一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，包括：(1)将粗粒级煤矸石破碎至预定粒度；(2)将破碎后的煤矸石、复合添加剂和水按照设定比例充分混匀，对所得混合料进行制粒；(3)将制粒小球在烧结机中布料、点火、抽风烧结，得到脱碳后的煤矸石烧结料；(4)将脱碳后的煤矸石烧结料在冷却机中进行冷却；(5)将冷却后的煤矸石烧结料破碎并细磨，得到煤矸石活性混合材；(6)将煤矸石活性混合材、粉煤灰、生石灰和石膏按照预定比例混合后，进行注模、拆模和养护，得到煤矸石基胶凝材料。本发明专利技术利用处理量大的带式烧结和竖炉分段式冷却机处理煤矸石，降低其碳物质含量、提高活性，改善煤矸石基胶凝材料的性能。煤矸石基胶凝材料的性能。煤矸石基胶凝材料的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法


[0001]本专利技术属于固废综合利用
，具体涉及一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法。

技术介绍

[0002]煤矸石是煤炭开采、洗选、加工利用过程中产生的一种固体废弃物，其主要成分是以高岭石、石英等矿物形式存在的Al2O3、SiO2等。我国煤炭资源十分丰富，能源结构以煤为主，煤矸石的产率约为煤开采的5％～20％，故煤矸石的产量十分庞大。中国累计堆存煤矸石超过80亿吨，占地超过11万公顷，有超过1100座煤矸石堆存山，而且煤矸石排放量仍在快速增长。由于煤矸石的主要成分为SiO2和Al2O3，与建材类似。因此，如何利用煤矸石作为建筑材料(比如胶凝材料)，是煤矸石实现大宗消纳和应用的重要途径之一。若将煤矸石制备水泥混合材等建筑材料，必须借助适宜的方法，增加其活性，减少煤矸石中残碳等有机质。高温热化学活化是煤矸石脱碳活化的重要手段，目前主要包括回转窑焙烧和烧结法。
[0003]中国专利CN1236748A公开了一种煅烧煤矸石制取活性水泥混合材的方法，该方法中煤矸石在简易窑内，氧化气氛下，煅烧温度控制在850～1150℃的条件下，可制备成活性水泥混合材，该工艺虽然简单，但是回转窑存在结圈、能耗高和环境污染不易控制等一系列问题。
[0004]中国专利CN110078401B公开了一种煤矸石带式烧结制备活性混合材的工艺。中国专利CN113526883A公开了一种煤矸石无燃料自热式超高料层脱炭工艺。中国专利CN113526895B公开了一种煤矸石双层富氧烧结脱炭的方法。这些方法均采用烧结工艺对煤矸石进行活化焙烧脱碳，提高其活性。已公开的有关煤矸石制备活性混合材的技术中，均可通过火法煅烧制备活性混合材，包括回转窑煅烧和带式烧结。但是，两种工艺煅烧脱碳，烧结利用系数均不高，最高仅为1.48t/(m2·
h)，混合材的活性指数低于90％，限制了其进一步应用。
[0005]现有技术中，中国专利CN106966620A公开了一种煤矸石底渣、粉煤灰复配胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料包括以下重量百分含量的组分，煤矸石底渣10
‑
35％，粉煤灰25
‑
55％，生石灰5
‑
50％，石膏8
‑
12％。煤矸石底渣是煤矸石发电厂中的煤矸石经过800
‑
1000℃燃烧的产物，由于煤矸石底渣的活性低，添加比例最高仅为35％，无法高比例、大规模的应用于胶凝材料中。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中“煤矸石活性效果较差、烧结利用系数低，导致其无法高比例的应用于胶凝材料”的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，以提高煤矸石的混合材活性及其在胶凝材料的比例，真正实现煤矸石的大规模、高值化应用。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，包括以下步骤：
[0009](1)预处理：将粗粒级煤矸石破碎至预定粒度；
[0010](2)配料、混匀和制粒：将步骤(1)所得破碎后的煤矸石、复合添加剂和水按照设定比例充分混匀，对所得混合料进行制粒，得到制粒小球；
[0011](3)烧结活化：将步骤(2)所得制粒小球在烧结机中布料、点火、抽风烧结，得到脱碳后的煤矸石烧结料；
[0012](4)冷却：将步骤(3)所得脱碳后的煤矸石烧结料在冷却机中进行冷却；
[0013](5)破碎和磨矿：将步骤(4)所得冷却后的煤矸石烧结料破碎并细磨，得到煤矸石活性混合材；
[0014](6)复配：将步骤(5)所得煤矸石活性混合材、粉煤灰、生石灰和石膏按照预定比例混合后，进行注模、拆模和养护，得到煤矸石基胶凝材料。
[0015]作为优选，步骤(1)中，煤矸石中所含固定碳含量为1.5％～5.5％。
[0016]固定碳含量太低，则需要外加入固体燃料，包括煤或焦粉，导致成本太高；固定碳含量太高，烧结料中残余的炭质成分高、烧损大，导致煤矸石烧结料的活性低、胶凝材料强度差。
[0017]作为优选，步骤(1)中，采用颚式破碎机
‑
对辊破碎机
‑
高压辊磨机对煤矸石进行预处理。
[0018]进一步，利用颚式破碎机将煤矸石破碎至
‑
15mm，然后采用对辊破碎机，将其破碎至
‑
8mm；随后采用高压辊磨，将粒度破碎
‑
6.3mm占65％～85％，
‑
0.5mm占15％～25％。
[0019]进一步，步骤(1)中，所述高压辊磨破碎中，工作压力为2.0～6.0MPa。
[0020]步骤(1)中，高压辊磨破碎尤为重要，采用高压辊磨代替传统的破碎和磨矿工艺，不但能节约30％以上的能耗，而且，高压辊磨利用等静压破碎，可在煤矸石颗粒间形成裂纹，有利于氧气传输，保证氧气与煤矸石中碳充分接触和反应，改善反应动力学条件，促进燃烧，提高活性。
[0021]更进一步，高压辊磨工作压力为3.0～6.0MPa。
[0022]作为优选，步骤(2)中，利用强力混合机进行混匀，混合机转速为1200～22000rpm，混合时间为3～6min，混合水分为5％～6％。
[0023]作为优选，步骤(2)中，所述复合添加剂的添加量为0.5％～1.5％；复合添加剂包含二氧化锰、高氯酸钾和腐殖酸钠，三者的质量百分比分别为10％～30％、30％～50％和20％～60％。
[0024]本专利技术提供了一种多功能复合添加剂，集强化制粒、催化燃烧和提高活性等效果。复合添加剂的配比及用量对改善煤矸石的烧结性能极其重要。
[0025]复合添加剂中二氧化锰、高氯酸钾和腐殖酸钠与煤矸石及其相互间的协同作用对煤矸石环形烧结性能具有显著影响。腐植酸钠是含有羧基和羟基基团的网状有机高分子，与煤矸石中硅铝矿物形成网状结构，产生化学吸附，将细小煤矸石颗粒粘结成粗颗粒，从而改善其透气性。高氯酸钾，是一种强氧化剂，其在高温下，容易分解和释放出氧气，增加烧结料层中氧浓度，有力促进氧气与煤矸石中固定碳充分燃烧，一方面能够提供热量，改善煤矸石成矿作用，提高其活性；另外，减少煤矸石烧结料中残炭含量。二氧化锰是一种碳质燃料催化剂，能够有效改善氧传递效果，从而催化煤矸石中固定碳的燃烧，改善燃烧效率。此外，
煤矸石经过步骤(1)的高压辊磨预处理后，形成的裂纹，有利于步骤(2)中的复合添加剂的渗透与扩散，使其能与煤矸石中固定碳充分接触，改善催化燃烧的效果。添加剂中各组份比例及添加剂在煤矸石中的配入量根据大量的研究进行确定，以满足工艺中体系最优反应动力学条件，获得最佳技术经济指标。
[0026]作为优选，步骤(2)中，利用圆筒造球机进行制粒，圆筒制粒机的转速为30～60rpm，制粒时间为2～4min；制粒过程喷洒水分为1％～2％，所得制粒小球的含水量控制6.5％～7.5％。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)预处理：将粗粒级煤矸石破碎至预定粒度；(2)配料、混匀和制粒：将步骤(1)所得破碎后的煤矸石、复合添加剂和水按照设定比例充分混匀，对所得混合料进行制粒，得到制粒小球；(3)烧结活化：将步骤(2)所得制粒小球在烧结机中布料、点火、抽风烧结，得到脱碳后的煤矸石烧结料；(4)冷却：将步骤(3)所得脱碳后的煤矸石烧结料在冷却机中进行冷却；(5)破碎和磨矿：将步骤(4)所得冷却后的煤矸石烧结料破碎并细磨，得到煤矸石活性混合材；(6)复配：将步骤(5)所得煤矸石活性混合材、粉煤灰、生石灰和石膏按照预定比例混合后，进行注模、拆模和养护，得到煤矸石基胶凝材料。2.根据权利要求1所述利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，煤矸石中所含固定碳含量为1.5％～5.5％。3.根据权利要求1或2所述利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，利用颚式破碎机将煤矸石破碎至
‑
15mm，然后采用对辊破碎机，将其破碎至
‑
8mm；随后采用高压辊磨，将粒度破碎
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6.3mm占65％～85％，
‑
0.5mm占15％～25％；步骤(1)中，所述高压辊磨破碎中，工作压力为2.0～6.0MPa。4.根据权利要求1所述利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合添加剂的添加量为0.5％～1.5％；复合添加剂包含二氧化锰、高氯酸钾和腐殖酸钠，三者的质量百分比分别为10％～30％、30％～50％和20％～60％。5.根据权利要求1所述利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，利用圆筒造球机进行制粒，圆筒制粒机的转速为30～60rpm，制粒时间为2～4min；制粒过程喷洒水分为1％～2％，所得制粒小球的含水量控制6.5％～7.5％。6.根据权利要求1所述利用煤矸石烧结活化制备胶凝材料的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的烧结方法为带式烧结；所述带式烧结的布料过程，控制料层高度为500～2000mm；控制铺底料厚度为15～25mm，铺底料采用粒度为15～20mm的煤矸石；所述带式烧结的点火过程，点火时间为1～2min，点火温度为1050～1150℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭正启，潘建，朱德庆，杨聪聪，李思唯，李启厚，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：