CN114477804A - 一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法和高活性胶凝材料原料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法和高活性胶凝材料原料及其应用。将煤矸石与赤泥混均后，进行焙烧处理，即得高活性胶凝材料原料，其具有良好的胶凝活性，可作为掺和料用于水泥生产或用作碱激发材料原料。该高活性胶凝材料原料的制备方法能够消耗大宗固废，原料来源广泛，实现资源化利用，且无需额外添加助剂，可以利用原料本身包含的助剂和燃料，且其制备工艺简单、可操作性强、适用于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高活性胶凝材料原料及其制备方法和应用，具体涉及一种由煤矸石和赤泥协同高温煅烧制备的高活性胶凝材料原料，还涉及其制备方法和作为水泥掺和料或碱激发材料的应用，属于固废资源化利用技术领域。
背景技术
煤矸石是与煤炭伴生的沉积岩类物质，也是煤炭开采和加工过程中排放的主要固体废弃物，约占煤炭产量的10～30％。煤矸石的排放不仅占用大量土地，造成煤矿与耕地的矛盾，同时还会对周围环境造成潜在威胁。近年来，在国家多项政策的推动下，煤矸石综合利用取得长足发展目前，煤矸石综合利用主要包括发电、生产建筑材料、井下/采空区充填、筑路、土地复垦等。然而，整体而言，我国煤矸石综合利用率仍不高。为此，国家***、工业和信息化部等联合发布的《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》中明确提出：要注重煤矸石的整体规划与资源整合，合力推动煤矸石发电、生产建材、复垦绿化等规模化利用。
赤泥是氧化铝生产过程中产生的固体废弃物。据统计，每生产1吨氧化铝产生1～1.6吨赤泥。作为氧化铝生产大国，我国2020年共产生赤泥8000余万吨。然而，赤泥的综合利用率不足10％。赤泥大量堆置不仅占用土地，同时其强碱性和高重金属元素含量对生态环境带来严重威胁。因此，开展赤泥综合利用研究迫在眉睫。
发明内容
针对目前煤矸石及赤泥产量大、资源化利用水平低等技术问题，本发明的第一个目的是在于提供一种利用煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，该方法将煤矸石与赤泥两种廉价的固废原料进行搭配并通过一步高温焙烧，以促进赤泥及煤矸石中Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO等组分的矿相重构，生成具有较高反应活性的矿物相(Alite、Belite、Brownmillerite、Gehlenite、Srebrodolskite等)，满足水泥掺和料或碱激发材料原料的应用要求，同时该方法在焙烧过程中利用煤矸石中残炭和有机质提供热量，减少能量消耗。
本发明的第二个目的是在于提供一种高活性胶凝材料原料，该原料具有良好的胶凝活性，满足作为水泥掺和料或碱激发材料的应用要求。
本发明的第三个目的是在于提供一种高活性胶凝材料原料的应用，将其作为掺和料用于水泥生产或用作碱激发材料原料，得到的胶凝材料具有较好的固结强度。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，该方法是将煤矸石与赤泥混均后，进行焙烧处理，即得。
本发明技术方案的关键是在于基于高温固相反应实现矿相重构原理，对煤矸石和赤泥进行科学配伍，实现两者的全组分协同制备高活性胶凝材料原料的目的。一方面，使煤矸石与赤泥中的主要组分，如Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO在高温下固相固结，生成具有较高胶凝反应活性的硅铝酸盐或玻璃相组分，从而可以用作水泥掺和料或碱激发材料原料。另一方面，充分利用煤矸石中残炭和有机质在焙烧过程中进行高温燃烧/热解释放的热量，从而有效降低外加燃料需求。第三方面，赤泥中的高碱性组分，在焙烧过程中有助于低温固溶体的生成，提高反应速率，同时高碱性组分对胶凝材料原料反应活性有促进作用。
作为一个优选的方案，所述煤矸石选自煤炭生产过程中产生的煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸、剥离矸中至少一种。
作为一个优选的方案，所述煤矸石粒度小于2mm。煤矸石在使用前进行机械破碎预处理，破碎至粒度小于2mm。
作为一个优选的方案，所述赤泥为拜尔法、混联法或烧结法生产氧化铝过程中产生的固体废弃物。
作为一个优选的方案，所述煤矸石与赤泥质量比为1:9～1:1。本发明技术方案充分利用煤矸石中的SiO2与Al2O3含量高，而赤泥中Fe2O3、Al2O3、SiO2与CaO含量高的特点，两者按适当的比例进行协同配伍，在无需额外添加任何化学试剂的条件下，充分利用两种固废本身包含的组分通过高温固相反应生成具有较高反应活性的矿物相，如Alite、Belite、Brownmillerite、Gehlenite、Srebrodolskite等，实现固废高效资源化。煤矸石比例过高会导致原料中CaO不足，影响产品中活性矿物相的生成，赤泥比例过高不仅会导致Fe2O3等的过剩，同时需提高焙烧温度以获得良好的产品，导致焙烧过程能耗升高。
作为一个优选的方案，所述焙烧的条件为：焙烧温度800～1350℃，焙烧时间10～60min。温度低于800℃或焙烧时间过短会导致固相反应不充分，产品活性不足，温度高于1350℃或时间延长会导致部分物相熔融，黏连在焙烧装置内壁，影响设备顺行。更优选的焙烧温度为900～1250℃。
本发明涉及的煤矸石破碎可以采用颚式破碎、反击式破碎、立式冲击式破碎、锤式破碎、辊式破碎、复合式破碎、双级破碎、旋回式破碎、移动式破碎等方式。
本发明涉及的混匀方式包括搅拌混匀、螺旋混匀、机械抓手混匀等。
本发明涉及的粉磨可采用柱磨、球磨、高压辊磨等方式。
本发明还提供了一种高活性胶凝材料原料，其由所述方法得到。
本发明还提供了一种高活性胶凝材料原料的应用，其作为水泥掺和料或碱激发材料应用。
与已有技术比较，本发明技术方案的带来的有益技术效果：
1)本发明技术方案基于冶金相图原理以及化学反应热力学和动力学原理，利用煤矸石中的SiO2与Al2O3含量高、赤泥中Fe2O3、Al2O3、SiO2与CaO含量高的特点，优化物料配伍，以大宗固废煤矸石和赤泥为原料，无需额外添加化学试剂，在较低温度(非熔融)下，充分利用赤泥及煤矸石两种固废中的Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO等组分进行矿相重构，生成具有较高反应活性的矿物相(Alite、Belite、Brownmillerite、Gehlenite、Srebrodolskite等)，制备具有较高反应活性的胶凝材料原料，实现固废高效资源化。
2)本发明技术方案在物料焙烧过程中充分利用煤矸石中残留炭及有机质高温热解/燃烧放热特性，科学调控焙烧工艺，减少能量消耗，具有低碳节能的优势。
3)本发明技术方案无须预先脱除赤泥中的碱性组分，使其在焙烧过程中与Al2O3、SiO2与CaO等组元充分反应，降低物料焙烧所需温度，同时有助于提高胶凝材料原料反应活性，特别是作为碱激发材料原料使用时，有助于降低碱激发剂消耗量。
4)本发明基于煤矸石和赤泥组成特征，开发了煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的工艺，该工艺具有可操作性强、成本低、适合大规模连续生产的特征，
附图说明
图1为煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的工艺流程图。
图2为煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的XRD图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
对比实施例1
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比1:1混合均与，在600℃条件下焙烧15min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为19.8MPa。
对比实施例2
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比2:1混合均与，在1250℃条件下焙烧10min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为28.3MPa。
实施例1
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比1:1混合均与，在1000℃条件下焙烧15min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为51.7MPa。
实施例2
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比1:7混合均与，在800℃条件下焙烧50min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为44.5MPa。
实施例3
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比1:9混合均与，在1350℃条件下焙烧45min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为50.2MPa。
实施例4
将煤矸石破碎后与赤泥按质量比1:4混合均与，在1250℃条件下焙烧10min，自然条件下冷却至室温，之后粉磨至粒度小于45μm，以所制得的粉末为原料与水泥按0.3:0.7的质量比混合均匀，之后按照液固比0.45:1，标准砂/固体混合料3:1的配比制备水泥砂浆，将所得砂浆注入4*4*4cm模具，在养护箱内氧化24h后脱模，之后继续养护至第7天，检测试件抗压强度为54.1MPa。
表1煤矸石、赤泥焙烧工艺条件
表2煤矸石、赤泥焙烧对砂浆抗压强度的影响
Claims (8)
1.一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：将煤矸石与赤泥混均后，进行焙烧处理，即得。
2.根据权利要求1所述的一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：所述煤矸石选自煤炭生产过程中产生的煤巷矸、岩巷矸、自燃矸、洗矸、手选矸、剥离矸中至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：所述煤矸石粒度小于2mm。
4.根据权利要求1所述的一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：所述赤泥为拜尔法、混联法或烧结法生产氧化铝过程中产生的固体废弃物。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：所述煤矸石与赤泥质量比为1:9～1:1。
6.根据权利要求1～4任一项所述的一种煤矸石与赤泥协同制备高活性胶凝材料原料的方法，其特征在于：所述焙烧的条件为：焙烧温度800～1350℃，焙烧时间10～60min。
7.一种高活性胶凝材料原料，其特征在于：由权利要求1～6任一项所述方法得到。
8.权利要求7所述的一种高活性胶凝材料原料的应用，其特征在于：作为水泥掺和料或碱激发材料应用。
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