干法制粉的煤矸石基陶瓷地鋪石試制

摘 要： 邯鄲地區煤矸石含有伊利石、石英、長石，經脫碳處理后做陶瓷地鋪石試驗，添加量可達65-70%；采用兩種不同干法生產流程的制粉工藝成功進行了中試，并對比了兩種干法生產流程；同時對干法制粉的煤矸石基陶瓷地鋪石項目前景展望保持謹慎樂觀態度。

關鍵詞：煤矸石；干法制粉；陶瓷地鋪石；試驗

1 前言

煤矸石是在煤的掘進、開采和洗選過程中排出的碳質、泥質和砂質頁巖等的混合物[5]。是具有低發熱值的一種大宗固體廢棄物。

河北邯鄲地區有眾多煤矸石山。本公司擬利用煤矸石生產陶瓷地鋪石，實現固廢的資源化利用。經考察分析，某矸石山的煤矸石主要含有非晶相及伊利石、石英、長石等主晶相，并含部分碳、硫等，雜質相主要有菱鐵礦及白云石。經試驗，煤矸石經脫碳處理后以干法制粉工藝做陶瓷地鋪石，添加量可達65%-70%。

2大宗固廢煤矸石概述

大宗固體廢棄物（以下簡稱“大宗固廢”）指單一種類年產生量在1億噸以上的固體廢棄物，包括煤矸石、粉煤灰、尾礦、工業副產石膏、冶煉渣、建筑垃圾和農作物秸稈等七個品類，是資源綜合利用重點領域[1]。“十三五”期間，累計綜合利用各類大宗固廢約130億噸，減少占用土地超過100萬畝。目前，大宗固廢累計堆存量約600億噸，年新增堆存量近30億噸[2]。

全國國有煤礦現有矸石山1500余座，堆積量30億噸以上（占中國工業固體廢物排放總量的40%以上）。

煤矸石棄置占用大片土地，而且其中的硫化物逸出或浸出會污染大氣、農田和水體。矸石山還會自燃發生火災，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災害。

目前煤矸石主要被用于生產矸石水泥、混凝土輕骨料、耐火磚等建筑材料，此外還用于回收煤炭，煤與矸石混燒發電，制取結晶氯化鋁、水玻璃等化工產品以及提取貴重稀有金屬，也可作肥料。

部分陶瓷廠使用少量的煤矸石作為陶瓷原料[3，5]。

3河北邯鄲煤矸石簡介

3.1邯鄲地區的地質

邯鄲地區位于河北省南端，面積12000多平方公里。區內地勢總體上西高東低，明顯呈山地、丘陵、平原三級階梯逐漸下降的趨勢，其間分布著諸多斷線盆地。

中部丘陵區主要分布在武安中部、峰峰礦區及永年、磁縣中西部。區內蓋層斷裂與基底斷裂連通，成為巖漿活動的主要通道，成礦帶主要集中于此。同時，由于差異升降，丘陵區上古生界煤系地層保存較好，成為邯鄲地區煤炭主要賦存區。最典型的是峰峰礦區。

由于斷層的持續活動，邯鄲地區由西向東分布著諸多斷陷盆地，如涉縣盆地、陽邑盆地、武安盆地、和村盆地等，其中武安盆地規模最大，為典型的地塹型構造盆地。武安盆地在晚第三紀時期西部為夷平地區，洼地內充填著河湖相堆積物，高地遭受著剝蝕，上新世時期形成一較平坦的廣闊夷平面。據煤田勘探資料，云駕嶺和顯德汪地區是兩個大的洼地，堆積物厚度達150m以上。涉縣盆地、陽邑盆地、和村盆地規模較小，但地貌特征與成因均與武安盆地相似[4]。

3.2邯鄲矸石山固廢的分布

河北邯鄲礦產以煤礦、鐵礦、石灰石礦為主。其中煤礦經過多年來的開采已接近枯竭，區域內存在眾多的矸石山，如峰峰礦區矸石山、萬年礦區矸石山、陶一矸石山、陶二矸石山、陽邑矸石山、云駕嶺矸石山、張二莊矸石山、郭二莊矸石山等。

云駕嶺矸石山位于邢峰公路西側，云寧熱電廠后邊，北洺河南側，距離西二環較近，距清峰公司約15公里，預估儲存量約8000萬噸左右，目前煤矸石仍在正常排放。陶二矸石山位于前牛叫村村北，距離清峰公司約35公里，預估儲存量約6000萬噸左右，分為東西大小兩個堆。郭二莊矸石山位于郭二莊村村東，距離清峰公司約30公里，預估儲量大約4000萬噸左右，目前煤矸石仍在正常排放。張二莊矸石山位于張二莊村南，距離清峰公司約35公里左右，預估計儲量大約2000萬噸左右，目前煤矸石未排放，該堆場煤矸石內雜物較多。陶一矸石山位于邯武快速路南側，陶一生活區東側，距離清峰公司約26公里左右，預估儲量大約500萬噸左右，目前煤矸石未排放。陽邑矸石山位于普陽鋼廠附近，南叢井村東北方向，南叢井舊址，距清峰公司約30公里左右，該堆場為火燒矸，預估儲量約400萬噸左右。

3.3初步取樣的各煤矸石化學成分及高溫燒樣

各矸石山的煤矸石分別取樣粉磨后分析熱值，1000℃煅燒后進行化學分析，并進行高溫燒樣，分別如表1，表2。

3.4某矸石山的化學成分及礦物成分

根據初步取樣分析及試燒情況，以陶二煤矸石山為主進行取樣分析，共取30個樣，每個樣取30kg左右，并進行試制。根據30個樣品數據，其化學成分范圍見表3。

每3-4個樣做一個綜合樣，共8個綜合樣，其化學成分范圍見表4。

1-15號單樣混合破碎粉磨取樣為07，16-30號單樣混合破碎粉磨取樣為08。分別測其C，H，S含量和熱值，如表5所示。

將07，08做礦物分析，如圖1圖2及表6所示。圖表中07和08為原矸；C07和C08為燒矸，950℃煅燒60min。

4煤矸石脫碳

取邯鄲地區某煤矸石平均樣做熱失重分析和差熱分析，從圖3和圖4中可知，400-900℃，特別是500-800℃，熱失重特別明顯；放熱從加熱開始，到620℃左右出現放熱峰值，然后到720℃放熱開始變得平緩。

對不同粒度煤矸石做不同溫度、不同時間焙燒的脫碳正交試驗，然后將脫碳煤矸石作為原料，添加量在65%-70%進行陶瓷地鋪石試驗，結果表明煤矸石在燒失量小于1%時，可正常生產陶瓷地鋪石。煤矸石粉磨后脫碳溫度降低至900℃左右，可保持煤矸石的小部分塑性，也能節省燃料，降低脫碳成本。

5以脫碳煤矸石為主要原料的干法制粉的陶瓷地鋪石試制

將焙燒脫碳后的煤矸石作為主要原料以干法工藝分別按43#配方與57#配方進行造粒，到不同的陶瓷廠進行中試。其中43#配方在試驗室手工制粉60kg后在某手工磚窯爐進行中試，57#配方按配比混料300kg，使用小型雷蒙機粉磨，再人工混勻，在煙臺鴻科新材料有限公司進行干法造粒，再到某陶瓷廠壓磚中試。

配方等主要生產工藝參數如表7、表8所示。經自檢凍融+5℃/-5℃共20次合格。

6干法制粉的工藝流程

43#配方與57#配方采取了不同的干法制粉工藝流程。具體情況如下：

43#配方試驗干法制粉約60kg，其工藝流程A如下： （1）原料準備：塑性料全部曬干或烘干備用；煤矸石焙燒脫碳，燒失量0.8，備用。

（2）原料制備：各類原料在5kg球磨機里單獨干磨，球磨1h后測細度，250目篩余小于15%，原料出球磨后過60目篩備用。

（3）配料：根據配方配400g料。

（4）混料：將配方料放入快速球磨罐干磨6min，細度為250目篩余1.2g/100g，倒出配方料。

（5）干法造粒：將配方料5kg放入制粉攪拌罐攪拌30min，倒出配方料清理攪拌罐后準備制粉；加入少量料粉，開動攪拌罐噴水制作粉料，粉料成球后倒出；將粉料過16篩及80目篩，貯存備用。

（6）粉料性能：

水分：成球水分控制在9%-12%，經陳腐后粉料最終水分為7.8%。

顆粒級配：20目篩上：2.43%，40目篩上：44.03%，60目篩上：20.72%，80目篩上：15.87%，80目篩下：16.5%。

該顆粒級配基本能保證60目篩上大于60%，因為是手工篩分，細粉并未篩除完全，細粉稍微偏多。粉餅干燥強度1.5MPa。

57#配方試驗干法制粉300公斤，其工藝流程B如下：

（1）原料準備：塑性料全部曬干或烘干備用；煤矸石焙燒脫碳，燒失量0.8%，備用；

（2）配料混料：根據配方配300kg原料，并人工混勻；

（3）粉磨過篩：將配料投料到雷蒙機粉磨，粉磨細度控制250目篩余在1.2%-1.5%；過80目振動篩；

（4）混料：將磨好的干粉人工混料多次，再過80目篩后備用；

（5）干法造粒：將280kg的干粉送至煙臺鴻科新材料有限公司的干法造粒機造粒；

（6）粉料性能： 造粒水份13%-15%，100目下細粉15%左右，顆粒整體外觀均勻，硬度適中；經干燥陳腐后粉料水分在9%-9.5%。粉餅干燥強度1.4-2.0MPa；

（7）粉料均混：將粉料倒入無球石的球磨機混合1h。

在試驗過程中，經過多次對比發現，干法制粉工藝流程A比工藝流程B混料更加均勻。但干法制粉也面臨幾個問題：

（1）干法制粉的粉料細粉偏多，會導致壓機壓制次數減少甚至磚坯分層；

（2）二次細粉重新造粒比較困難，需單獨處理單獨造粒。

7對干法制粉的煤矸石基陶瓷地鋪石的展望

大宗固廢資源化利用是國家產業政策的方向，利用煤矸石固廢生產陶瓷是陶瓷行業積極響應國家政策的一項舉措。采取合適的工藝對煤矸石脫碳，可使煤矸石應用范圍更廣，對陶瓷生產而言，使用量會更大。采用干法制粉工藝，煤矸石添加量65%-70%，這兩項對陶瓷行業來講，是雙重考驗，必須解決以下問題才是項目成功的必要條件：

（1）選擇合適的煤矸石脫碳工藝和選用合適的煤矸石脫碳設備，解決脫碳生產成本高和投資成本高的問題，同時也要滿足脫碳煤矸石的陶瓷生產工藝指標要求；

（2）高度重視原材料的均化，特別是煤矸石的均化，滿足原料的穩定性要求，為穩定生產創造條件；

（3）選擇合適的干法工藝流程，解決干粉不同原料分散均勻性難題；

（4）選擇合適的干法造粒設備，減少細粉。

陶瓷干法生產工藝有兩大難題，分散均勻性和造粒。與傳統濕法的固水分散體系相比，干法的固固分散體系分散均勻更難，必須選擇合適的工藝流程及合適的混料分散設備，達到微米級的分散均勻。選擇合適的造粒設備，既要滿足粉料的細粉少，100目篩下細粉最好能達到5%以下，也要滿足二次細粉少，二次細粉最好能達到20%以下；并且二次細粉需單獨處理，單獨重新造粒。

解決好上述問題，干法制粉生產煤矸石基陶瓷地鋪石項目必定有所突破，為順利生產提供保證。

參考文獻

[1]國家發展改革委有關負責同志就《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》答記者問，環資司，2021，3，24

[2]關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見，發改環資〔2021〕381號

[3] 國家發展改革委新聞發布會，介紹生態文明建設有關工作情況，文字實錄，劉德春，2022，9，22

[4] 閆純有，邯鄲地區地貌與構造，[J]，2000（17）4：63-65.

[5]煤矸石，360百科。