CN115594432B - 一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统，包括对物料进行预研磨的预粉旋臼磨，预粉旋臼磨的下端出料口通过斗式提升机连接着风选机，风选机的底部下端颗粒出口处通过管路连接到超细磨的进料口处；在预粉旋臼磨的上端设置有粉尘出口管路，其连接到除尘系统中；风选机的粉尘出口也同时接入到除尘系统中，除尘系统管路汇聚微粉煤仓；在超细磨的进料管路中投放有用于物料阴烧的助燃剂和活性剂。本发明的目的在于提供一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统及其加工方法，高效处理煤矸石固废，不仅能减轻环保压力，有效处置煤矸石固废；同时利用其生产出建筑材料替代物，并有效回收煤粉，节约了能源，做到了固废的多效利用。
Description
技术领域
本发明涉及煤矸石回收利用技术领域，具体涉及一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法。
背景技术
煤炭是我国最主要的能源，其资源非常丰富，2016年产量已超过37亿吨，同年煤矸石排放总量达到7.5亿吨，预计2020年煤矸石排放总量将接近8亿吨，累计堆积量为45亿吨，形成的煤矸石山约2600多座，占地1.3万公顷。大量堆存的煤矸石给当地造成了巨大的环境压力。煤矸石对土壤、农作物、空气质量、水体等产生的污染已经引起社会的高度重视，也成为国家环保部及当地政府强力治理且亟待解决的问题。
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。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。通常情况下煤矸石含碳量在2％-12％左右，较高的能到20％。由于其通常露天堆放，在一定条件下容易引起自燃现象，这也是其作为固废垃圾不容易处理的原因之一。
煤矸石是夹在煤层中，与煤伴生的岩石。是采煤和选煤过程中排出的废废弃物。其产生的途径有以下三种：
1、在井简与巷道掘进过程中，开凿排出的煤矸石。
2、在采煤和煤巷掘进过程中，由于煤层中夹有矸石或削下部分煤层顶底板，使运到地面中煤炭含有的原矸。
3、洗煤厂产生的洗矸和少量人工挑选的拣矸。
固体废弃物的治理包括开展综合利用和处理处置两个方面。建国以来。我国即提倡工业废渣的综台利用。已创出了符告国情的技术路子，即以大宗利用为主，兼顾多功能高效能的利用。在取得环境效益和社会效益的同时，注意尽可能收到良好的经济效益。多年来，大力研究和开发了工业废渣耗用量大的水泥、墙体材料、筑路、填方、农用等方面的技术。化工、石油化工等行业，还在固体废物回收利用、循环利用方面开发丁多种无废、低毒的清洁工艺技术。从固体废物中回收资源也做出了不少成绩。
据不完全统计，占年产生量26.3％的固体废物得到了综合利用，其中冶炼渣4162万吨，粉煤灰1550万吨，煤矸石2122万吨。这些废物主要用作工程建设材料等方面。例如，90％以上的高炉渣作为水泥混台材料。全国年产2亿多吨水泥中，约有50％用了不同数量的高炉渣，一年掺入量约2000多万吨。许多工厂使用煤矸石做原料和燃烧生产建筑材料和发电。收到了良好的环境、经济和社会效益。
但是煤矸石发电由于热值低、规模小，环保问题多，已经被国家明文取缔，而煤矸石建材产品由于煤矸石容易风化的特性，而无法大规模应用，先期各产煤区已经使用煤矸石制砖所建筑的楼房已经发生了风化而成为危楼需要加固甚至重建。所以煤矸石大规模资源化的利用仍旧任重道远。
而同为煤系固废的粉煤灰(火电厂燃煤残余物)，其为燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物，如燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰。飞灰是煤粉进入1300～1500℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却而形成的。
粉煤灰原来也是无人问津的固废，但在近40年的废物利用实践中，在建材领域的应用越来越广泛，已经成为建材原料中的香馍馍。例如，粉煤灰(硅酸盐)水泥，是一种水硬性胶凝材料，由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、适量石膏磨细制成。
实践中我们发现，煤矸石与粉煤灰、黏土的化学成分相近，而后两者是优良的建材原料。故而考虑将采煤后的固体废弃物进行加工后替代粉煤灰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统及其加工方法，高效处理煤矸石固废，不仅能减轻环保压力，有效处置煤矸石固废；同时利用其生产出建筑材料替代物，并有效回收煤粉，节约了能源，做到了固废的多效利用。
本发明工艺方法利用广义旋臼磨的“软硬分离”功能先将煤矸石中的软物质如残碳部分分离出来为微煤粉用途，留下的较硬的粗颗粒其含碳量低于5％、被送入非标立式超细磨，在磨中，粗颗粒中的残碳在外加剂(发热助燃)、摩擦热以及送风提供的空气(含氧)共同作用下发生燃耗(无焰燃烧，也可以称之为“阴烧”)，粗颗粒在粉磨变细的同时其中包含的残碳发生氧化而消耗，其含碳量将降低到1％或以下。同时多孔结构变成微珠无孔结构，可用于替代一级或二级粉煤灰。
申请人在先申请的专利，申请号：200910042947.8申请日：2009-03-25，一种立式旋臼磨，公开日；2009-08-19，授权日2011-08-24。公开了一种立式旋臼磨，该旋臼磨特定的结构与工作原理对于本申请中煤矸石的研磨中“煤矸分离”作用巨大，采用其他结构难以实现煤矸石“软硬分离”的效果——“软”指的是煤矸石中的残余煤，“硬”指的是煤矸石中的岩石部分。
根据该专利技术原理，生产的预粉旋臼磨和超细磨(即超细立磨，下同)，投入到发明的技术方案中进行煤矸石的“煤矸分离”与超细粉加工生产。
实践中我们发现，煤矸石与粉煤灰、黏土的化学成分相近，而后两者是优良的建材原料。
区别在于，在现代近临界与超临界机组的发电厂出来的粉煤灰含碳量为3％作用，所以，与黏土与现代粉煤灰相比，煤矸石正常含碳量8％-12％是偏高的，不利于建材用途，也不利于其他推广使用。
并且，未加工前的煤矸石颗粒粗大并且形状也不规则，含有残碳与多孔结构，做建材使用时需水量大，活性低，难以推广。
实践证明，含碳6％以上已不适用于建材原料，粉煤灰作为建材原料的含碳量要求是低于3％，而我们的目标是煤矸石超细粉含碳量在1％或以下。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统，其特征在于，包括对物料进行预研磨的预粉旋臼磨，预粉旋臼磨的下端出料口通过斗式提升机连接着风选机，风选机的底部下端粗颗粒出口处通过管路连接到超细磨的进料口处；
在预粉旋臼磨的上端设置有磨矿粉尘出口管路，其连接到除尘系统中；风选机的粉尘出口也同时接入到除尘系统中，除尘系统管路最终汇聚到微煤粉仓；
在超细磨的进料管路中设置有外加剂添加罐，其内按物料比例投放有用于物料阴烧的助燃剂和活性剂，其主要成分为氧化钙和铝块。
进一步的，预粉旋臼磨的下端设置的斗式提升机的顶部设置有封闭的磨矿粉尘排出管路，且该粉尘排出管路接入到除尘系统中，最终汇聚到微煤粉仓。
进一步的，预粉旋臼磨的下端出料口串联连接有两级斗式提升机，与预粉旋臼磨的下端出料口相连的第一斗提机，第一斗提机与第二斗提机相连，第二斗提机连接着风选机；第一斗提机的顶部设置有封闭的磨矿粉尘排出管路，且该磨矿粉尘排出管路接入到除尘系统中，最终汇聚到微煤粉仓。
本发明同时公开了，一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，采用上述加工生产设备系统，包括以下步骤：
步骤1：预粉碾磨：采用预粉旋臼磨把破碎好的煤矸石颗粒(小于60mm)来料进行料层挤压式碾磨，将原料的软硬物质解离、并将物料碾磨到设计粒径范围后，粗颗粒与细粉一同从出料口进入斗提机；此时，煤矸石的残碳大部分富集在细粉中。
步骤2：颗粒与粉尘风选：初步碾磨后的物料经过斗提机进入风选机进行风选，将细粉(如：100目：含碳量较高基本为煤矸石原料含碳量的2倍)选出送入微煤粉仓为微煤粉产品，而含碳量低于5％的粗颗粒，被送进入超细磨进行再次研磨加工；含碳量质量分数低于5％的煤矸石已难以达到燃烧产生明火的燃烧条件。燃烧三要素：可燃物、助燃含氧物与温度，其中含碳量低于5％的煤矸石是仍然具备氧化条件的可燃物但难以形成明火燃烧。
步骤3：超细磨与阴烧(氧化反应但没有明火)：粗颗粒在超细立磨内被碾磨的同时，再从外加剂料罐加入的外加剂与粉磨摩擦热和进风供氧的作用下，使煤矸石粗颗粒中所含残碳发生燃耗；由于前期旋臼磨预磨时已经去掉一部分碳，此残碳含量较低(含碳量在5％以下)其燃耗无明火(阴烧)，使得最终煤矸石超细粉的含碳量减少到1％或以下；达到替代粉煤灰的目的。
步骤4：除尘系统粉尘收集：除尘系统连接着将全系统的粉尘收集，一并送入微煤粉仓；具体为预粉旋臼磨的顶部设置的抽风管，风选机的粉尘出风管，预粉旋臼磨直接连接的斗提机的顶部设置的抽风管，均接入到除尘系统的抽风管路中。
进一步的，若步骤1中初始物料颗粒直径大于60mm，则增设一台常规破碎机。
进一步的，在步骤1中采用预粉旋臼磨对煤矸石物料进行预磨与软硬分离：煤矸石中的较硬物质(主要成分为SiO2+Al2O3)保留为较大颗粒，而原煤等软物质已被磨成细粉，煤矸石中的含碳富集到了较软的细粉中，经风选后，细粉进入微煤粉仓，粗颗粒被送入超细磨中进行超细碾磨。
进一步的，步骤3中碾磨的同时，为物料提供了助燃剂和活性粉，以及用于风选的空气，加上碾磨时摩擦热的作用，为煤矸石超细粉提供无明火自燃条件，用以燃耗剩余煤矸石粉中的残碳，进一步将煤矸石粉的碳含量降到1％或以下。
进一步的，步骤3中的助燃剂和活性粉，其主要成分为生石灰(CaO)与铝块(Al)，其燃尽物富含钙与铝的氧化物，可增加成品粉仓内微粉的水化活性。此处“水化活性”是指：成品粉仓内微粉与水搅拌混匀后，在常温下，能生成具有胶凝性的水化产物，在空气或者水中硬化的特性。
步骤3中碾磨时加入活性助燃粉，在粉磨摩擦热与风选空气的作用下，煤矸石颗粒中的残碳随着颗粒被磨细(参加氧化反应的表面积增大、铝块参与氧化反应放热增多)而逐步氧化而燃耗，产品微粉中含碳量降低。
进一步的，步骤3中所述为超细立磨内置选粉机提供的进风，根据煤矸石物料的水分与化学成分以及煤矸石自燃的需求调节，可以是热空气或富氧空气。
进一步的，调整步骤3中超细磨的参数，最终煤矸石超细粉的粒径可选为通过45微米筛网80％以上，筛余20％以下,达到粉煤灰二级灰的标准；也可选为通过45微米筛网88％以上，筛余12％以下,达到粉煤灰一级灰的标准。
步骤3中采用的超细磨为本公司技术诀窍产品，为耐温设计，内腔工作温度300度左右，设备系统将采用耐温钢板、高温润滑油、高温密封、保温材料等。可以通过超细磨将煤矸石颗粒的多孔结构变成煤矸石超细粉的微珠无孔结构，提高煤矸石超细粉的活性，并降低其做建材时的需水量。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对煤矸石是由多组分硬度不同的物质构成的物料特性，采用了立式旋臼磨替代冲击式破碎机，可保证煤矸石中软硬物质充分解离、风选后软硬物质分离，软粉为微煤粉产品；硬颗粒送去超细立磨经过细磨与脱碳成为替代粉煤灰的超细粉，由于粉煤灰用途广泛，该工艺方法为煤矸石的资源化利用提供了新的有效途径。
采用本公司首创的专利产品预粉旋臼磨，使得预磨产生的含碳粉被除尘系统抽走，残留的固体颗粒的含碳量降低到5％以下，从而降低了煤矸石粉明火燃烧的风险，为下一步操作做好准备。
2、本方法独创地利用超细立磨在粉磨物料的同时脱碳，具体就是在粉磨过程中加入活性助燃外加剂，并利用粉磨的摩擦热与粉磨风选提供的空气从而实现煤矸石颗粒在磨细过程中的无明火燃烧(阴烧)，氧化燃耗煤矸石颗粒中的残碳，降低最终产品的碳含量，使得煤矸石超细粉在化学成分上更加接近粉煤灰，结构上由粉磨前的多孔结构变成粉磨后的微珠无孔结构，可替代粉磨灰在建材领域广泛应用，可进一步提高煤矸石作为建材产品原料的质量，为大规模开发利用煤矸石资源提供了思路与解决方案。
粉煤灰活性主要来自玻璃微珠结构,通过分级机分选出的细灰绝大部分是玻璃微珠结构,因此经过分选出的细灰(一级灰/二级灰)活性好,利用价值高,应用范围广,被普遍应用常规的水泥厂与混凝土搅拌站中。
煤矸石的化学成分与粉煤灰接近,但煤矸石未加工前颗粒粗大形状也不规则,还含有残碳与多孔结构,需水量比大,活性差,无法做建材原料使用。
实验证明,采用本发明一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统及其加工方法,对激发分选后的超细煤研石粉的活性非常有效，能有效降低含碳量，并增加了有效成分。
通过混料磨细,一方面粉碎粗大多孔结构变为微球结构,解除了粗颗粒相互粘结问题。球形微粒增多,颗粒自身孔隙减少,比表面积增大,断键增多,活化分子增加,反应接触面增加,改善了其表面特性,减少了配合最终产品料时混合过程的摩擦,改善了集料级配,提高了物理活性(如颗粒效应、微集料效应)；
另外,在外加剂的作用下,超细粉磨时产生的摩擦热可以促进煤矸石中的残碳阴烧,残碳受热迅速氧化逃逸,煤矸石超细成品粉中残碳含量显著降低,煤矸石超细粉的早期化学活性提高,同时降低了煤矸石超细成品粉做建材时的需水量比,煤矸石经过适当加工后,其脱碳后的超细粉完全可以替代粉煤灰,其使用价值得到显著提高。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明的加工方法工艺流程原理图。
图2为本发明的加工方法中组成各部件连接示意图。
图3为本发明生产的煤矸石超细粉(试样1)与粉煤灰(试样2)的水溶后对比图。
图4为图3中静置24小时后结块对比图。
图中，各附图标记的含义如下：1、预粉旋臼磨；2、第一斗提机；3、第二斗提机；4、风选机；5、超细磨；6、外加剂添加罐；7、除尘系统；11、微煤粉仓；12、成品粉仓。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例一：
参见图1-2，一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统，包括对物料进行预研磨的预粉旋臼磨1，预粉旋臼磨1的下端出料口通过斗提机(即斗式提升机)连接着风选机4，风选机4的底部下端颗粒出口处通过管路连接到超细磨5的进料口处；
在预粉旋臼磨1的上端设置有粉尘出口管路，其连接到除尘系统7中；风选机4的粉尘出口也同时接入到除尘系统7中，除尘系统7管路最终汇聚到微煤粉仓11，微煤粉仓11内的含碳粉尘可以燃煤进行回收使用，其通常作为燃煤产品的热值调节用途，具有较高的经济回收价值。
在超细磨5的进料管路中设置有外加剂添加罐6，其内按物料比例投放有用于物料阴烧的助燃剂和活性剂，其主要成分为氧化钙(CaO)和铝块(Al)。
在预粉旋臼磨1以及风选机4的共同作用下，确保了进入在超细磨5内的煤矸石的含碳量低于5％一项，从而杜绝了超细磨5内发生明火燃烧的可能性；但是煤矸石超细粉末要替代粉煤灰要作为建筑材料，其含碳量要低于1％及以下，故而还需要进一步进行脱碳。而本发明采用的技术方式就行阴烧——无明火燃烧方式。利用了超细磨摩擦产生的热量，以及添加剂的放热作用，另外可选地增加热风或富氧空气，对煤矸石颗粒粉末进行物理化学作用，以促进其可燃物进行氧化反应。
外加剂中氧化钙(CaO)占外加剂中质量分数大约为80％，其主要作用为吸水，放热，CaO+H2OtCa(OH)2，放热反应，为阴烧提供热源以及确保煤矸石超细粉水分达到代替粉煤灰的标准要求；
外加剂中铝块(Al)占外加剂中质量分数大约为20％，其主要作用是铝热反应放热：铝块表面有致密氧化膜不能再被氧化，但铝块在参与粉磨的过程中，其粒度不断变小，外表面不断被破坏从而暴露内部的纯铝，而纯铝将与煤矸石中的氧化铁或空气中的氧发生氧化放热反应，加速煤矸石中的残碳燃耗，同时生成氧化铝分散在煤矸石超细粉中，同时消耗掉氧化铁，改善煤矸石作为建筑料的化学成分，满足替代粉煤灰的要求。煤矸石成分中有大量的氧化铁，实验反应化学方程式:
铝在空气中氧化的化学方程式为：4Al+3O2＝2Al2O3(放热反应)；
氧化铁:2Al+Fe2O3＝＝高温＝＝2Fe+Al2O3；
四氧化三铁:8Al+3Fe3O4＝＝高温＝＝9Fe+4Al2O3；
产生的铁粉(Fe)以及氧化铝(Al2O3)成分能有效改善煤矸石超细粉作为建筑材料的功能，满足替代粉煤灰的标准，而且使用效果等于甚至优于粉煤灰。
优选的，预粉旋臼磨1的下端设置的斗提机(即斗式提升机)的顶部设置有封闭的粉尘排出管路，且该粉尘排出管路接入到除尘系统7中，最终汇聚到微煤粉仓11。
优选的，预粉旋臼磨1的下端出料口串联连接有两级斗提机(即斗式提升机)，与预粉旋臼磨1的下端出料口相连的第一斗提机2，第一斗提机2与第二斗提机3相连，第二斗提机3连接着风选机4；第一斗提机2的顶部设置有封闭的粉尘排出管路，且该粉尘排出管路接入到除尘系统7中，最终汇聚到微煤粉仓11。
实施例二：
一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，采用上述加工生产设备系统，包括以下步骤：
步骤1：预粉碾磨：采用预粉旋臼磨把破碎好的煤矸石颗粒(小于60mm)来料进行料层挤压式碾磨，将原料的软硬物质解离、并将物料碾磨到设计粒径范围后，粗颗粒与细粉一同从出料口进入斗提机；
把破碎好的煤矸石颗粒(颗粒直径小于60mm)来料进行料层挤压式碾磨，将原料的软硬物质解离、并将物料碾磨到设计粒径范围后，粗颗粒与细粉一同从出料口进入斗式提升机内；此时，煤矸石的残碳大部分富集在细粉中。
步骤2：颗粒与粉尘风选：初步碾磨后的物料经过斗提机进入风选机进行风选，将细粉选出送入微煤粉仓为微煤粉产品，而含碳量低于5％的粗颗粒，被送进入超细立磨；
初步碾磨后的物料经过斗式提升机(即斗式提升机)进入风选机进行风选，将细粉(如：100目：含碳量较高基本为煤矸石原料含碳量的2倍)选出送入微煤粉仓为微煤粉产品，而粗颗粒含碳量已低于5％，被送进入超细立磨进行再次研磨加工；含碳量低于5％的煤矸石已难以达到燃烧产生明火的燃烧条件。但在满足燃烧三要素(可燃物、助燃物氧气与温度)时，仍然可以发生无明火燃烧的阴烧氧化反应，消耗残碳。
步骤3：超细磨与阴烧：粗颗粒在超细立磨内被碾磨的同时，在从外加剂添加罐加入的外加剂，在外加剂、粉磨摩擦热和进风供氧的作用下，使煤矸石粗颗粒中所含残碳发生燃耗；由于前期已经去掉一部分碳，此残碳含量降低(含碳量在5％以下)其燃耗无明火(阴烧)，使得最终煤矸石超细粉的含碳量减少到1％或以下；达到替代粉煤灰的目的。
步骤4：除尘系统粉尘收集：除尘系统连接着将全系统的粉尘收集，一并送入微煤粉仓；具体为预粉旋臼磨的顶部设置的抽风管，风选机的粉尘出风管，预粉旋臼磨直接连接的斗提机的顶部设置的抽风管，均接入到除尘系统的抽风管路中。
优选的，若步骤1中初始物料颗粒直径大于60mm，则增设一台常规破碎机。
优选的，在步骤1中采用预粉旋臼磨对煤矸石物料进行软硬分离：煤矸石中的较硬物质(主要成分为SiO2+Al2O3)保留为较大颗粒，而原煤等软物质已被磨成细粉，煤矸石中的含碳富集到了较软的细粉中，细粉则被除尘系统抽入微煤粉仓中，粗颗粒被送入超细立磨中进行超细碾磨。
优选的，步骤3中碾磨的同时，为物料提供了助燃剂和活性粉，以及风选空气参与了碾磨，加上摩擦热的作用，为煤矸石超细粉提供无明火自燃条件，如同煤矸石自燃原理，用以燃耗剩余煤矸石粉中的残碳，进一步将煤矸石粉的碳含量降到1％或以下。
优选的，步骤3中的助燃剂和活性粉，其主要成分为生石灰(CaO)与铝粉(Al)，其燃尽物富含钙与铝成分，可增加微粉产品的活性。
步骤3中碾磨时加入活性助燃粉，在粉磨摩擦热与风选空气的作用下，煤矸石颗粒中的残碳随着颗粒被磨细(参加氧化反应的表面积增大、铝块参与氧化反应放热增多)而逐步氧化而燃耗，产品微粉中含碳量降低。
优选的，步骤3中所述为超细立磨内置选粉机提供的进风，根据煤矸石物料的水分与化学成分，可以是热空气或富氧空气。
优选的，调整步骤3中超细磨的参数，最终煤矸石超细粉的粒径可选为通过45微米筛网80％以上，筛余20％以下,达到粉煤灰二级灰的标准；也可选为通过45微米筛网88％以上，筛余12％以下，达到粉煤灰一级灰的标准。
步骤3中采用的超细磨为本公司技术诀窍产品，为耐温设计，内腔工作温度300度左右，设备系统将采用耐温钢板、高温轴承、高温润滑油、高温密封装置、保温材料等。可以通过超细磨将煤矸石颗粒的多孔结构变成煤矸石超细粉的微珠无孔结构，提高煤矸石超细粉的活性，并降低其需水量。
采用实施例二中的方法生产出来的煤矸石超细粉，其与粉煤灰的直观对比实验如图3，图4所示。实验前测试了煤矸石的的原料成分表以及加工后成品的成分表对比如下：煤矸石超细混料加工前后化学成分对照表
| 名称 | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Fe2O3 | K2O | Na2O | Fe | 烧失量 | 备注 |
| 煤矸石原矿 | 40-65 | 15-35 | 1-7 | 1-4 | 2-9 | 1-2.5 | ＜1 | ＜1 | 2-17 | 加工前 |
| 煤矸石超细粉 | 40-60 | 20-40 | 5-11 | 1-4 | 1-4 | 1-2 | 0.8 | 2-3 | ＜1 | 加工后 |
图3为本发明生产的煤矸石超细粉(试样1)与粉煤灰(试样2)的水溶后对比图。
图4为图3中静置板结后结块对比图。
图4中显示，在板结后相同外力扰动作用下(圆周晃动试杯)，试样1依然是一块总体、而试样2已经碎成几块，说明试样1的板结性能优于试样2，试样1的板结强度要高于试样2，即煤矸石超细粉作为混凝土浆料其板结效果优于粉煤灰。
申请人对煤矸石超细粉的物理性质进行了初步检测，其达到粉煤灰二级灰标准，检测结果如下：
煤矸石超细粉物理性能检测
2022-6-10送检：李学军 2022-6-17检测：王庆耀，唐敏
根据送样的煤矸石超细粉，参考GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝上的粉煤灰》试验标准，取矸石样25g使用FYS-150型粉煤灰细度筛选仪(45um方孔筛)进行筛余量检测，筛余量6.34g，细度25.36％，符合二级灰标准。
并取煤矸石超细粉样品做不同水灰比的沉淀速率、沉淀体积浓度以及比重等试验，该送检样品理论上满足注浆要求。
本发明中的工艺流程中：
1、采用料层挤压碾磨设备——立式旋臼磨来代替冲击式破碎机：
在传统的破碎工艺中，细碎设备基本采用冲击式破碎机(反击式、锤击式、冲击式等)，冲击式破碎的特点是发力迅速、强大、力量恒定，适合单一物质的原料(如鹅卵石、石灰石等)，但也存在破碎后产品粒度悬殊、粒型呈片状或长型较多，无法分离煤矸石中的硬物质与软物质，即无法将煤矸石的残碳分离出来。
本发明中的广义旋臼磨(CN200910042947.8)(主要是预粉旋臼磨1)的工作过程：电动机通过传动机构带动磨盘匀速旋转。物料(与水)通过磨机中部的进料口进入磨机，落在磨盘的中心，匀速旋转的磨盘利用离心力的作用将物料向外分散、铺平，在磨盘上形成一定厚度的、均匀的料层。物料在离心力作用下顺磨盘的圆周向外运动，同时磨盘上的料层受磨辊的碾压，并在磨辊压力的作用下被粉碎，磨辊的压力来自于弹簧反弹力或油缸的压力和磨辊重力的合力。在离心力的不断作用下，磨盘上的料层不断向磨盘的顶端运动，翻过磨盘圆周上沿顶端的物料在重力作用下，落入出料口排出，从而完成粉磨过程。由于回转磨盘可以盛水，旋臼磨可以适应干磨与湿磨两种粉磨工艺，特别适合含水量较高的煤矸石类原料。
由上可见冲击式制砂机是瞬间恒定发力的，而广义旋臼磨的碾磨加载方式为弹簧或液压加载方式，靠反作用力将物料逐步(层)粉碎、是互动式、料层间力量传递碾压，粉碎的力量不是瞬间或恒定的，而是根据物料粒度的变化碾压力是相应变化的(粒度变小碾压力随之变小)，这种互动式的碾压使得较硬的物质由于更耐磨而作为较大的颗粒留下来，而较软的物质由于不耐磨而变成细粉，这样不但可以将物料中的软硬物质充分解离，而且成型后的产品尺寸较均匀、粒型圆润，利于建材方面的利用。
2、在超细立磨内粉磨过程中脱碳：
常规立磨机包含供风系统，为内置式风力选粉机提供风源。将粒度已到达要求的细粉通过风选分离去成品仓。本发明巧妙地利用的这一特点，利用立磨供风系统提供了煤矸石残碳无焰燃烧提供了所需氧气(空气中含氧)与立磨工作时产生的摩擦热，同时辅以活性助燃粉的放热反应，在颗粒磨细变小、表面接触面积增大时加快残碳的燃耗，使得最终产品中的残碳降到1％或以下，并且活性助燃粉的燃尽物为钙与铝的氧化物，可提高最终产品中的钙铝含量，进一步提高煤矸石超细粉的活性，建材用途时可完全替代粉煤灰或优于粉煤灰。
并且，如因为超细磨内部温度不足、氧气不够难以产生残碳的有效燃耗时，还可以通过供热风或微富氧空气来解决问题。所以，本加工方法也可以适用至今还大量堆存的老旧粉煤灰(老型号锅炉不能实现煤粉的充分燃烧，其粉煤灰含碳量高达12％-14％)的提质改造。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，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、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统，其特征在于，包括对物料进行预研磨的预粉旋臼磨，预粉旋臼磨的下端出料口通过斗提机连接着风选机，风选机的底部下端粗颗粒出口处通过管路连接到超细磨的进料口处；
在预粉旋臼磨的上端设置有磨矿粉尘出口管路，其连接到除尘系统中；风选机的粉尘出口也同时接入到除尘系统中，除尘系统管路最终汇聚到微煤粉仓；
在超细磨的进料管路中设置有外加剂添加罐，其内按物料比例投放有用于物料阴烧的助燃剂和活性剂，其主要成分为氧化钙和铝块；
预粉旋臼磨的下端设置的斗提机的顶部设置有封闭的磨矿粉尘排出管路，且该粉尘排出管路接入到除尘系统中，最终汇聚到微煤粉仓。
2.根据权利要求1所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产设备系统，其特征在于，预粉旋臼磨的下端出料口串联连接有两级斗提机，与预粉旋臼磨的下端出料口相连的第一斗提机，第一斗提机与第二斗提机相连，第二斗提机连接着风选机；第一斗提机的顶部设置有封闭的磨矿粉尘排出管路，且该磨矿粉尘排出管路接入到除尘系统中，最终汇聚到微煤粉仓。
3.一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，采用如权利要求1-2中任意一项所述的加工生产设备系统，包括以下步骤：
步骤1：预粉碾磨：采用预粉旋臼磨把破碎好的煤矸石颗粒来料，直径小于60mm，进行料层挤压式碾磨，将原料的软硬物质解离、并将物料碾磨到设计粒径范围后，粗颗粒与细粉一同从出料口进入斗提机；
步骤2：颗粒与粉尘风选：初步碾磨后的物料经过斗提机进入风选机进行风选，将细粉选出送入微煤粉仓为微煤粉产品，而含碳量质量分数低于5%的粗颗粒，被送进入超细磨；
步骤3：超细磨与阴烧：粗颗粒在超细磨内被碾磨的同时，再从外加剂添加罐加入的外加剂与粉磨摩擦热和进风供氧的作用下，使煤矸石粗颗粒中所含残碳发生燃耗；由于前期旋臼磨预磨时已经去掉一部分碳，此残碳含量较低其燃耗无明火，使得最终煤矸石超细粉的含碳量质量分数减少到1%以下；
步骤4：除尘系统粉尘收集：除尘系统连接着将全系统的粉尘收集，一并送入微煤粉仓；具体为预粉旋臼磨的顶部设置的抽风管，风选机的粉尘出风管，预粉旋臼磨直接连接的斗提机的顶部设置的抽风管，均接入到除尘系统的抽风管路中。
4.根据权利要求3所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，若步骤1中初始物料颗粒直径大于60mm，则增设一台常规破碎机。
5.根据权利要求3所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，在步骤1中采用预粉旋臼磨对煤矸石物料进行预磨与软硬分离：煤矸石中的较硬物质，主要成分为SiO2+Al2O3，保留为较大颗粒，而原煤软物质已被磨成细粉，煤矸石中的碳富集到了较软的细粉中，经风选后，细粉进入微煤粉仓，粗颗粒被送入超细磨中进行超细碾磨。
6.根据权利要求3所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，步骤3中碾磨的同时，为物料提供了助燃剂和活性粉，以及用于风选的空气，加上碾磨时摩擦热的作用，为煤矸石超细粉提供无明火自燃条件，用以燃耗剩余煤矸石粉中的残碳，进一步将煤矸石粉的碳含量质量分数降到1%以下。
7.根据权利要求6所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，步骤3中的助燃剂和活性粉，其主要成分为生石灰与铝块，其燃尽物富含钙与铝的氧化物，可增加成品仓内微粉的水化活性。
8.根据权利要求3所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，步骤3中所述超细磨内置选粉机提供的进风，根据煤矸石物料的水分与化学成分以及煤矸石自燃的需求调节，选自热空气或富氧空气。
9.根据权利要求3所述的一种替代粉煤灰的煤矸石超细粉加工生产方法，其特征在于，调整步骤3中超细磨的参数，最终煤矸石超细粉的粒径能够设定为通过45微米筛网80%以上，筛余20%以下，达到粉煤灰二级灰的标准；也能够设定为通过45微米筛网88%以上，筛余12%以下，达到粉煤灰一级灰的标准。
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