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【分享】工业废渣煤矸石和赤泥烧制多孔砖工艺性能研究

发布时间:2020-11-25  作者:恒安

摘要:针对工业废渣煤矸石和赤泥烧结多孔砖工艺性能可行性半工业性试验以及烧成小样强度等项目进行了分析与试验。结 果表明:采用煤矸石、赤泥,再添加一定量杂泥土,可以制备出优质烧结多孔砖,为满足 GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》 要求,赤泥掺量不宜太多。煤矸石和赤泥总用量达到 75%,制备的烧结多孔砖强度等级可达到 MU18。 

关键词:煤矸石;赤泥;烧结多孔砖;化学成分

0 引 言

        煤矸石是在煤矿建井、开拓掘进、采煤和煤炭洗选过程中 产生的干基灰分>50%的岩石。煤炭开采和洗选加工过程中 排放出大量的煤矸石,发展煤矸石烧结制品可节约大量能源, 有利于新型建材“绿色”可持续发展。煤矸石制作烧结制品 可充分利用煤矸石中的热值,并对生产过程中产生的大量余 热进行合理的回收和利用,是继煤矸石发电后的又一项煤矸石综合利用工程。 

        2018 年,我国煤矸石产生量约 https://www.titan-biz.com 亿 t,综合利用率约 65%,主要利用方式为煤矸石发电、生产建材产品、筑基铺路、 土地复垦、塌陷区治理和井下充填换煤等,煤矸石井下充填置 换煤技术实现了矸石不升井、不占地。目前,受运输、市场环 境、发电装机容量限制等因素影响,部分地区煤矸石综合利用 率仍不高,相关优惠政策在个别地区难以得到落实[4]。历年产 生的煤矸石堆存量高达 50 亿~60 亿 t。全国煤矸石山约有 1900 多座,不但占用大量土地,产生的排放还直接污染地下 水、空气和土壤,是亟需治理的重大污染源。 

        赤泥是氧化铝工业最大的工业废渣,随着铝工业的发展, 赤泥的有效利用问题显得尤为迫切[5]。我国是氧化铝生产大 国,2018 年氧化铝产量约占世界总产量的 60%,达 6900 万 t;产生的赤泥接近 9000 万 t,而综合利用率仅为 20%,累积堆 存量达到 5 亿 t 以上。我国氧化铝厂大多采用露天筑坝堆存 处理赤泥,这种处置方式不仅需要占用大量土地,浪费资源, 在堆场建设和维护上耗资,还会对区域环境造成一定的影响。国外学者开展了大量的研究工作,提出了几十种关于赤泥综 合利用的途径与方法。但总体上现有的综合利用技术存在 着成本高、工艺复杂、经济效益较差等缺点,而且大部分技术 对赤泥处理量小,与其排放量不成比例,到目前为止在世界范 围内还没有实现赤泥的大规模利用,其综合利用与资源化问 题仍然属世界性难题。 

        为了解决煤矸石和赤泥综合利用问题,受中国长城铝业 公司郑州水泥厂委托,课题组对其所送的煤矸石、赤泥等 5 种 原料进行了原料化学成分分析、工业固废天然核素放射性测 试、原料以及混合料(3 组)烧制烧结多孔砖工艺性能可行性 半工业性试验以及烧成小样强度测试等检测与试验项目进行 了分析与测试。

1 原材料分析

        本次试验所需 5 种原料为:(1)压滤后的铝矾土选矿赤泥:色泽呈赤褐、湿黏结团泥状;(2)煤矸石 1:色泽呈灰黑、块状;(3)煤矸石 2:色泽呈黑褐、块状;(4)当地杂泥土试样:土黄 色,湿状;(5)第 2 次碎煤试样:黑色粉状。

        原材料的化学成分见表 1。工业固废用作生产建筑材料 原料时,放射性核素限量应符合 GB 6566—2010《建筑材料放 射性核素限量》要求:对于烧结墙体材料来说,多用于建筑主 体材料,标准要求实体材料的天然放射性核素镭-226、钍- 232、钾-40 的放射性比活度应同时满足内照射指数(IR)a ≤https://www.titan-biz.com 和外照射指数(I)r ≤https://www.titan-biz.com。对于空心率大于25%的多孔烧结砖, 作为建筑主体材料时,其天然放射性核素镭-226、钍-232、 钾-40 的放射性比活度应同时满足内照射指数(IR)a ≤https://www.titan-biz.com 和 外照射指数(I)r ≤https://www.titan-biz.com。原材料的干燥性能及放射性检测结果 见表 2。

        由表 1、表 2 可见: 

        (1)所送赤泥试样的成型与干燥性能较适宜于烧结砖工 艺;但试样的硅质含量偏低,氧化铝含量偏高。不适宜单独作 主要原料生产烧结多孔砖,应适当添加硅质含量高、塑性好的 其它矫正原料;赤泥中放射性核素超过 GB 6566—2010 的要 求,放射性较高。因此,本赤泥不能单独用作主要原料生产烧 结多孔砖,应与其它烧结砖生产原料混合使用,以使所配混合 料生产出的烧结制品放射性符合 GB 6566—2010 要求;赤泥 中的氧化铝偏高,制砖过程中会增大焙烧收缩率;赤泥试样中 的碱性氧化物(氧化钾+氧化钠)含量较高,达https://www.titan-biz.com%,含量高 的碱性氧化物起助熔剂作用,烧成过程中会引起较早的玻璃 化并增大焙烧收缩,此外在其掺量过高时会增大制品密度。 

        (2)煤矸石:煤矸石 1 无塑性,属非泥质类煤矸石,不适用 于作烧结砖的原料;煤矸石 2 除了氧化铝偏高外,其成型与干 燥性能较为适宜用作生产烧结砖的主要原料。

        (3)杂泥土:其成型与干燥性能较为适宜用作生产烧结砖 的主要原料。

2 试 验

https://www.titan-biz.com 试验过程 

        根据每一种原料的基本工艺性能检测分析结果,设定 4 组普通砖配合比,对每组混合料按照烧结砖生产工艺规程分 别在实验室进行粉碎、搅拌、陈化、成型和半工业性干燥、焙烧 试验。观察试验过程并记录、测试相关试验数据及结果,分析 每组混合料烧制烧结多孔砖的工艺可行性及其制成品的主要 力学性能测试。 

        (1)配合比:根据烧结砖生产工艺,将煤矸石 2 与赤泥、杂 泥土和煤作为试验用原料,确定 4 组烧结普通砖混合料配比 见表 3。

        (2)原料处理:用实验室用粉碎机将煤矸石、杂泥土、煤分 别粉碎至 120~200 目,过筛备用。表 4 为此 4 种配合比的混 合料基本性能测试结果。

        由表 4 可知,4 组混合料的塑性指数均接近 7,属于中等 塑性原料,适合制砖。赤泥在混合料中掺量降到 13%以下时, 制品的放射性才能达标。 

https://www.titan-biz.com 坯料制备 

        根据目前国内烧结砖工艺技术,结合混合料工艺性能,拟采用硬塑挤出成型工艺。用实验室小型搅拌机对 4 组混合料 加水搅拌均匀制成湿料,搅拌拌合混合料水份为 https://www.titan-biz.com%。然后将 4 组混合料静置陈化 72 h;再补水至以下成型水分:A:https://www.titan-biz.com%;B:https://www.titan-biz.com%;C:https://www.titan-biz.com%;D:https://www.titan-biz.com%。分别将其喂入小型真空挤出机入料口内,机口尺寸 50 mm×24 mm;然后切成 65 mm×50 mm×24 mm、空洞率为 https://www.titan-biz.com% 的湿坯小试样。 

https://www.titan-biz.com 干燥与焙烧(半工业性)试验 

        将 4 组挤出小样先装入 https://www.titan-biz.com m×https://www.titan-biz.com m 隧道式干燥窑中进 行干燥脱水制成干坯小样,观察试样外观无裂纹出现。最终将 4 组干坯小样装入 https://www.titan-biz.com m×https://www.titan-biz.com m 焙烧窑中经升温预热、干 燥、焙烧、冷却后出窑,制成烧成小样,见图 1。焙烧工艺技术 参数及小样性能见表 5。

https://www.titan-biz.com SEM 分析(见图 2)

        从图 2 可知,样品中存在较多的液相,这些液相相互连 接,提高了样品的强度;样品液相中存在晶相,但是晶相的大 小及分布不均。另外发现,样品存在的大量的气孔是不连通 的,这对于多孔砖所需的保温、隔热、隔声性能比较有利。另 外,样品 A 中的晶相比样品 B、C、D 中的晶相致密均匀、样品 抗压强度测试结果为 A>B>C>D,说明晶相的大小及分布对抗 压强度有较大影响

3 试验结果与讨论

        从原料样品试验结果来看,赤泥不能单独作为烧结砖生 产用主原料,其制约条件: 

        (1)放射性超标,无法满足 GB 6566—2010 的规定要求。 

        (2)硅质含量偏低,氧化铝含量较高,若作为烧结砖主要 原料使用,一方面会影响烧成后制品强度的提高,另一方面烧 成温度较高(热耗成本较高)。 

        (3)通过本试验结果表明,采用上述赤泥、煤矸石(二次 样)、杂泥土等原、燃料可以生产出力学性能优良的烧结砖,本 次 4 组烧成小样为烧结多孔制品,性能良好。 

        (4)本次试验在煤矸石放射性偏高、赤泥放射性超标的条 件下,烧结多孔砖基本不能满足GB 6566—2010 规定要求。若 在现有参试原料条件下,只有赤泥掺量降到 13%以下时,才 能满足 GB 6566—2010 规定要求。 

        (5)实际应用中,可考虑将赤泥与其它硅质原料含量高且 塑性较好的工业固废———低放射性泥质煤矸石一起,加入当 地硅质原料含量较高且塑性较好的杂泥土(或页岩,依河南省 “墙改”政策规定,为满足生产工艺要求,允许掺入不超过 20%的黏土质原料)作为主要原料。

4 结 论

        煤矸石、赤泥再添加一定量杂泥土,可以制备出优质烧结多孔砖,但为符合 GB 6566—2010 规定要求,赤泥添加量不 宜太多。煤矸石和赤泥总用量达到 75%时,制备的烧结多孔 砖强度等级可达到 MU18。评价赤泥放射性在综合利用过程 中的制约性,对研究赤泥和赤泥在建筑材料领域大规模综合 利用的关键技术有重要意义。

尹青亚,娄广辉,李峰,郭蕊 

(河南建筑材料研究设计院有限责任公司,河南 郑州 450002)

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