑色或灰黑色，含碳量较高，自燃煤矸石在自燃后除去了部分碳，具有一定的化学活性，孔隙率较高，矿物成分多以高岭石、云水母等黏土类矿物经过脱水、分解、高温熔融及重结晶而形成新的物相，硅铝比值更符合陶粒的制备。
煤泥有颗粒细、持水性强、灰分高及黏性较大的特点。这些特性导致煤泥的大量堆放，大量堆放时其形态也及不稳定，遇水即流失，风干即飞扬。不但浪费了宝贵的煤炭资源，而且造成了严重的环境污染。但煤泥的塑形较高且具有黏土质的特点，可以作为陶粒制备的选择。
陶粒因具有质量轻、耐腐蚀、抗冻、抗震、保温、隔热、隔音和隔潮等多功能特性，是高品质的建筑轻集料。随着我国天然集料等自然资源开采逐步收紧，利用固废制陶粒成为降碳的重要途径。同时，在“双碳”目标下，建筑行业装配式施工是未来发展方向，固废陶粒作为优质的装配式建筑板材集料，将有广阔的应用空间。
传统陶粒多用黏土和页岩等制成，如今这些不可再生资源已被限制开采，因此目前制陶原材料已经转移到了与黏土化学成分相近的粉煤灰、污泥和底泥等固体废弃物中。
如专利申请号202010468501.8中公开了一种多孔陶粒的制备方法，该方法将粉煤灰、水泥、石灰和石膏混合均匀后，球磨处理，得到球磨后的起始粉末，再将原始膨胀珍珠岩原材料球磨处理，得到球磨后的膨胀珍珠岩粉末；将球磨后的起始粉末和膨胀珍珠岩粉末按质量比100:4～8的比例混合均匀，得到混合原材料；造粒成球后蒸压处理得到多孔陶粒。
专利申请号202011086173.1中公开了一种赤泥基高强陶粒及其制备方法，该方法将赤泥35％～50％、粉煤灰15％～30％、铝灰10％～15％、方镁石5％～10％、钡渣或锶渣5％～10％、石膏5％～10％以及生活污泥15％～20％，粉磨，过筛，混合均匀，加水，制成生料球，烘干；将烘干的生料球煅烧，得到陶粒。
由此可以看出以污泥、粉煤灰等为原料制陶的研究很多，但配方复杂，且大多研究添加了黏土、水泥等价值较高的材料，以煤泥为主要原料制陶的研究鲜有报道。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法。
煤泥作为制备陶粒的主要原材料，使得煤泥高灰分、低热值、高黏性的特性得到最大化利用，同时采用自燃煤矸石作为辅助材料，解决煤泥的塑性过强不易成球的问题，同时加入一定量的造孔剂，用以在高温产气中帮助陶粒膨胀。主力掺量煤泥和辅助材料自燃煤矸石组配烧制的陶粒物相生成上有较多的玻璃体相，提高了陶粒的外表面强度。造孔剂硬脂酸的作用使陶粒外表面有不同程度的锯齿状，有助于陶粒在后期与混凝土适配上有较好的粘结力。本发明提供的利用100％煤基固废为原料制备陶粒的方法，最大化的解决煤泥堆积过大的问题，同时以自燃煤矸石为原料辅助，可以有效解决煤泥、煤矸石难处理的问题，同时产生巨大的经济效益和社会效益。
一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，具体工艺步骤如下：
步骤1：使用破碎机将煤泥、自燃煤矸石破碎成粗集料；
步骤2：将得到的粗集料破碎成细集料，过2.5mm方孔筛后烘干；
步骤3：使用球磨机粉磨烘干的细集料，过0.16mm方孔筛；
步骤4：按照重量百分比：煤泥50％～70％、自燃煤矸石30％～50％，合计100％，造孔剂加入量为煤泥与自燃煤矸石总重量的4％～10％，称取各组分原料；
步骤5：将原料混合搅拌均匀后用进行均匀喷水，达到90％～95％的湿度；
步骤6：把搅拌均匀且润湿的混合料投入造粒机中，保持均匀转速的同时对混合料喷水直至混合料由粉状变成絮状时停止喷水，经造粒机成型制得粒径10mm～15mm的生料球；
步骤7：将制得的生料球放入烘箱内，在100℃～105℃保温2h～3h，使生料球的水分完全蒸发，避免在焙烧过程中因快速升温以致生料球炸裂；
步骤8：把烘干后的生料球放入高温电炉内，升温到250℃～450℃的预热温度，保温15min～20min，以同样的升温速率升至焙烧温度，进行焙烧处理；
步骤9：将焙烧完成的陶粒在随炉冷却至室温。
上述煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其中：
所述步骤2中，烘干温度为100℃～105℃，保温时间为2h～3h。
所述步骤4中，所述造孔剂为分析纯硬脂酸。
所述步骤4中，煤泥与自燃煤矸石按比例混合的混合料，按化学成分及百分比包括：SiO2：48％～70％；Al2O3：8％～25％；(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)：4.5％～31％。
所述步骤8中，升温速率为15℃/min，焙烧温度为1030℃～1170℃，焙烧时间为5min～35min。
所述步骤8中，预热处理是根据原料情况设置的工艺环节，预热的目的是进一步对陶粒中含有的毛细血管水、结合水的蒸发处理，先初步进行一部分反应生成水蒸气，用以防止直接升至高温导致陶粒炸裂。
本发明所示制备方法制得的陶粒成品堆积密度为270kg/m3～900kg/m3之间，1h吸水率在8％～18％之间，筒压强度在0.5MPa～7.5MPa之间。
本发明的积极有益效果如下：
本发明采用煤泥和自燃煤矸石等煤基固废作为原料，一般由于洗煤厂的煤泥含碳量过高无法制备陶粒，煤泥使用量一般不超过30％，本发明中煤泥的使用量达到了50％～70％，制备出的陶粒符合国家标准要求GB/T 17431.2-2010《轻集料及试验方法第1部分：轻集料》。与天然资源制备而成的陶粒得到相同的性能指标，同时更加降低了陶粒的成本。
本发明中采用的煤泥与传统制备陶粒的原料不同，煤泥自身的含碳量高，水分高，利用率低，本发明充分利用煤泥自身的特性，在焙烧过程中碳燃烧为陶粒提供部分热量，减少了能源的消耗，降低了陶粒的生产成本，而原料中自燃煤矸石不同于原状煤矸石，自燃煤矸石的含碳量低，颗粒孔隙率相对较高，矿物成分上又具有粘土性质，因此煤泥与自燃煤矸石的复掺有良好的契合度。
本发明中采用的煤泥具有较强的粘性，其含有的高岭石为粘土质矿物，具有很好的可塑性，较易于制成陶粒，不需要额外的增塑剂，而自燃煤矸石中含有大量的石英，而导致其可塑性较差。因此，通过一定的配比调整二者的细度和级配，使得复掺级配效果更好，更有利于提高生料坯的可塑性。
本发明方法制得的煤泥-自燃煤矸石陶粒与传统外表面光滑陶粒有所不同，由于原料和造孔剂的共同作用，陶粒外表面形成锯齿状，易于和混凝土之间有较好的粘合力，提高混凝土试件的强度质量。
本发明所得到的烧胀陶粒成品堆积密度为270kg/m3～900kg/m3之间，1h吸水率在8％～18％之间，筒压强度在0.5MPa～7.5MPa之间。
附图说明
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为本发明实施例1-3制备的400级、500级、900级烧胀陶粒成品实物图；
图3为本发明实施例1制备的陶粒的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的解释和说明。
本发明所采用的煤泥取自阜新市新邱露天矿洗煤厂，煤泥灰分含量为48％，固定碳含量为28.71％，热值为15.96MJ/kg。自燃煤矸石取自阜新市清河门矿煤矸石山。
按比例称取的煤泥与自燃煤矸石的混合料，其化学成分及百分比包括：SiO2：48％～70％；Al2O3：8％～25％；(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)：4.5％～31％。
本发明所采用的颚式破碎机、制砂机、立式行星球磨机、方孔筛、烘箱、造粒机、高温电炉均为本领域的常规加工设备，为市面上公开销售的设备。
实施例1
一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，如图1所示，具体工艺步骤如下：
步骤1：使用颚式破碎机将煤泥、自燃煤矸石破碎成粗集料；
步骤2：使用制砂机将步骤1中的粗集料破碎成细集料，过2.5mm方孔筛后放入烘箱105℃保温3h烘干；
步骤3：使用立式行星球磨机粉磨步骤2中烘干的细集料，过0.16mm方孔筛；
步骤4：按照重量百分比：煤泥50％、自燃煤矸石50％及造孔剂(分析纯硬脂酸)4％，称取各组分原料；
步骤5：将原料混合搅拌均匀后用喷壶进行均匀喷水，达到95％的湿度；
步骤6：把混合均匀且润湿的粉末投入造粒机中，保持均匀转速的同时用喷壶对混合料喷水直至混合料由粉状变为絮状时停止喷水，经造粒机成型制得粒径10mm～15mm的生料球；
步骤7：将制得的生料球放入烘箱内，在105℃保温3h，使生料球的水分完全蒸发，避免在焙烧过程中因快速升温以致生料球炸裂；
步骤8：把烘干后的生料球放入高温电炉内，以15℃/min的升温速率升到350℃的预热温度，保温15min，同样以15℃/min的升温速率升至1100℃的焙烧温度，按照20min的焙烧时间煅烧；
步骤9：将焙烧完成的陶粒在高温电炉内进行自然冷却，冷却至室温。
本实施例中所制得的烧胀陶粒实物如图2所示，成品堆积密度为408.3kg/m3，1h吸水率在13.8％，筒压强度在1.45MPa。制备的陶粒的XRD图谱如图3所示。
实施例2
一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，具体工艺步骤如下：
步骤1：使用颚式破碎机将煤泥、自燃煤矸石破碎成粗集料；
步骤2：使用制砂机将步骤1中的粗集料破碎成细集料，过2.5mm方孔筛后放入烘箱105℃保温3h烘干；
步骤3：使用立式行星球磨机粉磨步骤2中烘干的细集料，过0.16mm方孔筛；
步骤4：按照重量百分比：煤泥60％、自燃煤矸石40％及造孔剂(分析纯硬脂酸)8％，称取各组分原料；
步骤5：将原料混合搅拌均匀后用喷壶进行均匀喷水，达到95％的湿度；
步骤6：把混合均匀且润湿的粉末投入造粒机中，保持均匀转速的同时用喷壶对混合料喷水直至由粉状变为絮状时停止喷水，经造粒机成型制得粒径10mm～15mm的生料球；
步骤7：将制得的生料球放入烘箱内，在105℃保温3h，使生料球的水分完全蒸发，避免在焙烧过程中因快速升温以致生料球炸裂；
步骤8：把烘干后的生料球放入高温电炉内，以15℃/min的升温速率升到350℃的预热温度，保温15min，同样以15℃/min的升温速率升至1080℃的焙烧温度，按照20min的焙烧时间煅烧；
步骤9：将焙烧完成的陶粒在高温电炉内进行自然冷却，冷却至室温。
本实施例中制得的烧胀陶粒实物如图2所示，成品堆积密度为354.7kg/m3，1h吸水率在12.21％，筒压强度在1.17MPa。
实施例3
一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，具体工艺步骤如下：
步骤1：使用颚式破碎机将煤泥、自燃煤矸石破碎成粗集料；
步骤2：使用制砂机将步骤1中的粗集料破碎成细集料，过2.5mm方孔筛后放入烘箱105℃保温3h烘干；
步骤3：使用立式行星球磨机粉磨步骤2中烘干的细集料，过0.16mm方孔筛；
步骤4：按照重量百分比：煤泥70％、自燃煤矸石30％及造孔剂(分析纯硬脂酸)6％，称取各组分原料；
步骤5：将原料混合搅拌均匀后用喷壶进行均匀喷水，达到95％的湿度；
步骤6：把混合均匀且润湿的粉末投入造粒机中，保持均匀转速的同时用喷壶对混合料喷水直至由粉状变成絮状时停止喷水，经造粒机成型制得粒径10mm～15mm的生料球；
步骤7：将制得的生料球放入烘箱内，在105℃保温3h，使生料球的水分完全蒸发，避免在焙烧过程中因快速升温以致生料球炸裂；
步骤8：把烘干后的生料球放入高温电炉内，以15℃/min的升温速率升到250℃的预热温度，保温15min，同样以15℃/min的升温速率升至1030℃的焙烧温度，按照20min的焙烧时间煅烧；
步骤9：将焙烧完成的陶粒在高温电炉内进行自然冷却，冷却至室温。
本实施例中制得的烧胀陶粒实物如图2所示，成品堆积密度为854.6kg/m3，1h吸水率在15.76％，筒压强度在6.11MPa。
表1实施例1-3中制备的陶粒的性能指标
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 堆积密度kg/m<sup>3</sup> | 408.3 | 354.7 | 854.6 |
| 吸水率％ | 13.8 | 12.21 | 15.76 |
| 筒压强度MPa | 1.45 | 1.17 | 6.11 |
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1：使用破碎机将煤泥、自燃煤矸石破碎成粗集料；
步骤2：将得到的粗集料破碎成细集料，过2.5mm方孔筛后烘干；
步骤3：使用球磨机粉磨烘干的细集料，过0.16mm方孔筛；
步骤4：按照重量百分比：煤泥50％～70％、自燃煤矸石30％～50％，合计100％，造孔剂加入量为煤泥与自燃煤矸石总重量的4％～10％，称取各组分原料；
步骤5：将原料混合搅拌均匀后用进行均匀喷水，达到90％～95％的湿度；
步骤6：把搅拌均匀且润湿的混合料投入造粒机中，保持均匀转速的同时对混合料喷水直至混合料由粉状变成絮状时停止喷水，经造粒机成型制得粒径10mm～15mm的生料球；
步骤7：将制得的生料球放入烘箱内，在100℃～105℃保温2h～3h；
步骤8：把烘干后的生料球放入高温电炉内，升温到250℃～450℃的预热温度，保温15min～20min，以同样的升温速率升至焙烧温度，进行焙烧处理；
步骤9：将焙烧完成的陶粒在随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，烘干温度为100℃～105℃，保温时间为2h～3h。
3.根据权利要求1所述的煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，所述造孔剂为分析纯硬脂酸。
4.根据权利要求1所述的煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，煤泥与自燃煤矸石按比例混合的混合料，按化学成分及百分比包括：SiO2：48％～70％；Al2O3：8％～25％；(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)：4.5％～31％。
5.根据权利要求1所述的煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，所述步骤8中，升温速率为15℃/min，焙烧温度为1030℃～1170℃，焙烧时间为5min～35min。
6.根据权利要求1所述的煤泥-自燃煤矸石陶粒的制备方法，其特征在于，制备得到的陶粒成品堆积密度为270kg/m3～900kg/m3之间，1h吸水率在8％～18％之间，筒压强度在0.5MPa～7.5MPa之间。
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