全煤矸石烧结砖及其生产工艺简介

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前言：

煤矸石是煤矿开采过程中产生的工业废渣，全煤矸石烧结砖是以煤矸石为全部原料，经多个生产工序及干燥、烧结而成的建筑材料。全煤矸石烧结砖生产工艺主要包括原料制备、原料陈化处理、挤出成型、切码运、干燥与焙烧、成品检验及堆放等环节。

一、煤矸石简介

煤矸石是煤矿开采过程中产生的废渣，由有机物（含碳物）及无机物（岩石物质）组成，其中的C、H、O 是燃烧时能产生热量的元素。煤矸石的矿物组成主要有高岭土、石英、蒙脱石、长石、伊利石、石灰石、硫化铁、氧化铝。
国内几种煤矸石的主要化学成分

化学成分是评价煤矸石的性质和决定其工业用途的主要指标。煤矸石是无机物和有机物组成的混合物，无机质中主要有矿物质和水，构成矿物质成分的元素达几十种之多，一般主要含有硅铝成分，其中SiO2和AI2O3的平均含量分别波动于40%~60%和15%~30%之间。
煤矸石的特点主要是硬度大、比重大、灰分高、塑性一般（中下等塑性）、发热量或高或低，从煤矸石的化学成分，工业分析资料得出：
1）煤矸石的灰分一般较高；
2）发热量或高或低；
3）灰分中SiO2和AI2O3含量偏高，因此煤矸石的灰熔点相当高，最低可达到1050℃，最高可达到1800℃左右，鉴于这个性质，煤矸石可以用于生产耐火材料。
4）具有较好的工艺性能。煤矸石具有一定的可塑性、结合性、收缩率低和耐火度高的特点。其可塑性指数为10左右，属于中等塑性粘土，干燥收缩率1.94%，烧成之后收缩率2.41%，耐火度一般1300℃～1500℃,最高可达1800℃。
5）空气中容易风化。其风化程度和速率与煤矸石的类别和当地自然条件有关。

二、煤矸石原料的化学成分对制砖的影响

1）SiO2含量大于70%时，原料的塑性降低。影响产品的抗压强度和抗折强度，含量低于50%会降低产品的抗冻性能；
2）AI2O3含量低于10%时，会造成产品性能降低，含量高于20%时，虽然产品强度增高，但烧结温度较高，能耗增加。
3）Fe2O3能降低烧结温度，但是产品颜色变红，外观质量较好。
4）CaO含量过高将缩小烧结范围，烧成操作困难，而且产品容易变形，若CaO破碎颗粒较大时，又容易产生产品石灰爆裂，影响强度和外观质量。
5）MgO以含量少为佳，它会使得产品起白霜，影响外观质量，严重泛霜将造成产品不合格。
6）SO3含量过高时，在焙烧过程中产生大量的SO2气体，造成二次污染，同时会严重腐蚀焙烧设备。

三、煤矸石物理性能指标对制砖的影响

生产全煤矸石烧结砖其煤矸石原料的物理性能指标主要包括颗粒组成、可塑性、收缩率、干燥敏感性这四大部分。从颗粒组成方面来讲，合理颗粒级配一般是骨架颗粒（1.2~2mm）≤30%，填充颗粒（0.05~1.2mm）20%~65%，塑性颗粒（≤0.05mm）35%~50%。而塑性颗粒中小于0.02mm的颗粒对砖质量起着至关重要的作用。从塑性方面来讲，原料的塑性指数小于7时，就很难成型；大于15时则意味着坯体的收缩率、干燥敏感系数偏大，影响产品的质量和生产效率。一般认为塑性指数介于7~15之间是比较合适的。塑性指数的高低主要由原料中粒径小于0.02mm部分的颗粒比例来决定的。从收缩率方面来讲，烧成收缩率主要取决于原材料中二氧化硅的含量，若含量超过70%时，对砖制品会产生不利影响，会出现膨胀力过大，引起转制品开裂，降低其力学性能，特别是抗折强度。当砖制品在进入高温阶段焙烧时，会发生爆炸现象，严重影响制品质量。因此，原料中的二氧化硅含量不宜超过70%。另外，坯体在干燥过程中出现开裂的倾向称为原料的干燥敏感性，，其高低与原料的矿物组成、颗粒组成等因素有关。一般情况下，可塑性越高、颗粒越细则原料干燥敏感性越高。另外，原料经堆积陈化后干燥敏感性会降低。如未经陈化时某原料干燥敏感性，为0.86，陈化1天后为0.78，陈化5天后为0.73。从以上分析可以看出，要保证良好的成型性能，颗粒级配、原料均化、陈化塑性改善是改善原料物理性能的主要措施。煤矸石能否用于生产烧结砖，除了上述物理化学性质，还有一个关键的因素，就是煤矸石的发热量。煤矸石用于生产烧结砖，其发热量控制在1672～2090kJ/kg为最佳，即约400～500大卡/公斤，如果煤矸石的发热量控制在这个范围，那么在不用外投煤的情况下，靠煤矸石自身的发热量就能把砖烧好，也就是我们所说的全内燃煤矸石烧结砖，达到节约能源的目的，并且在建厂相同规模下消耗的煤矸石最多，原料处理工艺也最为简单。当发热量大于2090kJ/kg时，需要在煤矸石中掺配一些无热值或低热值的原料进行调节煤矸石的热值，如低热值的煤矸石、页岩、粉煤灰、粘土等，这就需要增加原料的第二来源，增加项目建设及后期生产运行的成本，在相同规模下年消耗的煤矸石也会减少，生产线设计中还需要考虑配料工艺和超热焙烧窑炉余热系统，将多余热量回收用于厂区车间、办公楼及住宅楼的采暖。当发热量低于1672kJ/kg时，由于煤矸石自身发热量不足，需要外加部分燃煤才能完成正常焙烧，这就会增加了生产中的燃煤成本，同时，在配料中也要考虑配料工艺。 在上述煤矸石发热量大于2090kJ/kg和小于1672kJ/kg时，由于外掺调节热值的原料，在生产线设计时就需要考虑监测监控系统，及时调整配料，减少热值波动，保证生产的稳定、连续性运行。最后，还需要注意煤矸石中的有害成分对生产的影响，如煤矸石中是否掺杂有石灰石、黄铁矿等成分，若有则需要对有害成分进行处理。另外，若煤矸石含硫、镁等成分，今后生产出的产品中就会有硫酸镁生成，烧成的煤矸石砖在使用过程中遇到水会产生溶解，产生变色等问题。

四、全煤矸石烧结砖的定义

全煤矸石烧结砖是以煤矸石为全部生产原料经干燥、烧结而成的建筑材料。

五、全煤矸石烧结砖的生产工艺  

全煤矸石烧结砖生产工艺主要包括原料制备、原料陈化处理、挤出机成型、切码运、干燥与焙烧、成品检验及堆放等环节。   
1）原料制备       
原料制备采用破碎、筛分、粉磨及加水搅拌的处理工艺。    来自煤矸石堆棚的大块煤矸石首先要进行颚式破碎机粗碎，而后要进入下道工序进行细碎（细碎设备通常采用锤式或反击式破碎机），细破碎后的煤矸石通过皮带输送机送入滚筒筛进行筛分，筛上料送至滚球磨系统进行粉磨，粉磨后的合格料（粒度≤0.02mm）和同筛下料一起通过皮带输送机送到强制双轴搅拌机中进行加水搅拌。     实践证明，在原料制备过程中，对滚筒筛筛上料进一步粉磨处理后，不仅优化了原料颗粒级配，还增加了原料的塑性，提高了产品的质量。   
2）原料陈化处理
陈化对原料物理性能的改善主要体现在以下方面：  陈化有利于煤矸石中的黏土颗粒物充分水化和离子交换，使得一些硅酸盐物长期与水接触发生水解转变成粘结物质，并通过水的“劈裂”作用提高粒径小于0.02mm颗粒的比例，从而达到提高塑性、改善成品品质的目的。在陈化过程中，原料中的水在毛细管和蒸汽压的作用，水分在原料中分布更加均匀，有利于坯体成型，减轻或消除因原料水分不均匀产生的坯体翘曲裂纹，降低坯体的干燥敏感性。原料陈化后，增加了腐殖酸类物质的含量，使原料的润滑性和结合力及离子间的吸附力有所提高，从而改善了成型性能。原料在陈化过程中发生了一些氧化还原反应，并可能导致微生物的繁殖，是泥料松散而均匀。搅拌好的原料由皮带输送机送入陈化库进行陈化处理，经3～4天陈化后的原料由液压多斗取料机装运到胶带输送机上，运到成型车间的箱式给料机进行定量分配，向高真空搅拌挤出机给料。经陈化后的原料，其颗粒容易疏解，水分均匀，原料颗粒表面和内部性能更加均匀一致，塑性指数得到进一步提高（塑性指数的高低主要由原料中粒径小于0.02mm部分的颗粒比例来决定的），为成型挤出提供可靠的保障。   
3）挤出机成型
经陈化后的原料通过箱式给料机送入到搅拌挤出机，在强力双轴搅拌机内进行二次加水、搅拌、挤出，使原料水份控制在12%～14%，物料性能满足全硬塑挤出成型需要。挤出成型采用国内先进的、适合全煤矸石制砖的、高挤出压力、高真空度的JKY90y-4.0型双级真空全硬塑挤出机，许用挤出压力可以达到4.0MPa，真空度达到-0.092 MPa。   
4）切、码、运 挤出的泥条经自动切条机、自动切坯机切割成需要规格的砖坯，再经翻坯机组翻转、编组，输送到自动码坯机处，通过机械手将砖坯码放到窑车上。 整个切、翻、码坯系统全部采用程控机控制，机械化、自动化程度高，性能先进可靠，生产能力大，达到国际同行业的先进水平，领先国内同行业。该系统可切、码多种规格尺寸的坯体，可在窑车上码多种型式的码坯方式。生产过程中的废坯头由回坯皮带机送回搅拌挤出机再次使用。  
5）干燥与焙烧
该生产工艺采用一次码烧工艺，挤压成型的砖坯在干燥室进行干燥，干燥需要的热量来源于隧道窑余热，通过调节送风温度及风量大小，确保砖坯干燥质量。干燥好的砖坯经窑车送到隧道窑中进行煅烧后即为成品。
A.工艺流程
码好砖坯的窑车由重车牵引机引至干燥室进口端，用干燥室液压顶车机顶入干燥室干燥，干燥好的砖坯用出口牵引机从干燥室的出口端引入摆渡车上。经摆渡车摆至焙烧窑进口端后，再用焙烧窑液压顶车机顶入焙烧窑焙烧，烧好后的成品砖从焙烧窑出口端由牵引机牵出进入卸车端摆渡车。干燥窑热源来自焙烧窑余热，通过调节系统通风温度及风量大小，确保砖坯干燥质量。焙烧窑焙烧采用内燃烧砖工艺，热源来自砖坯煤矸石含有的内燃料。  
B.干燥工艺
砖坯干燥主要是脱去坯体的自由水，即吸附于煤矸石坯体表面的水分。烧结砖生产工艺过程中，干燥环节处于成型工段与烧成工段之间，在诸多生产工序过程中，干燥工序往往不被人们所重视，认为它只不过是坯体进入焙烧窑前一个简单的工艺过程而已。然而，坯体的干燥质量好坏直接影响着成品砖的质量和产量。 隧道干燥室的作用是将成型后含水率较高的坯体，在干燥室内热风的作用下，使之干燥至残余含水率小于6%，以便进入焙烧窑进行焙烧。如果干燥后坯体的含水率达不到生产要求，在焙烧工序遇到高温产生裂纹，甚至会造成砖坯爆裂而造成倒垛事故。
砖坯的干燥过程从干燥室头部入窑到尾部出窑，通常分为四个阶段，即预热、等速干燥、降速干燥和平衡干燥四个阶段。各个阶段担负着不同的任务，但又是一个连续的动态过程。

①预热阶段

湿坯刚进入干燥室，首先是缓慢升温，使坯体表皮水分汽化，变成蒸汽由干燥热风带走。而后砖坯内部的水分向表皮移动，汽化排出。此时，排出的是砖坯颗粒之间的自由水分。由于自由水的排出，相邻颗粒迅速靠拢占据自由空间，坯体产生收缩，由于干燥总是由坯体外层向内层逐步进行，外层收缩得快，内层收缩得慢，由于内外收缩不一致，造成内应力，当这种内应力大于泥料的弹性系数时，就会产生干燥裂纹。因此在预热阶段升温不能过快，此阶段的主要任务是升温，而不是脱水，升温是为下一步等速干燥做准备。等砖坯内外温度达到一定阶段时，砖坯恰好抵达等速干燥阶段的部位。

砖坯在预热阶段主要是加热坯体，只有少部分的自由水分排出，大部分的自有水分是在等速干燥阶段排出的。高湿的热坯通过预热带继续吸收干燥热风的热量，砖坯表面的脱水速度与砖坯内部水分移向表面的速度趋向一致，使砖坯内外同步脱水，同步收缩，因此不会产生裂纹。砖坯在此阶段，只脱水不再升温。在这个阶段要合理调整送热和排潮闸阀，及时补充因蒸发水分而消耗的热量，以保证窑内气流的平稳和通畅，保证合理的湿度。

③降速干燥阶段

等速干燥阶段结束时，坯体自由水已经基本排完，干燥收缩也基本结束，这时包裹在颗粒表面的吸附水开始蒸发，由于吸附水的蒸发要挣脱颗粒表面对其很大的吸附力，才能到达坯体表面蒸发出去。因而比自由水蒸发要困难得多，在同一条件下，干燥速度大为减慢，干燥收缩此时也基本停止。这个阶段可以适当提高热风温度，降低窑内相对湿度，加速坯体干燥。

④平衡干燥阶段当砖坯继续干燥致使坯体中的残余水分和窑内干燥空气的水分达到平衡时，砖坯中的水分不再蒸发，干燥过程到此结束，此阶段也称之为冷却阶段。
C.焙烧工艺
砖坯的焙烧是在隧道窑中完成的，焙烧是整个制砖生产过程中关键的一个环节。 隧道窑是烧结砖瓦工业最主要的一种连续式烧成设备，近几年来，采用高效节能的隧道窑成为砖瓦工业节能的主要措施之一。 隧道窑，顾名思义，是形状类似于隧道的窑，砖瓦坯体在窑车上依次通过隧道，同时在适宜的热工制度下加热、焙烧、冷却，最终获得性能稳定的砖瓦制品。根据原料性能，从工艺上一般把烧结砖瓦的隧道窑分为两类，一类是一次码烧隧道窑，另一类是二次码烧隧道窑。 所谓一次码烧隧道窑，就是将湿砖坯一次码到隧道窑的窑车上，窑车依次经过隧道窑干燥室和焙烧窑，完成砖坯的干燥、烧成两个环节，中间不需要二次码运。一次码烧隧道窑的布置方式通常有两种，一种是隧道窑和干燥室结构完成分开，二者可以“一”字布置，也可以平行布置，窑车凭借运转系统连续进出干燥室和隧道窑；另一种是干燥室和烧成共用一条隧道，二者结构是一体的，窑上设计干燥和烧成两套工作系统，在适当的部位用气流或门将干燥和烧成分开。隧道窑像一条长的隧道，两侧和上面有固定的墙壁和窑顶，窑内铺设轨道。隧道窑的长度、宽度和高度多种多样，其数值大小要根据所烧成制品原料的性能确定。隧道窑的长度主要取决于砖坯的烧成制度、产量及产品规格形状等因素，而烧成制度主要取决于干坯体在烧成过程中的物料变化、化学变化、物理化学变化及矿化学变化等，如用高热值煤矸石做原料生产全煤矸石砖时，由于其中含有太多的热量，往往在短时间内不能达到完全燃烧，致使砖坯内部烧不透，因而通常会适当的延长烧成带，使矸石有足够的时间燃烧。所以，煤矸石砖的隧道窑一般比较长。隧道窑的宽度与窑的产量有很大的关系，产量随着窑宽度的增加而提高，按照宽度的不同，烧结砖的隧道一般分为小断面、中断面、大断面、超大断面四类，小断面隧道窑一般指内宽为3～3.6米的烧砖隧道窑，中断面指内宽为3.6～4.6米的烧砖隧道窑，大断面指内宽为4.6～6.9米的隧道窑，超大断面指内宽6.9～10米的烧砖隧道窑。窑确定隧道窑的宽度，应根据产量、燃料种类、生产方式等诸多因素考虑。根据《墙体材料行业结构调整指导目录》（2016年本）的规定，鼓励建设窑断面宽度为4.6米以上的隧道窑（单线年生产规模大于6000万块标砖生产线）。  
隧道窑的内高主要取决于砖坯在烧成过程中的特性，近几年，高度为1.2～1.4米，宽度为4.6米、6.9米的隧道窑在砖瓦工业得到广泛应用，取得了较好的效果。一般情况下，要求隧道窑的高宽比不能大于0.5，而且高宽比越小越好。   
成品检验与堆放焙烧后的产品由窑车运转系统送至卸车位，由卸砖机将成品从窑车上卸下，经检验按制品外观质量分等码放到成品堆场。空窑车经清扫、保养后通过回车线送至码坯位置，进入下一个循环。   
烟气除尘及脱硫处理对生产中隧道窑产生的烟气采用烟、热分离新技术，有效的进行热能的二次利用。生产过程中产生的余热可用于厂区采暖、产生蒸汽、余热发电等。
煤矸石烧结砖的产品纲领煤矸石烧结砖的产品纲领

六、全煤矸石砖的优势

1）资源节约利用
利用全煤矸石生产烧结砖，跟传统的黏土砖相比，节约土地，全煤矸石内燃烧结砖不用煤，节约能源，同时减少煤矸石堆存占用的土地，减少对环境的污染，有着良好的社会和经济效益。
2）减轻墙体结构自重
用实心砖砌筑的建筑，墙体重量约占建筑物的一半以上，而用煤矸石烧结多孔砖，砖的自身重量减轻了很多，墙体基础载荷减小，建筑造价降低。
3）节约砂浆用量
由于煤矸石烧结多孔砖体积大，水平灰缝少，按内墙承重，外墙用实心砖基底来说，可以减少相当大的泥浆用量。
4）节约保温材料
煤矸石烧结砖有着良好的保温性能，可以节约保温费用。

七、结语

利用全煤矸石生产烧结砖是目前对煤矸石进行综合利用的主要途径之一，得到国家固废利用政策的支持，享受国家税收的优惠政策，特别是全煤矸石制烧结砖，产品越来越得到广泛的应用，是煤矸石综合利用的一个发展趋势。