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论煤矸石中黏土矿物成分的含量对其烧结砖产量和质量的影响
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添加日期:2019/9/17 16:46:59   浏览次数:263   文章来源:   作者:

 

论煤矸石中黏土矿物成分的含量对其烧结砖产量和质量的影响
庄红峰 开滦(集团)蔚州矿业公司后勤服务中心  
摘要:通过四个不同地域和不同煤种的以煤矸石做内燃砖厂的产量和质量概述,分析后原料是影响的主要因素,找出了原料的共性和个性问题,提出限制和影响产量和质量的主要因素是煤矸石中黏土矿物含量多少,黏土矿物是生产烧结砖最基本的物质基础;通过化学成分阐明了影响烧结砖质量的因素及其防范措施。
关键词:煤矸石 可塑性   破碎 成型 焙烧 产量 限制 
1、煤矸石概述
为实现化害为利、变废为宝,国家在《煤矸石综合利用管理办法》(2014年修订版)中倡导利用煤矸石生产建筑材料。煤矸石烧结砖是利用经过处理煤矸石原料来生产的,是绿色的建筑材料,是煤矸石综合利用的途径之一。笔者通过用不同地域和不同煤种的煤矸石制砖,认识到并不是任何煤矸石都适合制砖。动力煤的煤矸石且距地表600米以内适宜制砖,炼焦用煤的煤矸石且距地表700米以上则不适宜制砖。究其原因是因不同煤种的煤矸石内存在不同的矿物组分,不同的矿物组分有不同的性能,直接影响着制砖生产线的产量和产品的质量。
矿井的煤矸石能否用来生产烧结砖,首先要对矸石堆研究制定科学合理的取样方案,力求选中的煤矸石有代表性(留下2份备用样品);其次对送检的样品由检测部门通过物理化学等技术手段进行分析检测:1、所含矿物组分的鉴定;2、热值的测定;3、化学元素所占百分数量值的分析。这些性能分析目的是确定该煤矸石是否能做纯煤矸石砖,还是需要参加黏土制砖及其参加黏土的量或是根本不适宜制砖,通过实验室提供的这些参数和指标,来初步确定砖型和规格尺寸和生产中每道工序的节拍,确定生产线的工艺线上原料破碎加工设备的选择和除尘器等环保设施的选型、成型设备的选择;坯体干燥方式的选择和干燥时设计选型;焙烧方式的选择和焙烧窑设计的选型;脱硫脱硝除尘形式的确定和除污器的选型及塔体和烟囱高度的确定;窑炉运转设备及其他辅助设备设施的选型;卸车方式的确定。
2、煤矸石分类
煤矸石根据所含矿物组成划分为:泥质页岩煤矸石,碳质页岩煤矸石,砂质页岩煤矸石,砂岩煤矸石,石灰岩煤矸石这五大类,其中动力煤的伴生煤矸石中前三类煤矸石所占比重大,炼焦用煤的伴生煤矸石中后两种煤矸石所占比重大。
利用煤矸石来制造烧结砖主要依据有两点:一是能作为原料。根据煤矸石中的岩石矿物的组成特征可以将其分为高岭石泥岩(高岭石含量>50%)、伊利石泥岩(伊利石含量>50%)、碳质泥岩、砂质泥岩(或粉砂岩)、砂岩与石灰岩。岩石矿物组分中成份的差异导致了化学组成存在差别,有的学者依据煤矸石中SiO2/Ai2O3比值和Ai203含量将煤矸石分为高铝质、黏土岩质和砂岩质煤三大类;再根据煤矸石黏土矿物组成和数量对煤矸石进行分类,按照煤矸石中高岭石、蒙脱石和伊利石含量多少将煤矸石分为高岭土质矸石、蒙脱土质矸石、伊利石质矸石和其他矸石,其他矸石是指所含黏土矿物总量小于10%的煤矸石。在从这个层面把煤矸石概括为黏土矿物(如高岭石、伊利石、蒙脱石等主要黏土矿物),是适宜制砖黏土质岩;石英(主要成分是SiO2);方解石(主要成分CaCO3);黄铁矿(主要存在形式FeS2)。二是利用其热值。煤矸石中的碳含量决定着煤矸石资源化利用的方向,结合煤矸石碳含量,可以对煤矸石进一步划分:根据固定碳含量将煤矸石划分为四个等级:1级<4%(少碳的)、2级4%-6%(低碳的)、三级6%-20%(中碳的)和4级>20%(高碳的)。其中1级、2级不适宜制烧结煤矸石砖,含碳量低不能满足煤矸石砖自燃后烧成需求的热量;较为适宜烧结煤矸石砖的含碳量在20%--30%。
3、煤矸石制砖的工艺过程
利用煤矸石制砖主要工艺过程和工艺设备:煤矸石原料→铲车(运输设备)→板式给料机→皮带机→鄂式破碎机→皮带机→锤式破碎机→皮带机→滚动筛分机→皮带机→搅拌机(第一次加水搅拌)→皮带机→多斗挖掘机→皮带机→箱式给料机→皮带机→搅拌机(第二次加水搅拌)→皮带机→真空搅拌挤出成型砖机→皮带机→切翻码坯机→窑车→干燥窑(砖坯干燥)→砖坯焙烧窑→成品打包→(装车)发运出厂。
4、实例论证
4.1
2001年唐山建成三条内宽4.6米的隧道窑砖厂。建砖厂最初想法是利用本矿的煤矸石生产煤矸石烧结砖,该煤矸石表现特征:大块且棱角分明、硬度高、不易风化、不易被破碎机打碎。生产线从试生产开始生产就不正常,为此调整设备(筛网孔径变小、机口加长、机口采用水润滑以减少泥条与机口内壁的材料摩擦力、机头尺寸缩短以加大对泥条的挤压力)、变化窑炉的控制方式,但是生产线仍然产量不能达产、产量不能达标;在2004年7月份一个偶然的机会,试用了另一家煤矿的煤矸石做原料后,初步发现生产线能正常运行,此矿的煤矸石表现:椭圆块多、块的断口处有明显的层状结构、质地软、易被打碎、易风化。通过2005年2月份正式使用该煤矸石,窑炉的焙烧速度较原来提高了50%,设备逐步满足原设计指标要求,设备磨损降低了,产量到年底合格煤矸石烧结砖产量折标1.17亿块(设计能力9000万块)超设计产能30%;当年仅通过十一个月原料的调换经营不再亏损了。到2006年2月、3月又利用原来的煤矸石作原料,这两个月的产量,窑炉无法正产运行。为了保住窑炉不熄火,就采用窑顶加煤的办法,但产量不是下降近了1/3,通过分析这两个矿的煤矸石出处,初步认为这两种煤矸石对同一条煤矸石烧结砖生产线反差大的原因:此矿的煤是炼焦煤,煤层距地表700米以上;而另一家煤矿则生产动力煤,煤层距地表500米;这两个煤矿相距8公里,但处于两个不同的煤系。
4.2 
2006年4月份在唐山市区东部,某公司建了一条内窑2.3米小断面隧道窑煤矸石烧结砖生产线。在将原料做工业性试验后,得出结论:不适宜做纯煤矸石砖。同年的5月份在唐山市西部另一家公司建了一条同等规模小断面隧道窑烧结砖生产线,在将原料做工业性试验后,得出结论:适宜做纯煤矸石砖。在2012年和2013年,调研这两条生产线后,结果是后者每年盈利,前者从建成投产以后始终没有达产,处于严重亏损状态。需要说明的是,这两家砖厂均是由同一个窑炉公司设计施工的,生产工艺、生产设备和设施完全相同,规模一样。不同之处是地理位置的不同,前者的煤矿生产炼焦用煤,煤层距地表800米以上;后者的煤矿生产动力煤,煤层距地表700米左右。
4.3 
2013年在张家口蔚县建成投产一条内宽6.9米大断面隧道窑煤矸石砖生产线,自窑点火试生产开始,就能达产,因为蔚县的煤绝大部分是动力用煤,煤矿的煤层距地表在500米以内。
5、原料性能分析及其工作机理  
5.1 煤矸石矿物成分基本特性
通过查阅开滦(集团)有限责任公司编辑的《历史统计资料汇编》(1981—2005)中所属煤矿的地质情况,发现动力煤一般埋藏深度浅,黏土矿物是构成煤矸石岩层主要矿物;例如蔚州公司的崔家寨矿和单侯矿的煤层距地表不超过400米,矿井的底板和老顶以黏土岩和粉砂岩为主;荆各庄矿和林南仓矿的底板和老顶也是以黏土岩和粉砂岩为主;炼焦煤种的特点是埋藏深度深,构成煤矸石岩层的主要矿物是石英和方解石;例如马家沟矿和赵各庄矿的岩性主要是砂岩、粉砂岩和细砂岩,即岩石的主要成分是结构致密的石英(主要成分是二氧化硅)和方解石(主要成分是碳酸钙)。
资料显示,黏土矿物的细小颗粒的积淀构成黏土岩,结构松散。地表疏松未固结黏土矿物称为黏土,固结成岩的黏土矿物称为泥岩和页岩。
大多数黏土岩是母岩风化产物中的细碎屑物质呈悬浮状态被搬运到沉积场所而沉积成的,部分黏土岩是铝硅酸盐矿物分解的产物通过胶体凝聚作用形成的。黏土矿物很细小,它们的结晶大小一般不超过1—2微米。黏土矿物种类繁多,黏土岩中分布最广的是高岭石、水云母、蒙脱石、绿泥石、凹凸棒石等。
黏土岩的化学成分取决于它的矿物成分和黏土矿物中吸附离子的成分。其主要化学组分是SiO2Al2O3及铁的氧化物等。
黏土岩的颜色取决于黏土矿物的成分、杂质矿物的成分、有机质及所含色素的颜色。单一成分的高岭石黏土、水云母黏土等,常呈白色、浅灰色,浅黄色等;某些黏土岩中含细分散状的铁的氧化物和氢氧化物,则呈不同的颜色;黏土岩自身的物理性质:可塑性、耐火性、烧结性、膨胀性、吸附性等。
页岩是由黏土矿物中极细的粘土、泥质,经过造岩运动中物理化学变化后形成,具有薄页状层理构造的粘土岩。页岩的突出特点是具页状或薄片状层理,层理清晰,层理间结合力弱,用硬物击打易裂成碎片,抗风化能力弱。
5.2  制砖原料必须有的四种矿物及其在生产过程中的工作机理
黏土矿物属于层状硅酸盐矿物系列,其特征是硅氧比是2:5,这些层状的硅酸盐黏土矿物对煤矸石烧结砖是否能正常生产起着决定性作用。
四种矿物分别是高岭石、伊利石、长石及石英。高岭石和伊利石是黏土矿物,为原料提供可塑性、在烧结过程中通过高温作用含有结晶水高岭石分解出莫来石、石英和水:Al4[(Si4O10)](OH)8→2Al2O3·SiO2+ 2SiO2+4H2O;莫来石是一种硬度高、抵抗化学侵蚀的晶体,它的存在使成品砖的抗压强度增高,能够承受外界较高机械强度的持续均匀地压力;莫来石存在于成品砖的与高温火接触的面层。这也就解释了为什么没有烧成的欠火砖,裸露堆放在外禁不起风吹雨打而粉掉的原因,即未达到生成莫来石物质的温度,进一步讲莫来石是烧结砖的保护层。伊利石在高温作用下也生成莫来石。长石和石英属于非黏土矿物,其作用是控制砖坯在干燥和焙烧过程中收缩和变形、提高坯体强度。
高岭石的化学组成:Al4[(Si4O10)](OH)8,其中Al2O3=39.5%、SiO2=46.54%、H2O=13.9%,其余为P2O5、SO3、MgO、CaO、Na2O、K2O、BaO等杂质。其特征结构致密微细粒状、疏松鳞片状和土状的集合体;由于层内部的Si-O离子键作用力大于层与层的分子间作用力,而出现易解理和粉碎,具有亲水性,水渗入后易扩散,可塑性强。
煤矸石中的泥质页岩煤矸石、碳质页岩煤矸石和砂质页岩煤矸石属于黏土矿物;砂岩煤矸石和石灰岩煤矸石是非黏土矿物,属于石英和方解石类的矿物。所以生产过程中煤矸石里含有大量的黏土矿物时,在破碎阶段易被粉碎,单位时间内产量高,缩短了煤矸石与颚板、锤头等破碎零件的摩擦时间,节省鄂板、锤头和衬板,延长了破碎机的使用寿命;由于黏土矿物中高岭土、伊利石、蒙脱石的亲水性,破碎后粉料加水后形成小泥团,陈化中水分子容易进入颗粒的裂隙或毛细管,毛细管水进一步把粉料颗粒撑开炸裂。根据对不同形状的原料颗粒的比表面积大小已经研究结果:板状和短柱状颗粒的比表面积比球状颗粒和立方体比表面积大得多。由于黏土矿物的主要代表:物高岭土、伊利石、蒙脱石主要以层状形式存在,层间氢键或范德华力链接,在受到外力作用时易碎,粉碎的颗粒通常的形状为板状和短柱状。在原料筛分后粒度分布一定的情况下,通过陈化疏解后原料的颗粒愈细,比表面积愈大,毛细管半径愈小,毛细管力增强,每个颗粒表面形成连续的水膜,进一步细化煤矸石,物料的可塑性能和成型过程中需较多的水。由于塑性原料颗粒呈半片和短柱状,这些物料在受到搅拌和挤出外力作用时呈线性排列向前推进;当泥条出挤砖机的机口后,因为塑性煤矸石原料中毛细管水有内聚力,一旦挤出力消失泥条即是受其自重影响而产生变形,泥条内的无数颗粒的内聚力迅速形成内部合力,趋向于增强抵抗进一步的变形。这就是塑性物料的泥条不易扒角开裂的因素,这些可以通过土工试验进一步验证:物料的塑性会随着施加的外力增大而提高。在生产实践中体会到可塑性高的物料在增加砖机挤出电流后,出泥条速度明显加快,也不会出现断条、烂芯现象,再次证明物料的塑性会随着施加外力的速度增加而提高出泥条的速度,砖坯的单位时间内产量迅速增加,但是前提条件是物料本身具有较好的塑性。塑性差的砂岩类物料不会挤出合格的泥条。
泥质的煤矸石,在生产实践中被证明可以在原料粉碎和成型工序中达到并超过设计要求,这为砖坯的干燥和焙烧打下了基础。通过查阅资料和生产实践,动力煤的煤矸石着火点在400℃--450℃,尤其是蔚县的煤矸石;而炼焦煤的煤矸石着火点在500℃--600℃。煤矸石着火点低是焙烧窑快速进砖坯车的必要条件,提高成品砖的产量的前提。
5.3 砂岩煤矸石和石灰岩煤矸石的原料性能分析
砂岩煤矸石和石灰岩煤矸石,其矿物的主要成分是SiO2、CaCO3
(1)在自然界的存在形式:SiO2通常以柱状和块状的晶体形式存在,不易粉碎,硬度高;CaCO3的晶体形状多种多样,它们的集合体可以是一簇簇的晶体,也可以是粒状、块状、纤维状、钟乳状、土状等,不易粉碎,硬度高。
(2)通过破碎粉碎筛分后,粒径分布相对稳定的情况下,其颗粒的形状呈现球状、粒状、块状,用手捏不碎;经过陈化疏解,烘干,筛分后,未见颗粒形状改变多少,仍然用手捏不碎这些颗粒物。由此造成该原料塑性差,需要掺加黏土颗粒,来提高混合后物料的塑性。不适宜单独作为制烧结砖的原料。
6、目视直观判别煤矸石矿物构成表
6.1 (1)目视直观判别煤矸石中矿物成分构成表

物理作用沉积岩
黏土沉积岩
泥质页岩煤矸石
深灰色、灰黄色、片状结构、伊利石页岩不完全解理、易风化、易碎、适宜制砖
矿物组成与地表的粘土相似
泥质页岩煤矸石
黑色、黑灰色、层状结构、含碳黏土页岩有油脂光泽、易风化、易碎、适宜制砖
砂质页岩煤矸石
深灰色、灰白色、块状结构、块大、不易风化、难粉碎、可以制砖
物理化学作用成岩
碎屑、砾岩、沉积岩:砂岩煤矸石
黑灰色、深灰色、块状结构、块大、椭圆形、较硬、难风化、难粉碎、不能单独制砖
大部分是砂岩
化学沉积岩:石灰岩煤矸石
灰色、块状结构、块大、断口处粗糙坚硬、难风化、难粉碎、不能单独制砖
大多是碳酸盐岩

这几种矿物间的关系和对产品质量的影响:高岭石、伊利石、长石、石英这几种矿物,只要按照一定比例进行组合,即能生产出合格的烧结砖。为了便于分析此时,采用化学成分分析法,由于这几种矿物均含有SiO2和Al2O3,这是共性,业界通常认为硅铝之比不小于2.5即可制砖。
(2)满足制砖原料的化学成分基本要求表:

化学成分
SiO2
Fe2O3
Al2O3
CaO
MgO
SO3
K2O(Na2O)
烧失量
初步结论
(%)含量
55-70%
2-8%
15-25%
0-3%
0-3%
<1%
适量
3-15%
适宜
45-80%
2--15%
10-30%
0-5%
0-5%
<3%
适量
3--23%
允许

6.2 煤矸石的化学成分对产品质量的影响
通过上述表格中的含量要求,直观地告诉了结果。下面详细的把煤矸石中化学成分存在形式和对成品砖的影响,做一叙述:
(1)SiO2 二氧化硅以游离状态存在于砂岩、砂砾岩和伊利石及云母等矿物中,含量为55—70%。对生产的影响如下:
1)因其为瘠料,陈化后颗粒表面的水化膜薄,保水性差,因而塑性低,给成型带来难度;
2)降低坯体在干燥中变形与收缩,助于缩短干燥周期;
3)根据粉碎后粒度大小,对窑炉的焙烧温度高低有影响;粒度细小,二氧化硅有助熔作用,焙烧温度不能高于实验室最高温度,否则焙烧后砖就粘连在一起,影响砖的完整面和合格率;粒度偏粗时,应适当提高焙烧温度,否则出现欠火砖;
4)二氧化硅含量若超过75%,坯体在高温段会发生爆炸现象、抗压强度降低,尤其是抗剪切能力明显下降。
由于α石英晶体和β石英晶体在焙烧过程中发生多次晶格形态的相互转化,每一次的晶格转化均使坯体内的应力重新改变,所以为提高成品砖的的合格率,可在煤矸石破碎前利用筛选的方法来剔除大块的砂岩和砂砾岩。
(2)Al2O3 氧化铝在煤矸石中多数是以含水硅酸铝(xAl2O3·ySiO2·nH2O)的形态存在,因其矿物组成的不同,三者之间的分子关系也发生变化,其含量在15—25%为宜,作用:
1)Al2O3含量的高低,一是影响焙烧温度;二是影响成品砖的合格率。原因是Al2O3[A1] 耐火材料的主要原料,它在砖坯内含量越高则要求烧结温度要越高,否则出欠火砖;
2)含Al2O3量增多后,亲水性也增加,颗粒表面水化膜加厚,能提高物料的可塑性;在焙烧过程中加大坯体的收缩量;
3)Al2O3能提高成品砖的抗压强度等力学性能。
(3)Fe2O3 在煤矸石中多以黄铁矿(FeS2)形态存在,其含量宜在2—8%;含量过高则成品表现为黑斑或突出的铁瘤;作用:
1)在氧化气氛中,Fe2O3是着色剂;当其含量小于1%时,砖呈黄白色;当其含量大于9%时,砖呈深红或紫红;总之,含铁量越高,成品砖的颜色越深;
2)在还原气氛中,高价铁被还原后与二氧化硅共同形成共熔物降低熔点,降低砖坯的焙烧温度,是助熔剂;
3)含量高窑炉烟气中硫含量愈高,脱硫费用增加;
(4)CaO[A2] 
在煤矸石中多以CaCO3的形式存在,含量不超过3%;砖坯中的CaCO3在焙烧温度550---960℃时,分解生成CaO。当生成CaO的量在5%左右时,出窑的砖在湿度大的环境中,吸潮后CaO的体积增大1.5-3.5倍,易发生石灰爆裂;所以控制其含量的办法在煤矸石破碎前利用筛选的方法来剔除大块岩石(石头);
(5)Mgo
在煤矸石中以MgCO3形式存在于白云石中,在大多数情况下与CaCO3同时存在于岩石中。MgCO3在400--760℃分解生成Mgo;如果生成的MgO含量过高时,在外界环境适宜的情况下,成品砖会发生镁爆裂;镁爆裂事故有隐蔽性:一是砖体出现镁爆裂现象所需要的时间比CaO要长得多,往往是在砖砌成建筑物20多天后出现;二是很容易让人误以为是石灰爆裂。例如2011年河南省郑州就出现一起八栋低层砖混住宅楼主体完工后,因砌体爆裂被拆事故,当时被称为“楼脆脆”事件;2012年安徽省某地也出现类似的现象;当时被定性为石灰爆裂。随着对砖的生产厂家的仔细调研,分析其使用的原料--煤矸石中镁的含量高;结合用废弃物镁渣代替石灰砌墙后,墙体在一年后倒塌。有专家提出了“镁膨胀”是造成“楼脆脆”原因的见解。通过实验初步测定:MgO在吸潮后形成Mg(OH)2体积膨胀148%;由于MgCO3是溶于水盐,通常附着于砖的表面而出现泛霜现象。MgO,所以MgO是具有潜伏性破坏砖体结构的物质;
(6)S 
S通常存在于硫铁矿(FeS2)和硫酸盐中,是有害物质;它在焙烧在过程中生成SO2:一是SO2+H2O= H2SO3,将腐蚀干燥窑和焙烧窑的铁件,如管道、窑车、余热锅炉、风机;二是二氧化硫,对人的呼吸道、眼粘膜有刺激作用,对空气污染;三是与砖表面的金属离子结合,生成可溶性硫酸盐而泛霜,所以其含量宜控制在2%以下。
7、结论
通过对煤矸石的矿物组成和化学成分对比分析后,在利用煤矸石制砖时,虽然蒙脱石能提高原料的可塑性,但因干燥敏感性较大,容易使砖坯在干燥过成中出现裂纹等危害性后果,因此其含量通常不高于3%,但是在特殊条件具备的情况下可控制在10-15%,通过掺加黏土质页岩和黏土来降低干燥敏感性。
通过上述实例和相关原料工作机理的分析,可以这样讲:如果以煤矸石中不含黏土矿物或含黏土矿物比例不足的做烧结砖的原料,将无法生产合格的煤矸石烧结砖,所以煤矸石中含有匹配合理的黏土矿物是生产烧结砖最基本的物质基础。进一步验证了烧结砖工艺过程四个重要的组成部分,即原料是根本、成型是基础、干燥是保证、焙烧是关键,是相互依存,依次影响下一道工序的;阐明了作为烧结砖原料——煤矸石,是生产线的基础性材料,基础不牢则“地动山摇”。
总之,原料——煤矸石中的矿物组成及化学成分对烧结砖生产工艺过程及产量、质量有决定性的影响。