1 前言
大同礦區(qū)擁有豐富的煤系高嶺巖，大同煤礦集團公司積極與蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司合作，共同開發(fā)建設(shè)設(shè)計能力為5萬t/a超細(xì)煅燒高嶺土項目，項目于2008年4月開工建設(shè)，2009年6月建成，投資2.3億元。建設(shè)項目采用國內(nèi)最先進的設(shè)備設(shè)施與生產(chǎn)工藝生產(chǎn)6250目和4000目超細(xì)高嶺土煅燒粉，產(chǎn)品具有白度高、晶形好、容重小、孔隙率大、光散射率高、遮蓋力好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于陶瓷、造紙、橡膠、涂料、塑料、油漆、電纜、石化、醫(yī)藥等領(lǐng)域及行業(yè)，市場前景廣闊，是工業(yè)園區(qū)內(nèi)技術(shù)起點高、經(jīng)濟效益好的工業(yè)生產(chǎn)鏈之一。
原材料資源概況
2.1 原材料
高嶺(巖)土是高嶺石亞族粘土礦物達到可利用含量的黏土或黏土巖，其中以高嶺石礦物為主要成分的軟質(zhì)黏土稱高嶺土，硬質(zhì)巖石稱高嶺巖(或硬質(zhì)耐火黏土)。大同煤礦集團公司塔山工業(yè)園區(qū)內(nèi)石炭-二疊紀(jì)高嶺巖儲量2.59億t，品質(zhì)極為優(yōu)良，屬國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的煤系高嶺土資源。礦層呈層狀，屬古代沉積亞型礦床，與煤層緊密共生，夾層厚度最小0.14m，最厚3.27m，平均0.34m。目前，塔山煤礦開采的3#-5#煤層中夾矸高嶺巖含量達21.2%,可回收密度級大于2.4×103kg/m3優(yōu)質(zhì)高嶺巖32萬t/a，年產(chǎn)5萬t高嶺土粉體只需要7.5萬t的粗礦石。因此，煅燒高嶺土建設(shè)項目原料礦石資源豐富。
原礦質(zhì)量指標(biāo)
大同塔山煤系高嶺巖呈黑灰色、褐灰色，放入水中不吸水、不膨脹，致密塊狀，節(jié)理不發(fā)育，有時具有條帶或條紋狀結(jié)構(gòu)，參差狀斷口。巖石類型主要有粗晶結(jié)構(gòu)、細(xì)晶結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)等。經(jīng)X光衍射和差熱分析等實驗表明，高嶺巖為典型的1:1型層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶呈六方片狀，輪廓清晰、質(zhì)地純凈，Al2O3含量高，有害成分低，屬優(yōu)質(zhì)高嶺巖，俗稱“大同黑砂石”。其化學(xué)組成見表1。
表1 大同礦區(qū)煤系高嶺巖主要化學(xué)成分表
|
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
CaO |
MgO |
燒失量 |
|
含量(%) |
43.09 |
38.72 |
0.26 |
0.41 |
0.08 |
0.02 |
17.42 |
注：燒失成分主要為高嶺巖礦中結(jié)晶水、固定碳和有機質(zhì)。
3 超細(xì)煅燒高嶺土工藝技術(shù)
新建的5萬t/a煅燒高嶺土項目屬國內(nèi)大型煅燒高嶺土產(chǎn)業(yè)化項目，產(chǎn)品為6250目高嶺土2.5萬t/a，4000目高嶺土2.5萬t/a。本項目在整個設(shè)計過程中，按照相關(guān)規(guī)定要求，對煅燒工藝和設(shè)備選型采用節(jié)能新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備，在生產(chǎn)的每一工段和環(huán)節(jié)，都采取了相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，使設(shè)計的各項技術(shù)達到國內(nèi)外同行業(yè)的先進水平。
3.1 煅燒工藝原理
精選后高嶺巖經(jīng)破碎、磨剝后成為高嶺巖粉末進入回轉(zhuǎn)煅燒窯。在煅燒過程中，溫度升至450-700℃，巖體粉末脫除結(jié)晶水生成偏高嶺土，即由水合硅酸鋁變成由三氧化鋁和二氧化硅組成的物質(zhì)；繼續(xù)升溫則發(fā)生脫碳反應(yīng)，有害的碳質(zhì)及有機物不斷揮發(fā)，在溫度達到925-980℃時，高嶺巖開始發(fā)生相變反應(yīng)，形成硅鋁尖晶石；煅燒溫度達到1000-1100℃時，硅鋁尖晶石向莫來石相轉(zhuǎn)化，形成最終的煅燒高嶺土產(chǎn)品，產(chǎn)品分子式一般為2AL2O3·Si02。
煅燒高嶺土產(chǎn)品的白度和散射系數(shù)，隨煅燒窯入料目數(shù)的提高而提高。超細(xì)研磨過程中，可使更多的碳質(zhì)游離出來，特別是經(jīng)濕法研磨更有助于碳質(zhì)的溢出，在煅燒過程中使碳質(zhì)更易揮發(fā)，有利于白度的提高；原料粒度細(xì)，則比表面積大，煅燒窯中溫度分布和粒子表面受熱更加均勻，使脫羥、脫碳均勻徹底，促進物相轉(zhuǎn)變，有利于粒子表面形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。因此，降低入窯物料細(xì)度能更加均勻制出高白度、高孔隙結(jié)構(gòu)的膨松優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
3.2 工藝流程
針對集團公司高嶺巖實際特性及項目建設(shè)條件，借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，選用干、濕結(jié)合，先磨后燒的生產(chǎn)工藝，獲得的產(chǎn)品比先燒后磨具有較高的白度指標(biāo)和白度穩(wěn)定性，產(chǎn)品檔次高，質(zhì)量有保障。
工藝流程見圖1所示。
煤炭洗選
產(chǎn)生↓
高嶺巖
精選↓→→→→尾礦→→ 用于矸石磚廠制磚
粗碎
↓
細(xì)碎
↓
磨粉
↓
制漿
↓
磨剝
↓
干燥←←←←←
↓ ↑
打散 ↑
↓ ↑
煅燒→→余熱→
↓
→→→打散→→4000目產(chǎn)品包裝
↑ ↓
←←←分級
↓
6250目產(chǎn)品包裝
圖1 超細(xì)煅燒高嶺土工藝流程圖
3.3 工藝流程說明
精選階段。高嶺巖深加工所需原料主要來自塔山選煤廠高嶺巖分選車間，車間內(nèi)設(shè)置有一臺動篩跳汰機和一條手選帶，選后運往高嶺巖倉。高嶺巖粗礦石從高嶺巖倉進行精選車間，大于350mm的塊礦先由人工錘碎，小于350mm礦石晾干后由皮帶運輸機通過X光電分選機進行精礦篩選，控制原礦中高嶺土含量＞92%，F(xiàn)e2O3含量＜0.4%。分選后尾礦進入園區(qū)內(nèi)煤矸石燒結(jié)磚廠做制磚原料。
細(xì)磨階段。采用干、濕磨結(jié)合。精選礦石經(jīng)振動給料機先進入粗碎顎式破碎機，再經(jīng)帶式運輸機進入細(xì)碎顎式破碎機，破碎后的礦石經(jīng)電振給料機進入雷蒙磨磨粉，得到325-600目干粉；粉料經(jīng)螺旋輸送機送入配料秤系統(tǒng)，加入水及分散劑，穩(wěn)重測量后經(jīng)螺旋輸送機送入制漿池攪拌打漿，制成40-50%濃度的料漿；漿料經(jīng)柱塞泵泵至濕磨車間，通過五段超細(xì)磨剝至粉料為4000-6000目，礦漿細(xì)度≤2μm可達到95%。
干燥階段。磨剝后的漿料在壓力式噴霧干燥塔中采用高壓泵通過噴嘴進行霧化，霧滴與進入干燥塔內(nèi)的熱風(fēng)充分接觸，在極短時間內(nèi)進行快速傳熱傳質(zhì)成為干燥粉粒，干燥后水分控制在1%左右。
煅燒階段。煅燒前，將干燥粉料二次先打散，避免因物料團聚在煅燒時產(chǎn)生燒結(jié)，保證粉料可以充分煅燒，提高產(chǎn)品白度。打散后粉料進入直焰回轉(zhuǎn)煅燒窯，并加入總重量1-3%的助白劑，煅燒溫度控制在1000-1100℃，煅燒燃料使用發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣，煅燒后熟料通過冷卻系統(tǒng)強制冷卻到70℃。煅燒粉料經(jīng)二次后打散，讓熟料充分解聚，達到4000目產(chǎn)品粒度要求，另一部分解聚粉料通過分級機分離出325目篩余后的6250目產(chǎn)品。
余熱利用。煅燒窯出來的煙氣溫度一般在600-800℃，煙氣可利用熱能為3×1010kcal/a，而噴霧干燥消耗約為6×1010kcal/a，煙氣熱量全部用于干燥系統(tǒng)。
3.4 主要工藝設(shè)備選型
工藝設(shè)備選型直接關(guān)系到工藝流程的暢通，生產(chǎn)過程的順利進行。煅燒超細(xì)高嶺土建設(shè)項目優(yōu)先選用生產(chǎn)適應(yīng)性強，技術(shù)先進、可靠、成熟，節(jié)能高效，生產(chǎn)成本合理的設(shè)備。具體選型如下。
粗碎設(shè)備：PE400×600顎式破碎機1臺，入料粒度＜350mm，排料粒度≤100mm，生產(chǎn)能力25t/h，排料口調(diào)整為63mm，設(shè)備負(fù)荷率70%。
細(xì)碎設(shè)備：PE250×1200顎式破碎機一臺，入料粒度＜120mm，排料粒度≤25mm，生產(chǎn)能力30t/h，排料口調(diào)整為15mm，設(shè)備負(fù)荷率60%。
磨粉設(shè)備：5R4119型雷蒙機10臺，入料粒度＜20mm，成品粒度0.044 mm-0.125 mm，單機處理能力2t/h，設(shè)備負(fù)荷率85%。
濕式磨剝設(shè)備：每條生產(chǎn)線為2臺SDM-10型大型攪拌磨和3臺MBP500型自動剝片機串聯(lián)使用，總計7條生產(chǎn)線，單條生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為1.5t/h，設(shè)備負(fù)荷率85%。濕式攪拌磨最大入料粒度1mm，成品粒度2-45μm；研磨剝片機最大入料粒度0.1mm，成品粒度≤2-20μm；每條生產(chǎn)線經(jīng)5段串聯(lián)磨剝后礦漿細(xì)度≤2μm可達到95%。
干燥設(shè)備：PD7000型壓力式噴霧干燥機2套，每套生產(chǎn)干粉5t/h。蒸發(fā)水分4-7t/h，礦漿固含量42±2%。
打散設(shè)備：每條生產(chǎn)線由2臺WXM-110解聚打散機串聯(lián)而成，前打散需6條生產(chǎn)線，后打散需7條生產(chǎn)線，單條生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為1.5t/h，設(shè)備負(fù)荷率85%。
煅燒設(shè)備：NR3348型內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯2個，窯型φ3.3m×48m，單窯生產(chǎn)能力2.5萬t /a，熱功率8800kw/h，煅燒溫度1000-1100℃，最高排煙溫度800℃，燒失量20%,物料假比重200kg/m3。
分級設(shè)備：φ620型渦輪式空氣分級機4套，單臺生產(chǎn)能力1.2萬t/a。主要用于分離6250目產(chǎn)品中的325目顆粒。
包裝設(shè)備： DGJ-FK型20kg自動定量包裝機4臺。
3.5 產(chǎn)品性能
3.5.1 產(chǎn)品指標(biāo)
產(chǎn)品主要化學(xué)指標(biāo)見表2所示。
表2 產(chǎn)品主要化學(xué)指標(biāo)
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SiO2(%) |
Al2O3(%) |
Fe2O3(%) |
TiO2(%) |
CaO(%) |
MgO(%) |
K2O(%) |
Na2O(%) |
MnO(%) |
|
52±2 |
45±2 |
＜0.50 |
＜0.6 |
＜0.3 |
＜0.2 |
＜0.05 |
＜0.15 |
＜0.004 |
產(chǎn)品主要物理指標(biāo)見表3所示。
表3 產(chǎn)品主要物理指標(biāo)
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項 目 |
6250目(造紙級） |
4000目(涂料級) |
|
白度（F457）% |
≥93.5 |
≥93.5 |
|
粒度（-2μm，%） |
88±2 |
80±2 |
|
325目篩余物（%） |
≤0.003 |
≤0.003 |
|
折射率 |
1.62 |
1.62 |
|
吸油性（g/100g） |
65±5 |
65±5 |
|
PH值 |
6.0－7.0 |
6.0―7.0 |
|
分散性（μm） |
≥55 |
45±5 |
|
水份（%） |
≤1 |
≤1 |
3.5.2 性能特點
高嶺土是由多種礦物組成的含水鋁硅酸鹽，它是一種非常重要、用途十分廣泛的非金屬礦物。大同礦區(qū)煤系高嶺巖煅燒生產(chǎn)的超細(xì)高嶺土具有以下性能：純正穩(wěn)定的高白度；粒度超細(xì)且范圍控制適宜；孔隙率高、遮蓋力強、分散容易；篩余物低；懸浮性好，不易沉淀，附著力強；與其它顏料及膠粘劑有良好的相適應(yīng)性能；化學(xué)穩(wěn)定性和絕緣性好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
新建項目生產(chǎn)的4000目和6250目高嶺土是造紙工業(yè)最好的顏料之一，它的片狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)的親水性和良好的遮蓋率，使之成為造紙工業(yè)的首選優(yōu)質(zhì)顏料。4000目產(chǎn)品主要應(yīng)用于紙張的底涂，6250目用于紙張的面涂。在造紙涂料中添加該產(chǎn)品加工涂布紙及紙板，可提高白度、平滑度和不透明度，改善油墨吸收性，保持優(yōu)良的印刷光澤度；在印刷中，可以使油墨固著快，減少油墨用量，加快印刷速度；另外，其松厚度好、有彈性、更適于凹版印刷，在凹版印刷中可以代替鈦白粉，降低生產(chǎn)成本。
4 工藝技術(shù)特點
高嶺土是四大非金屬礦之一，我國煤系高嶺土儲量極其豐富，但制備白度高于90%、粒度小于2μm占90%以上高檔煅燒高嶺土的技術(shù)難度大。煅燒純化的技術(shù)要求物料的粒度細(xì)微；煅燒溫度高而料層溫差要??；煅燒時間較長；生產(chǎn)規(guī)模要大。因而，我國目前高檔煅燒高嶺土供不應(yīng)求。
針對大同礦區(qū)煤系高嶺土的特點，集團公司應(yīng)用內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯煅燒高嶺土，煅燒粉料由回轉(zhuǎn)窯高端尾部送入，借助于桶體的斜度和旋轉(zhuǎn)，窯內(nèi)物料一面沿軸向翻滾，面沿軸向移動，隨著物料的前移逐步進入預(yù)熱、煅燒各段；熱氣體與物料相反運動，在熱氣體的直接作用下形成良好的流化狀態(tài)和均一的溫度場，氣固間熱、質(zhì)傳遞迅速，物料溫度均勻，煅燒純化過程進行得迅速而完全；回轉(zhuǎn)窯長48m，保證煅燒完全，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，達到我國現(xiàn)行的高嶺土國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14563-93質(zhì)量要求。這種煅燒技術(shù)能耗低、產(chǎn)量高, 調(diào)控容易，工藝技術(shù)先進成熟，代表著超細(xì)高嶺土煅燒技術(shù)的發(fā)展方向，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
5 結(jié)論：
⑴環(huán)保效益好。煤系高嶺巖5萬t/a煅燒高嶺土建設(shè)項目利用煤炭洗選過程中產(chǎn)生的固體廢物—煤系高嶺巖，經(jīng)過深加工制備高附加值煅燒產(chǎn)品，是塔山循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)內(nèi)重要非煤產(chǎn)業(yè)之一，對園區(qū)礦產(chǎn)資源綜合利用和環(huán)境保護起著重要作用。
⑵生產(chǎn)工藝先進可靠。內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯是目前國內(nèi)外先進的窯爐，生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量好；采用自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備運行，易于操作管理；生產(chǎn)中可根據(jù)市場需求，靈活調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)多系列、多品種產(chǎn)品；生產(chǎn)工藝清潔，燃料使用煤氣，不污染產(chǎn)品，對環(huán)境空氣污染輕，無固體廢物產(chǎn)生。
⑶節(jié)能水平高。重點耗能設(shè)備選用綜合能耗低的內(nèi)熱回轉(zhuǎn)窯，煅燒窯煙氣余熱全部回用于干燥塔，余熱利用可節(jié)省能耗500萬元/a，節(jié)能效益明顯。
⑷經(jīng)濟效益明顯。塔山煤系高嶺巖資源可靠，原料質(zhì)量好，在國內(nèi)外市場需求量較大，產(chǎn)品附加值高，具有較強的抗風(fēng)險能力，年平均利潤2400萬元，具有較好的經(jīng)濟效益。
參考文獻：
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2、任瑞晨、徐志強主編《煤炭資源綜合開發(fā)與利用》徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.6 P343-440
3、袁樹來等編《中國煤系高嶺巖（土）及加工利用》北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001
4、鄭水林主編《超細(xì)粉碎工藝設(shè)計與設(shè)備手冊》北京：中國建材工業(yè)出版社，2002
作者簡介：王玉明，男，山西大同人，生于1967年，1991年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，在大同煤礦集團公司環(huán)保處長期從事工程技術(shù)性工作，高級工程師。通訊地址：山西省大同煤礦集團公司環(huán)保處 郵編：037003
電話：0352－7013736 13191225378 email:wangyuming67@163.com
Application on technology of coal gangue calcined kaolinite in Da-tong coal mine
Wang Yuming
(Environmental protection department of DaTong coal mine group company 037003)
Abstract Coal kaolinite commonly known as "Datong black sand and gravel." with rich and fine texture in Datong. The coal gangue calcined ultrafine high-quality kaolin through large-scale process. This new chemical project has the excellent technical support, optimization of the management system, sales channel wide, and the wide range of applications. Its comprehensive benefits are obvious and that has a wide range of promotional value. in the same coal enterprises.
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