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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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
1、煤矸石概述


煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合的沉积岩，通常呈薄层存在于煤层中或煤层顶板、煤层底板；他出现在掘进、开采和洗煤过程中，有一定的含碳量及热值的固体废弃物，是煤矿的尾矿；如果裸露堆放于地面，它会形成粉尘污染、持续向外排放SO2、CO、H2S等有毒有害气体，污染空气，雨淋后其中溶于水的有害物质会渗透到地下对土壤和地下水造成污染，属于被环保治理的物质范围。


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的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米以上则不适合制砖。究其原因是因为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质量。矿井中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，力求选中的煤矸石具有代表性（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等进行分析检测：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。这些性能分析的目的是确定该煤矸石是否能做纯煤矸石砖，还是需要掺加黏土制砖及其掺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，确定生产线上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；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附协助设备设施的选型，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 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S02Ai2O比值和 A120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 Si02)：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 →砖坯打包→(装车)发运出厂  。  
4、实例论证








    4.1  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 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，刑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 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 SiO2、Al203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：A14[(Si4010) ](OH)8→2A1203·Si02+2 Si02+4H2O：莫来石是种硬度高、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，棵露堆放在外禁不起风吹雨打而粉掉的原因，即未到达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。伊利石在高温的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：A14[(Si4010) ](OH)8其中A1203=39.5%、Si02=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-0离子键作用大于层与层之间的分子间作用力，而出现易解离和破碎，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，属于石英石和方解石类的矿物。所以生产过程中煤矸石里含有大量的粘土矿物时，在破碎阶段易被粉碎，单位时间内产量高，缩短了与颚板、锤头等破碎零件的摩擦时间，节省颚板、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的多。由于黏土矿物质主要代表：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。在原料筛分后颗粒分布一定的情况下，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，这些颗粒在受到搅拌和基础外力作用时呈线性排列向前推进：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砂岩煤矸石和石灰岩煤矸石是矿物，主要成 分分别是Si02、CaCO3 。(1)在自然界的存在形式：Si0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 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。不适宜作为单独制烧结砖的原料。
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