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专利名称：一种煤基固废协同制备的陶粒及其制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210301578.5

专利申请（专利权）人：中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司,国家能源投资集团有限责任公司,北京低碳清洁能源研究院
权利人地址：陕西省榆林市神木市大柳塔镇神东开云优惠体育网页版入口大厦

专利发明（设计）人：李俏,贺安民,董阳,卓锦德,梁文斌

专利摘要：本发明提供了一种煤基固废协同制备的陶粒及其制备方法，包括以下原料：陶粒由以下原料制备得到：以原料的总重量计，粉煤灰35～70％，气化细渣28～45％，煤矸石1～20％，辅助物料0～19％；气化细渣的干基含碳量为10～40％，气化细渣的干基中除碳以外，SiO2与Al2O3的总量≥60％；煤矸石中SiO2与Al2O3的总量≥65％，Al2O3的含量≥30％。本发明方法包括：(1)将气化细渣烘干、破碎；(2)将粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料和气化细渣混合造粒得到生料球，再烘干；(3)将生料球置于匣钵中或回转窑中，并以第一速率升温至500～900℃并保温20～120min后，以第二速率升温至1150～1200℃并保温20～60min煅烧后得到陶粒。本发明提供的陶粒既具有优异筒压强度、低吸水率的性能，又充分利用了煤基固废。

主权利要求：
1.一种煤基固废协同制备的陶粒，其特征在于，所述陶粒由以下原料制备得到：以所述原料的总重量为100％计，粉煤灰35～70％，气化细渣28～45％，煤矸石1～20％，辅助物料0～19％；
其中，所述辅助物料包括气化粗渣、污泥或炉底渣中的一种或多种；
所述气化细渣的干基含碳量为10～40％，所述气化细渣的干基中除碳以外，SiO2与Al2O3的总量≥60％；
所述煤矸石中SiO2与Al2O3的总量≥65％，Al2O3的含量≥30％。
2.根据权利要求1所述的陶粒，其特征在于，以所述原料的总重量为100％计，粉煤灰40～60％，气化细渣30～40％，煤矸石10～19％，辅助物料1～10％。
3.根据权利要求2所述的陶粒，其特征在于，所述气化细渣的干基含碳量为15～39％，所述气化细渣的干基中除碳以外，SiO2与Al2O3的总量为65～85％。
4.根据权利要求3所述的陶粒，其特征在于，所述煤矸石中SiO2与Al2O3的总量为70～
99％，Al2O3的含量为31～55％。
5.根据权利要求4所述的陶粒，其特征在于，所述粉煤灰选自煤粉炉粉煤灰和/或循环流化床粉煤灰。
6.一种权利要求1～5中任一项所述陶粒的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含如下步骤：(1)将所述气化细渣进行烘干、破碎后备用；
(2)将粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料和步骤(1)得到的气化细渣混合造粒得到生料球，再进行烘干；
(3)将烘干后的生料球置于匣钵中或回转窑中，并以第一速率升温至500～900℃并保温20～120min，再以第二速率升温至1150～1200℃并保温20～60min进行煅烧，冷却至室温经筛分后得到所述陶粒；
其中，所述第一速率为2～10℃/min，所述第二速率为2～6℃/min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)和步骤(2)中，所述烘干在
100～110℃下进行。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述烘干进行4～12h，步骤(2)中所述烘干进行1～4h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，破碎后的气化细渣通过
100～300目的筛网进行筛分，筛下物备用。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，先将所述粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料进行预处理后，再进行混合造粒；
所述预处理包括：将所述粉煤灰通过35～250目的筛网进行筛分，筛下物备用；将所述辅助物料和所述煤矸石分别通过200～300目的筛网进行筛分，筛下物备用。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，将所述气化细渣、粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料在造粒机中进行造：，得到5～10mm的生料球。 说明书 : 一种煤基固废协同制备的陶粒及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及煤化工行业固废资源化利用技术领域和建筑材料领域，尤其涉及一种制备陶粒的方法及由该方法制备得到的陶粒。背景技术[0002] 我国固体废弃物主要是煤基固体废弃物和矿产废弃物。在一些煤矿电厂集中区域，特别是西部煤电基地，每年都有大量固废堆积、填埋。气化渣、粉煤灰、煤矸石大量堆积，环境污染严重。因此，气化渣、粉煤灰等煤基固废的综合利用有重要的环境和经济效益。[0003] 同时，随着海绵城市、装配式建筑的兴起，国家禁采砂石的政策影响，陶粒制品迅速发展起来，市场潜力巨大。[0004] 目前，如何利用煤基固废之间的协同效果作为制备高强度、低吸水率的陶粒的方法还有待研究开发。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种以气化细渣和粉煤灰为主要原料，煤矸石作为结构支撑剂制备得到的陶粒及其制备方法，本发明提供的陶粒既具有优异的筒压强度、低吸水率的性能，又实现了充分利用煤基固废的目的。[0006] 为了实现本发明目的，本发明采用了如下的技术方案：[0007] 本发明第一方面提供了一种煤基固废协同制备的陶粒，所述陶粒由以下原料制备得到：以所述原料的总重量为100％计，粉煤灰35～70％，气化细渣28～45％，煤矸石1～20％，辅助物料0～19％；[0008] 其中，所述辅助物料包括气化粗渣、污泥或炉底渣中的一种或多种；[0009] 所述气化细渣的干基含碳量为10～40％，所述气化细渣的干基中除碳以外，SiO2与Al2O3的总量≥60％；[0010] 所述煤矸石中SiO2与Al2O3的总量≥65％，Al2O3的含量≥30％。[0011] 在本发明提供的陶粒中，含有0～19％的辅助物料，当辅助物料的含量为“0％”时表示该组成的原料中不含有辅助物料。[0012] 在本发明中，所使用的气化细渣是煤气化过程中随合成气进入洗涤塔，并经气体洗涤出的固体；而作为辅助物料的气化粗渣是煤气化过程中从气化炉炉底出渣口产出，经冷却后形成的固体。一般来说，本发明所用的气化粗渣的颗粒粒径大于气化细渣。[0013] 本发明提供的陶粒以气化细渣和粉煤灰为主要原料，煤矸石作为结构支撑剂，解决了陶粒煅烧能耗高以及煤基固废的资源化再利用的问题；同时，本发明提供的陶粒原料中以煤矸石作为结构支撑剂，其具有层片状结构，煤矸石能够相互穿插在粉煤灰的颗粒之间，提供支撑作用；同时，煤矸石层片间的碳微粉，可以为体系提供小孔，降低密度的同时提高制得陶粒的筒压强度；此外，本发明所提供的煤矸石与普通煤矸石不同，本发明所使用的煤矸石中SiO2与Al2O3的总量≥65％，并且其中Al2O3的含量≥30％，使得在高温下颗粒不会发生熔融，可以防止高温成孔时的结构坍塌，具有细度大、熔点高的特点；在一些优选的实施方式中，本发明使用的煤矸石中SiO2与Al2O3的总量为70～99％，比如，80％，85％，90％；Al2O3的含量为31～55％，比如，40％，45％，50％。[0014] 在本发明的一些优选的实施方式中，以制备陶粒的原料的总重量为100％计，粉煤灰40～60％，气化细渣30～40％，煤矸石10～19％，辅助物料1～10％。[0015] 本发明中所述的气化细渣的干基是指在105±5℃条件下烘干至恒重的气化细渣，气化细渣的干基含碳量具体是指在105±5℃条件下烘干至恒重的气化细渣中的碳的含量。本发明的研究人员发现，气化细渣的干基含碳量对陶粒的密度影响明显。在一些优选的实施方式中，气化细渣中的干基含碳量为15～40％，在所述气化细渣的干基中除了碳含量以外，气化细渣的干基中SiO2与Al2O3的总量为65～85％，比如，70％，75％，80％。[0016] 在一些具体实施方式中，本发明中所用的粉煤灰可选自煤粉炉一级、二级、三级或以下的粉煤灰，也可以为煤粉炉粉煤灰和/或循环流化床粉煤灰，粉煤灰作为具有粘接作用的重要成分，能够保证陶粒的粘结性能。[0017] 本发明第二方面提供了一种上述陶粒的制备方法，该制备方法包含如下步骤：[0018] (1)将所述气化细渣进行烘干、破碎后备用；[0019] (2)将粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料和步骤(1)得到的气化细渣混合造粒得到生料球，再进行烘干；[0020] (3)将烘干后的生料球置于匣钵中或回转窑中，并以第一速率升温至500～900℃并保温20～120min，再以第二速率升温至1150～1200℃并保温20～60min进行煅烧，冷却至室温经筛分后得到所述陶粒；[0021] 其中，所述第一速率为2～10℃/min，所述第二速率为2～6℃/min。[0022] 本发明提供的制备方法采用梯度升温过程中进行煅烧处理，在煅烧过程中的升温过程、保温过程各分为两段，第一段升温过程为预热阶段，陶粒生料球以第一速率升至500～900℃，并保温20～120min；在第一阶段的预热过程主要为气化渣中碳氧化过程，能够在体系中形成孔隙，对制得的陶粒密度影响较大；第二段升温过程属于煅烧阶段，以第二速率升至1150～1200℃并保温20～60min后进行煅烧，在该阶段中煤矸石形成微小孔，原料体系内无机颗粒连接处于增强阶段，颗粒颈部连接处熔融，提升了陶粒的筒压强度。[0023] 在本发明制备方法的步骤(1)和步骤(2)中，烘干在100～110℃下进行，以减少混合物料中水分的引入；在一些优选的实施方式中，步骤(1)中的烘干进行4～12h，步骤(2)中所述烘干进行1～4h。[0024] 在一些具体的实施方式中，经步骤(1)烘干后的气化细渣进行人工破碎或破碎机破碎使之成为细小颗：，通过100～300目的筛网进行筛分筛去大颗粒，使其便于进入混合物料的孔隙之中，以改善各物料之前的界面性能，有效提高陶粒的力学性能。[0025] 在本发明制备方法的一些具体的实施方式中，在步骤(2)进行混合造粒前，先将粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料进行预处理，所述预处理包括：将作为原料中的粉煤灰通过35～200目的筛网进行筛分，筛下物备用，将辅助物料和煤矸石分别通过200～300目的筛网进行筛分，筛下物备用。经过预处理筛分后的粉煤灰，提高了与原料中各混合物料之间的粘结力，混合物料之间的嵌挤力和内摩擦力，使得陶粒具有较高的粘结力，强度和稳定度。[0026] 在一些具体的实施方式中，步骤(2)中将气化细渣、粉煤灰、煤矸石和任选的辅助物料在造粒机中进行造：，得到5～10mm的生料球。[0027] 采用上述的技术方案，具有如下的技术效果：[0028] 本发明提供的陶粒原料中以气化细渣和粉煤灰为主要原料，煤矸石作为结构支撑剂，通过控制各原料组分的配比以及气化细渣与煤矸石具体组成，从而提高了陶粒的稳定度，增强了粘结力强度，增加了陶粒的筒压强度，降低了陶粒的吸水率，使其性能优于普通陶粒。[0029] 本发明充分利用了煤基固废作为制备陶粒的原料，有效地利用了工业二次废渣，实现了工业固体废渣的资源化利用，减少环境污染。具体实施方式[0030] 为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。[0031] 下述各例中采用以下方法检测陶粒的性能：[0032] (1)堆积密度：采用GB/T17431.1中堆积密度的检测方法；[0033] (2)筒压强度：采用GB/T17431.1中筒压强度的检测方法；[0034] (3)吸水率：采用GB/T17431.1中吸水率的检测方法。[0035] 以下实施例中原料来源信息：[0036] (1)气化细渣的成分组成：干基含碳量为37％，气化细渣的干基中除碳以外，Al2O3+SiO2的总量为70.28％；[0037] (2)煤矸石的成分组成：SiO2与Al2O3的总量96.6％，其中，Al2O3的含量为44.7％；[0038] (3)粉煤灰选自循环硫化床锅炉灰。[0039] 实施例1[0040] (1)将上述气化细渣在100℃下烘干5h，将烘干后的气化渣进行人工破碎，通过100～300目的筛网进行筛分，取筛下的气化细渣备用；[0041] (2)将粉煤灰通过50目的筛网进行筛分，取筛下的粉煤灰备用，煤矸石分别通过200～300目的筛网进行筛分，取筛下的煤矸石备用。[0042] 将步骤(1)经筛分后的气化细渣，以及粉煤灰、煤矸石混合均匀后，在造粒机上造：蟮玫5～10mm的生料球，然后在105℃下烘干4h；[0043] (3)将烘干后的生料球置于匣钵中，随后以3℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以2℃/min升温至1150℃进行煅烧并保温60min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0044] 该实施例中，步骤(2)中各物料按照如下重量分数：气化细渣32％，粉煤灰48％、煤矸石20％。[0045] 实施例2[0046] 此实施例与实施例1的区别在于，各物料按照如下重量分数：气化细渣36％，粉煤灰54％、煤矸石10％。[0047] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，以3℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以2℃/min升温至1175℃进行煅烧并保温60min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0048] 实施例3[0049] 此实施例与实施例1的区别在于，各物料按照如下重量分数：气化细渣40％，粉煤灰55％、煤矸石5％。[0050] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，以3℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以4℃/min升温至1150℃进行煅烧并保温60min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0051] 实施例4[0052] 此实施例与实施例1的区别在于，各物料按照如下重量分数：气化细渣28％，粉煤灰50％、煤矸石20％、炉底渣2％。[0053] 此实施例制备方法与实施例1步骤(2)的区别在于还添加有炉底渣作为辅助物料，具体地将炉底渣通过200～300目的筛网进行筛分，取筛下的炉底渣备用；然后与筛分后的气化细渣，以及粉煤灰、煤矸石混合造粒得到生料球，再进行烘干；[0054] 此实施例制备方法与实施例1步骤(3)的区别在于：以3℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以5℃/min升温至1190℃进行煅烧并保温20min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0055] 实施例5[0056] 实施例与实施例1的区别在于，各物料按照如下重量分数：气化细渣28％，粉煤灰70％、煤矸石2％。[0057] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，以10℃/min升温至900℃进行预热并保温120min；再以2℃/min升温至1150℃进行煅烧并保温40min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0058] 实施例6[0059] 此实施例与实施例4的区别在于，气化粗渣作为辅助物料，且各物料按照如下重量分数：气化细渣45％，粉煤灰35％、煤矸石1％、气化粗渣19％。[0060] 与实施例4制备方法相同的方法制备陶粒。[0061] 对比例1[0062] 此对比例与实施例1的区别在于，各物料按照如下重量分数：气化细渣28％，粉煤灰42％、煤矸石30％。[0063] 对比例2[0064] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，以3℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以2℃/min升温至1100℃进行煅烧并保温20min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0065] 对比例3[0066] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，以2℃/min升温至900℃进行预热并保温60min；再以2℃/min升温至1200℃进行煅烧并保温90min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0067] 对比例4[0068] 该对比例与实施例1的区别在于原料，采用的煤矸石的成分组成：SiO2与Al2O3的总量65.2％，其中，Al2O3的含量为26.8％；[0069] 此对比例与实施例1的制备方法相同。[0070] 对比例5[0071] 该对比例与实施例1的区别在于原料，采用的气化细渣的成分组成：干基含碳量为45％，气化细渣的干基中除碳以外，Al2O3+SiO2的总量为65％；[0072] 此对比例与实施例1的制备方法相同。[0073] 对比例6[0074] 与实施例1制备方法的区别在于步骤(3)，将烘干后的生料球置于匣钵中，随后以3℃/min升温至1150℃进行煅烧并保温120min，然后冷却至室温后经筛分后，得到陶粒。[0075] 将上述得到的陶粒进性能检测，检测结果如下表1所示：[0076] 表1[0077] 堆积密度(kg/m3) 筒压强度(MPa) 吸水率(％)实施例1 776 14.8 17.4实施例2 850 17.7 15.8实施例3 723 11.5 19.8实施例4 879 19.6 10.2实施例5 885 21.3 9.5实施例6 718 11.2 18.3对比例1 686 8.5 26.7对比例2 612 8.8 36.5对比例3 986 17.3 11.6对比例4 995 16.8 12.7对比例5 593 7.8 39.4对比例6 628 7.6 29.0[0078] 从上表中数据可以看出，本发明提供的采用100％的煤基固废制备陶粒，并通过对原料中气化细渣、煤矸石中具体组成的限定以及利用不同煤基固废之间的协同效果，使制3得的陶粒堆积密度能够达到700～900kg/m，兼顾有较高的筒压强度(≥11MPa)和低于20％的吸水率。[0079] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-03-25

专利公开日期：2024-11-01

专利公告号：CN116835961B