玻璃纖維用煤系高嶺土加工工藝探索

1、第32卷增刊 非金屬礦V ol.32 Supplement 2009年7月Non-Metallic Mines July, 2009葉蠟石是我國E玻璃纖維生產的主要原料,占到玻璃配合料的60%以上,葉蠟石礦具有單一礦體儲量小,質量不穩(wěn)定的特點。近年來,隨著玻璃纖維行業(yè)對葉蠟石需求量的日益增長,其不穩(wěn)定性對玻璃纖維的質量造成了影響,因此國內玻璃纖維生產廠家均在尋找一種非金屬礦替代葉蠟石作為玻璃纖維生產的主要原料。我國煤系高嶺土儲量巨大,且單一礦體質量穩(wěn)定,SiO2和Al2O3含量均達到了玻璃纖維原料的要求,通過煅燒降低其COD值,可作為一種質量穩(wěn)定的原料用于E玻璃纖維生產。1 現有煤系高嶺土煅燒

2、工藝對比目前高嶺土的煅燒工藝有立式窯、倒焰窯、回轉窯、隧道窯、移動床、流化床等多種煅燒形式。各種工藝的特點和存在的問題表述如下:立式窯特點:對原料、燃料的適應性強;避免了煅燒過程中產生大量粉塵;設備投資少,便于檢修。存在問題:由于需對成型物料進行二次粉碎加工,能耗高;物料呈塊狀煅燒,傳熱由表面向內部進行,反應阻力大,易出現生熟不均現象;所需煅燒時間較長,一般為十幾個小時或更長。倒焰窯、回轉窯、隧道窯特點:物料呈堆積態(tài);換熱效率一般,能耗較高;所需煅燒時間較長。存在問題:粉料呈堆積狀態(tài),聚?，F象較嚴重,脫碳困難;換熱效率低,能耗較高;占地面積大、投資大,產品成本難以降低。移動床、流化床特點:物料

3、處于流化狀態(tài),換熱快,熱效率高;勞動強度低,自動化程度高;不易產生二次污染。移動床存在問題:操作困難,產品質量不穩(wěn)定。流化床存在問題:物料停留時間分布寬,產品質量不穩(wěn)定;不適應大型化連續(xù)生產。與其它用途的煅燒高嶺土產品相比,玻璃纖維用煤系高嶺土產品雖然對白度沒有要求,但對產品化學組分和不熔物含量有嚴格要求,同時要求產品質量穩(wěn)定,加工成本不宜過高,因此玻璃纖維用煤系高嶺土煅燒工藝必須具有以下幾個特點:能耗低,煙塵、噪音小,滿足節(jié)能環(huán)保的要求;產品各項性能均滿足使用要求,且質量穩(wěn)定;適合大型化連續(xù)生產,操作方便,勞動強度低;煅燒溫度不能過高,產品不能莫來石化;投資小,生產成本低。2 影響煅燒高嶺土

4、質量的因素玻璃纖維用煤系高嶺土主要對產品COD值、SiO2和Al2O3含量、不熔物含量、堿金屬含量等指標要求嚴格,產品指標要求見表1。表1 玻璃纖維用煤系高嶺土產品指標要求(%SiO2Al2O3Fe2O3TiO2K2O+Na2O水分粒度難熔物COD值/10-672200.61.20.60.5325目0.2800玻璃纖維用煤系高嶺土的加工主要是將煤矸石經過破碎磨粉,以煅燒的方式脫除碳以及有機質,降低產品COD值。影響產品質量的因素分析如下。2.1 溫度 不同的溫度條件下,煅燒所得產物不同,其結構和性能也不同。煅燒過程中,在500925之間,均存在脫羥反應,溫度越高,脫羥速度越大,產物主要為偏高嶺

5、石;950左右,鋁硅尖晶石和無定形態(tài)二氧化硅相開始出現;溫度更高則生成莫來石和方石英。鋁硅尖晶石和莫來石在玻璃池窯中難以熔化,因此玻璃纖維用煤系高嶺土的煅燒溫度不宜高于950。2.2 粒徑 物料反應從顆粒表層逐步向顆粒中心推移,反應界面逐漸減小,物料粒度越小,在顆粒外部形成的產物層越薄,反應傳熱、傳質阻力小,煅燒反應容易進行,故物料容易較快達到完全煅燒,但玻璃纖維用煤系高嶺土要求產品200目全通過,325目篩余小于1%,因此玻璃纖維用煤系高嶺土產品的加工以325目為佳。2.3 煅燒時間 高嶺土中的碳質主要膠結在高嶺石表面和解理縫中,其揮發(fā)和脫失需要一定時間。較長玻璃纖維用煤系高嶺土加工工藝探索

6、張 明1,2張 韜1程衛(wèi)泉1安衛(wèi)東1王學群1( 1 蘇州中材非金屬礦工業(yè)設計研究院有限公司,蘇州 215004;2 武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,武漢 430070 摘 要 本文對煤系高嶺土的幾種不同煅燒工藝進行了對比,對影響煅燒高嶺土質量的因素進行了分析,研究探討了懸浮態(tài)煅燒工藝加工玻璃纖維用煤系高嶺土產品的可行性。關鍵詞 懸浮態(tài)煤系高嶺土玻璃纖維- 3 - 4 -的煅燒時間有利于反應充分,脫碳徹底,形成細小孔隙,提高白度,提高產品質量。但隨煅燒時間的延長,其效果逐漸減弱,所以應選擇合適的煅燒時間。2.4 升溫速度 合適的升溫速度有利于脫羥、脫碳以及高空隙率的形成。對于粒度粗的物料,如果升

7、溫速率過于劇烈,則可能造成產品表面孔徑大,空隙數量少且不均勻;而對于粒度較小的粉料,采用懸浮態(tài)煅燒工藝,換熱較快,物料受熱均勻,升溫速率的影響不大。2.5 燃料 未充分燃燒的燃料混入煅燒產品中,影響產品質量,且造成能源浪費。煤的充分燃燒,要求及時提供充足的氧,煤粉也應達到一定細度,否則容易出現焦化現象。另外,對煤的含水量、灰分、熱值等均有一定的要求。3 新型懸浮態(tài)煅燒工藝玻璃纖維用煤系高嶺土要求產品質量穩(wěn)定,生產成本低廉,煅燒溫度不能超過950,采用燃油或者煤氣間接煅燒的方式難以達到低成本的效果。借鑒水泥干法生產工藝中比較成熟的懸浮預熱預分解技術,以煤粉為燃料,通過實驗研究,采取適當的改進措施

8、,對其合理的運行參數進行探索,進而開發(fā)出一種新型的懸浮態(tài)快速煅燒煤系高嶺土工藝。稀相懸浮態(tài)下的熱傳遞具有三大優(yōu)點:傳遞面積大、綜合傳遞系數大、傳遞動力大。該工藝與流化床式懸浮態(tài)煅燒工藝相比,克服了由于物料停留時間分布寬造成產品質量不穩(wěn)定的缺點,且適合大型化連續(xù)生產。試驗所用煅燒設備為四級單系列系統,其試驗系統裝置,見圖1。參考水泥預熱預分解系統而設計,由上部的旋風預熱器和下部一個類似分解爐的煅燒室組成?；谌剂铣浞秩紵目紤],將燃料的煅燒下移至一單獨的燃燒室內,一方面可使燃料燃燒穩(wěn)定充分,另一方面可避免燃料顆粒燃燒造成局部溫度過高而導致過燒現象。圖1 試驗系統裝置圖4 試驗進展試驗用原料取自內

9、蒙古某地的煤系高嶺土,其化學組成(wt %為:SiO 2,46.31;Al 2O 3,36;Fe 2O 3,0.51;TiO 2,0.15;燒失量,14.57。COD 值3512.3×10-6。原料的X 射線衍射圖,見圖2。經分析可得出,高嶺石含量為92%左右,同時有勃母石、白云石、赤鐵礦等出現。圖2 X射線衍射曲線圖對原料進行差熱分析,其差熱分析曲線,見圖3。由圖3可知,在540左右時,存在一個大的吸熱谷,此時羥基大量脫除;1010左右時存在一個尖銳的放熱峰,標志著莫來石相的生成。圖3 差熱分析曲線圖煅燒溫度是影響產品質量最關鍵的因素,因此,在試驗過程中,對系統煅燒溫度的控制較為嚴

10、格。經過多次試驗的摸索,得出該試驗系統最佳的溫度分布,見表2。其中,表中旋風筒溫度均為入口溫度,煅燒爐和加熱保溫裝置溫度為平均溫度。表2 系統各點溫度分布旋風筒溫度/C1280C2510C3680C4900煅燒爐950加熱保溫裝置850煤矸石經過粉磨至一定粒度后,經螺旋給料機加入煅燒裝置,在上部旋風預熱器中,由上而下逐級升溫,在此過程中,煤矸石中的有機質逐漸碳化,部分開始燃燒分解。煤矸石中的物理水、結構水開始逸出,高嶺石開始發(fā)生反應,脫羥基反應加溫度/C1、C2、C3、C4均為旋風筒(下轉第14頁- 14 -1.4 礦石中鐵、鈦的賦存狀態(tài) 鐵、鈦是高嶺土的主要有害元素,其含量特別是鐵的含量對高

11、嶺土的質量有重要影響。鐵的賦存狀態(tài)有三種,一是極微粒的鐵氧化物和膠狀鐵,呈質點狀渲染或薄膜狀粘附在高嶺石等礦物表面;二是部分礦物中的硅酸鹽鐵(主要是云母,主要富集在-0.045mm 粒級的黏土中;三是高嶺土本身含晶格鐵,其鐵質色素渲染,同樣影響礦石白度。本礦段高嶺土只有極少礦石含鈦達到0.20%,綜合整個礦區(qū)來看,鈦含量低且穩(wěn)定,平均TiO 2僅0.11%,對高嶺土的質量影響不大。2 討論與分析2.1 礦石質量 易分散。本礦區(qū)主要包括強風化帶和弱風化帶,在強風化帶,礦石以砂土狀和土狀構造為主。在弱風化帶,礦石以殘余塊狀構造為主。礦石以砂-泥質結構為主,多呈松散土狀,少部分具塊狀并具有一定強度,

12、但輕壓即散。礦石具吸水性,經水浸泡后自動散開,因此礦石在打散和化漿的成本上投入比較低。高嶺石含量高。從表1可以看出,礦物顆粒越小,高嶺石含量越高,經過分級篩選,能生產出高檔的高嶺土精礦。根據生產線正常生產情況下的數據統計,100t 原礦可以生產出18t -2m 含量60%以上精礦,產率為18%。鈦含量低。在高嶺土應用中,鈦是高嶺土主要的有害元素。合浦十字路高嶺土礦段的鈦含量比較低,平均TiO 2僅為0.11%,大部分礦段低于0.095%,且在整個礦床中相對比較穩(wěn)定,所以對高嶺土的質量影響不大。2.2 存在問題 由于礦床風化不全,個別礦段的原礦質量還是比較差,給生產加工帶來了一定難度。主要表現為

13、:砂石SiO 2雜質偏高。原礦中雜質比較多,SiO 2和Al 2O 3的分子比高達7.629。原礦經分級等工藝后,產出精礦的SiO 2和Al 2O 3分子比在2.21左右。說明目前的生產工藝在除硅雜質方面取得了很好的效果,但由于風化不全的原故,精礦的硅鋁實際比值略高于高嶺石族礦物的理論比值21。根據對生產試驗的指標統計分析,當精礦-2m 含量越高硅鋁比值越低,-2m 達到90%時,比值可達到2.1。說明通過分級工藝方法消除原礦中的SiO 2雜質已經可以實現。鐵含量偏高。鐵是對高嶺土質量影響最嚴重的有害元素之一。廣西合浦高嶺土鐵含量相對比較高,I 級品原礦的Fe 2O 3平均達到0.91%,而且

14、賦存狀態(tài)比較復雜。目前,根據生產實踐,已經可以通過分級、漂白和磁選等工藝除掉一部分鐵,取得很好的效果。但由于鐵賦存狀態(tài)比較復雜的特性,對除鐵工藝的靈活性要求比較高。在嚴格控制成本的情況下生產工藝還無法實現大幅度降低高嶺土中的鐵含量。原礦質量波動大。在原礦開采和原礦洗選過程中,我們常發(fā)現原礦質量的變化比較突然。在生產工藝過程中以控制Fe 2O 3含量來控制洗選精礦的燒成白度的情況下,常常發(fā)現當Fe 2O 3含量控制在0.70%時,洗選的精礦燒成白度能達到88%以上,但有時候當Fe 2O 3含量控制在0.65%時,精礦燒成白度達不到87%。3 結論從以上的情況看,廣西合浦十字路高嶺土礦區(qū)原礦開發(fā)利用還是比較充分的。同時也還需要結合礦石質量變化規(guī)律和生產工藝實踐,進一步深入研究,把礦區(qū)的資源利用程度進一步提高。 速進行,COD 值降低,煅燒后煤系高嶺土產品化學指標(wt %為:SiO 2,53.61;Al 2O 3,43.12;Fe 2O 3,0.59;TiO 2,0.21;COD 值360.2×10-6,達到了玻璃纖維用煤系高嶺土的原料要求。5 結論將煤系高嶺土經過破碎細磨,以煤