1 前言
大同矿区拥有丰富的煤系高岭岩，大同煤矿集团公司积极与苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司合作，共同开发建设设计能力为5万t/a超细煅烧高岭土项目，项目于2008年4月开工建设，2009年6月建成，投资2.3亿元。建设项目采用国内最先进的设备设施与生产工艺生产6250目和4000目超细高岭土煅烧粉，产品具有白度高、晶形好、容重小、孔隙率大、光散射率高、遮盖力好等优点，广泛应用于陶瓷、造纸、橡胶、涂料、塑料、油漆、电缆、石化、医药等领域及行业，市场前景广阔，是工业园区内技术起点高、经济效益好的工业生产链之一。
原材料资源概况
2.1 原材料
高岭(岩)土是高岭石亚族粘土矿物达到可利用含量的黏土或黏土岩，其中以高岭石矿物为主要成分的软质黏土称高岭土，硬质岩石称高岭岩(或硬质耐火黏土)。大同煤矿集团公司塔山工业园区内石炭-二叠纪高岭岩储量2.59亿t，品质极为优良，属国内优质的煤系高岭土资源。矿层呈层状，属古代沉积亚型矿床，与煤层紧密共生，夹层厚度最小0.14m，最厚3.27m，平均0.34m。目前，塔山煤矿开采的3#-5#煤层中夹矸高岭岩含量达21.2%,可回收密度级大于2.4×103kg/m3优质高岭岩32万t/a，年产5万t高岭土粉体只需要7.5万t的粗矿石。因此，煅烧高岭土建设项目原料矿石资源丰富。
原矿质量指标
大同塔山煤系高岭岩呈黑灰色、褐灰色，放入水中不吸水、不膨胀，致密块状，节理不发育，有时具有条带或条纹状结构，参差状断口。岩石类型主要有粗晶结构、细晶结构、微晶结构和碎屑结构等。经X光衍射和差热分析等实验表明，高岭岩为典型的1:1型层状硅酸盐结构，其结晶呈六方片状，轮廓清晰、质地纯净，Al2O3含量高，有害成分低，属优质高岭岩，俗称“大同黑砂石”。其化学组成见表1。
表1 大同矿区煤系高岭岩主要化学成分表
|
成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO2 |
CaO |
MgO |
烧失量 |
|
含量(%) |
43.09 |
38.72 |
0.26 |
0.41 |
0.08 |
0.02 |
17.42 |
注：烧失成分主要为高岭岩矿中结晶水、固定碳和有机质。
3 超细煅烧高岭土工艺技术
新建的5万t/a煅烧高岭土项目属国内大型煅烧高岭土产业化项目，产品为6250目高岭土2.5万t/a，4000目高岭土2.5万t/a。本项目在整个设计过程中，按照相关规定要求，对煅烧工艺和设备选型采用节能新工艺、新技术和新设备，在生产的每一工段和环节，都采取了相应的节能技术措施，使设计的各项技术达到国内外同行业的先进水平。
3.1 煅烧工艺原理
精选后高岭岩经破碎、磨剥后成为高岭岩粉末进入回转煅烧窑。在煅烧过程中，温度升至450-700℃，岩体粉末脱除结晶水生成偏高岭土，即由水合硅酸铝变成由三氧化铝和二氧化硅组成的物质；继续升温则发生脱碳反应，有害的碳质及有机物不断挥发，在温度达到925-980℃时，高岭岩开始发生相变反应，形成硅铝尖晶石；煅烧温度达到1000-1100℃时，硅铝尖晶石向莫来石相转化，形成最终的煅烧高岭土产品，产品分子式一般为2AL2O3·Si02。
煅烧高岭土产品的白度和散射系数，随煅烧窑入料目数的提高而提高。超细研磨过程中，可使飞禽走兽老虎机的碳质游离出来，特别是经湿法研磨更有助于碳质的溢出，在煅烧过程中使碳质更易挥发，有利于白度的提高；原料粒度细，则比表面积大，煅烧窑中温度分布和粒子表面受热更加均匀，使脱羟、脱碳均匀彻底，促进物相转变，有利于粒子表面形成均匀的孔隙结构。因此，降低入窑物料细度能更加均匀制出高白度、高孔隙结构的膨松优质产品。
3.2 工艺流程
针对集团公司高岭岩实际特性及项目建设条件，借鉴国内外相关技术经验，选用干、湿结合，先磨后烧的生产工艺，获得的产品比先烧后磨具有较高的白度指标和白度稳定性，产品档次高，质量有保障。
工艺流程见图1所示。
煤炭洗选
产生↓
高岭岩
精选↓→→→→尾矿→→ 用于矸石砖厂制砖
粗碎
↓
细碎
↓
磨粉
↓
制浆
↓
磨剥
↓
干燥←←←←←
↓ ↑
打散 ↑
↓ ↑
煅烧→→余热→
↓
→→→打散→→4000目产品包装
↑ ↓
←←←分级
↓
6250目产品包装
图1 超细煅烧高岭土工艺流程图
3.3 工艺流程说明
精选阶段。高岭岩深加工所需原料主要来自塔山选煤厂高岭岩分选车间，车间内设置有一台动筛跳汰机和一条手选带，选后运往高岭岩仓。高岭岩粗矿石从高岭岩仓进行精选车间，大于350mm的块矿先由人工锤碎，小于350mm矿石晾干后由皮带运输机通过X光电分选机进行精矿筛选，控制原矿中高岭土含量＞92%，Fe2O3含量＜0.4%。分选后尾矿进入园区内煤矸石烧结砖厂做制砖原料。
细磨阶段。采用干、湿磨结合。精选矿石经振动给料机先进入粗碎颚式破碎机，再经带式运输机进入细碎颚式破碎机，破碎后的矿石经电振给料机进入雷蒙磨磨粉，得到325-600目干粉；粉料经螺旋输送机送入配料秤系统，加入水及分散剂，稳重测量后经螺旋输送机送入制浆池搅拌打浆，制成40-50%浓度的料浆；浆料经柱塞泵泵至湿磨车间，通过五段超细磨剥至粉料为4000-6000目，矿浆细度≤2μm可达到95%。
干燥阶段。磨剥后的浆料在压力式喷雾干燥塔中采用高压泵通过喷嘴进行雾化，雾滴与进入干燥塔内的热风充分接触，在极短时间内进行快速传热传质成为干燥粉粒，干燥后水分控制在1%左右。
煅烧阶段。煅烧前，将干燥粉料二次先打散，避免因物料团聚在煅烧时产生烧结，保证粉料可以充分煅烧，提高产品白度。打散后粉料进入直焰回转煅烧窑，并加入总重量1-3%的助白剂，煅烧温度控制在1000-1100℃，煅烧燃料使用发生炉产生的煤气，煅烧后熟料通过冷却系统强制冷却到70℃。煅烧粉料经二次后打散，让熟料充分解聚，达到4000目产品粒度要求，另一部分解聚粉料通过分级机分离出325目筛余后的6250目产品。
余热利用。煅烧窑出来的烟气温度一般在600-800℃，烟气可利用热能为3×1010kcal/a，而喷雾干燥消耗约为6×1010kcal/a，烟气热量全部用于干燥系统。
3.4 主要工艺设备选型
工艺设备选型直接关系到工艺流程的畅通，生产过程的顺利进行。煅烧超细高岭土建设项目优先选用生产适应性强，技术先进、可靠、成熟，节能高效，生产成本合理的设备。具体选型如下。
粗碎设备：PE400×600颚式破碎机1台，入料粒度＜350mm，排料粒度≤100mm，生产能力25t/h，排料口调整为63mm，设备负荷率70%。
细碎设备：PE250×1200颚式破碎机一台，入料粒度＜120mm，排料粒度≤25mm，生产能力30t/h，排料口调整为15mm，设备负荷率60%。
磨粉设备：5R4119型雷蒙机10台，入料粒度＜20mm，成品粒度0.044 mm-0.125 mm，单机处理能力2t/h，设备负荷率85%。
湿式磨剥设备：每条生产线为2台SDM-10型大型搅拌磨和3台MBP500型自动剥片机串联使用，总计7条生产线，单条生产线生产能力为1.5t/h，设备负荷率85%。湿式搅拌磨最大入料粒度1mm，成品粒度2-45μm；研磨剥片机最大入料粒度0.1mm，成品粒度≤2-20μm；每条生产线经5段串联磨剥后矿浆细度≤2μm可达到95%。
干燥设备：PD7000型压力式喷雾干燥机2套，每套生产干粉5t/h。蒸发水分4-7t/h，矿浆固含量42±2%。
打散设备：每条生产线由2台WXM-110解聚打散机串联而成，前打散需6条生产线，后打散需7条生产线，单条生产线生产能力为1.5t/h，设备负荷率85%。
煅烧设备：NR3348型内热式回转窑2个，窑型φ3.3m×48m，单窑生产能力2.5万t /a，热功率8800kw/h，煅烧温度1000-1100℃，最高排烟温度800℃，烧失量20%,物料假比重200kg/m3。
分级设备：φ620型涡轮式空气分级机4套，单台生产能力1.2万t/a。主要用于分离6250目产品中的325目颗粒。
包装设备： DGJ-FK型20kg自动定量包装机4台。
3.5 产品性能
3.5.1 产品指标
产品主要化学指标见表2所示。
表2 产品主要化学指标
|
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 |
产品主要物理指标见表3所示。
表3 产品主要物理指标
|
项 目 |
6250目(造纸级） |
4000目(涂料级) |
|
白度（F457）% |
≥93.5 |
≥93.5 |
|
粒度（-2μm，%） |
88±2 |
80±2 |
|
325目筛余物（%） |
≤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 性能特点
高岭土是由多种矿物组成的含水铝硅酸盐，它是一种非常重要、用途十分广泛的非金属矿物。大同矿区煤系高岭岩煅烧生产的超细高岭土具有以下性能：纯正稳定的高白度；粒度超细且范围控制适宜；孔隙率高、遮盖力强、分散容易；筛余物低；悬浮性好，不易沉淀，附着力强；与其它颜料及胶粘剂有良好的相适应性能；化学稳定性和绝缘性好，应用领域广泛。
新建项目生产的4000目和6250目高岭土是造纸工业最好的颜料之一，它的片状结构、优质的亲水性和良好的遮盖率，使之成为造纸工业的首选优质颜料。4000目产品主要应用于纸张的底涂，6250目用于纸张的面涂。在造纸涂料中添加该产品加工涂布纸及纸板，可提高白度、平滑度和不透明度，改善油墨吸收性，保持优良的印刷光泽度；在印刷中，可以使油墨固着快，减少油墨用量，加快印刷速度；另外，其松厚度好、有弹性、更适于凹版印刷，在凹版印刷中可以代替钛白粉，降低生产成本。
4 工艺技术特点
高岭土是四大非金属矿之一，我国煤系高岭土储量极其丰富，但制备白度高于90%、粒度小于2μm占90%以上高档煅烧高岭土的技术难度大。煅烧纯化的技术要求物料的粒度细微；煅烧温度高而料层温差要小；煅烧时间较长；生产规模要大。因而，我国目前高档煅烧高岭土供不应求。
针对大同矿区煤系高岭土的特点，集团公司应用内热式回转窑煅烧高岭土，煅烧粉料由回转窑高端尾部送入，借助于桶体的斜度和旋转，窑内物料一面沿轴向翻滚，面沿轴向移动，随着物料的前移逐步进入预热、煅烧各段；热气体与物料相反运动，在热气体的直接作用下形成良好的流化状态和均一的温度场，气固间热、质传递迅速，物料温度均匀，煅烧纯化过程进行得迅速而完全；回转窑长48m，保证煅烧完全，生产效率高，产品质量好，达到我国现行的高岭土国家标准GB/T 14563-93质量要求。这种煅烧技术能耗低、产量高, 调控容易，工艺技术先进成熟，代表着超细高岭土煅烧技术的发展方向，适合于大规模工业化生产。
5 结论：
⑴环保效益好。煤系高岭岩5万t/a煅烧高岭土建设项目利用煤炭洗选过程中产生的固体废物—煤系高岭岩，经过深加工制备高附加值煅烧产品，是塔山循环经济园区内重要非煤产业之一，对园区矿产资源综合利用和环境保护起着重要作用。
⑵生产工艺先进可靠。内热式回转窑是目前国内外先进的窑炉，生产能力大，产品质量好；采用自动控制系统控制设备运行，易于操作管理；生产中可根据市场需求，灵活调整工艺参数，生产多系列、多品种产品；生产工艺清洁，燃料使用煤气，不污染产品，对环境空气污染轻，无固体废物产生。
⑶节能水平高。重点耗能设备选用综合能耗低的内热回转窑，煅烧窑烟气余热全部回用于干燥塔，余热利用可节省能耗500万元/a，节能效益明显。
⑷经济效益明显。塔山煤系高岭岩资源可靠，原料质量好，在国内外市场需求量较大，产品附加值高，具有较强的抗风险能力，年平均利润2400万元，具有较好的经济效益。
参考文献：
1、张长森等著《煤矸石资源化综合利用新技术》北京：化学工业出版社，200811 P149-156
2、任瑞晨、徐志强主编《煤炭资源综合开发与利用》徐州：中国矿业大学出版社，2008.6 P343-440
3、袁树来等编《中国煤系高岭岩（土）及加工利用》北京：中国建筑工业出版社，2001
4、郑水林主编《超细粉碎工艺设计与设备手册》北京：中国建材工业出版社，2002
作者简介：王玉明，男，山西大同人，生于1967年，1991年毕业于中国矿业大学环境工程专业，在大同煤矿集团公司环保处长期从事工程技术性工作，高级工程师。通讯地址：飞禽走兽老虎机：大同煤矿集团公司环保处 邮编：037003
电话：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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