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煤矸石作為煤礦開采過程中的主要工業固廢，其高嶺土含量一般在30%–60%之間，雜質主要為碳、石英及鐵鈦氧化物。采用“三級懸浮預煅燒+回轉窯深度煅燒”的聯合工藝，可實現煤矸石的高值化資源利用，將其轉化為高品質煅燒高嶺土。
該工藝的核心在于：先通過三級懸浮窯完成原料的預熱、脫雜(除碳、脫水)與初步煅燒，再經回轉窯實現深度煅燒與晶型優化，產出適用于造紙、涂料、陶瓷等領域的功能性礦物材料。
一、原料預處理：去除雜質，優化物料特性
由于煤矸石原礦含有較高比例的碳、石英和鐵礦物，直接煅燒會導致產品發黑、白度低、活性差，因此必須經過系統預處理，以提高原料純度與物理性能，這是區別于天然高嶺土煅燒的關鍵環節。
首先，將大塊煤矸石(粒徑500–1000mm)依次送入顎式破碎機進行粗破，再由圓錐破碎機或反擊式破碎機完成中碎，使粒度降至20–50mm，便于后續磨礦作業。破碎后要求粒度均勻，避免過粉碎，減少粉塵產生，中破后物料粒徑控制在30mm以內。
隨后進行洗選除碳處理。煤矸石中通常含有5%–15%的殘留煤，若不除去，煅燒后會使產品顏色變深，嚴重影響白度。采用跳汰機或重介質分選機進行粗選，結合浮選機進行精選，可有效去除大部分碳質成分，實現除碳率≥90%，確保洗選后物料含碳量≤1%。同時配套建設廢水循環系統，實現水資源的有效利用，減少環境污染。
洗選后的物料進入磨礦分級階段。通過球磨機(干法或濕法)將物料研磨至細粉狀態，并配合水力旋流器或旋風分級機進行粒度分級，確保粒徑分布均勻。若采用干法磨礦，成品細度需控制在-200目占90%以上(即粒徑≤74μm)；若采用濕法磨礦，則需后續通過壓濾機脫水，使水分降至20%–25%。
對于干法流程，還需進行預干燥處理，以去除物料中的游離水。使用滾筒干燥機或閃蒸干燥機，將物料水分降至2%以下，干燥溫度控制在80℃以內，防止物料因提前受熱而發生團聚或結塊，影響后續懸浮煅燒的穩定性。
為進一步提高產品白度潛力，在進入煅燒系統前進行磁選預除鐵。采用永磁筒式磁選機對物料進行初步除鐵，可有效去除Fe?O?、Fe?O?等強磁性礦物，除鐵率不低于60%，使鐵含量降至0.8%以下，為后續深度提純奠定基礎。
二、三級懸浮煅燒：預熱、脫雜與淺度煅燒一體化
三級懸浮煅燒系統由三個串聯的立式煅燒室組成，利用高速熱氣流使細粉物料呈“懸浮態”運行，與高溫煙氣逆流接觸，傳熱效率遠高于傳統回轉窯，可達其3–5倍。該階段主要完成三項核心任務：脫除游離水與部分結晶水、燒除殘余碳質、實現高嶺土向偏高嶺土的初步晶型轉變。
物料從一級懸浮窯頂部進入，而來自回轉窯的高溫煙氣(溫度800–900℃)則從三級懸浮窯底部通入，形成逆流換熱。隨著物料逐級下行，溫度逐步升高，從三級窯底排出時溫度已達700–800℃；煙氣則從一級窯頂排出，溫度降至300–400℃，可用于預熱助燃空氣或作為干燥熱源，實現能量梯級利用。
在一級懸浮窯(300–400℃)中，主要完成物料中殘留游離水的脫除(水分從2%降至0.5%以下)，并燒除少量易揮發的雜質。氣流速度控制在10–12m/s，停留時間約3–5秒，確保物料懸浮而不沉降。
進入二級懸浮窯(500–600℃)后，物料中的殘余碳被深度燃燒，含碳量從1%進一步降至0.2%以下，避免后續在回轉窯內形成焦炭沉積或結圈。此階段氣流速度提高至12–14m/s，停留時間延長至5–8秒，并需實時監測尾氣中CO濃度，確保其低于500ppm，表明碳已基本燃盡。
三級懸浮窯(700–800℃)是晶型轉變的關鍵區域。在此溫度區間，高嶺土發生脫羥反應：Al?O?·2SiO?·2H?O → Al?O?·2SiO? + 2H?O↑，脫除大部分結晶水，脫除率≥80%，生成偏高嶺土。同時，部分硅質雜質開始軟化。氣流速度維持在14–15m/s，停留時間8–10秒，確保反應進行。
關鍵設備包括三級懸浮窯本體(材質為耐熱鋼，內襯耐火澆注料)和配套的旋風分離器，用于回收出窯煙氣中夾帶的細粉并返回系統重新煅燒。運行過程中需嚴格控制氣流速度：速度過低易導致物料沉降堵塞窯體；速度過高則停留時間不足。應通過流量計實時調節，確保系統穩定運行。
三、回轉窯深度煅燒：晶型優化與雜質無害化
經三級懸浮窯預煅燒后的物料(偏高嶺土，仍含少量未脫除的結晶水及鐵鈦雜質)進入回轉窯，在高溫(900–1050℃)、長停留時間(1–2小時)條件下完成深度煅燒，是決定產品白度、活性與純度的核心環節。
物料由三級懸浮窯排出后(溫度700–800℃)，經窯尾布料器均勻送入回轉窯高端(窯尾)。回轉窯為傾斜安裝的圓筒形設備(傾斜角度3°–5°，直徑2.5–4m，長度20–30m)，內襯高鋁耐火磚，具備良好的耐高溫與耐磨性能。窯體以0.5–2轉/分鐘的速度緩慢回轉，物料在重力與窯壁摩擦力作用下向窯頭(低端)緩慢移動，實現“邊滾動邊煅燒”。
加熱方式為窯頭設燃煤或燃氣燃燒器，熱煙氣從窯頭向窯尾流動，與物料逆流接觸。窯內溫度從窯尾的700℃逐步升至窯頭的1050℃，形成合理的溫度梯度。
在窯尾段(700–850℃)，完成剩余結晶水的徹底脫除，通過延長停留時間(15–20分鐘)，確保結晶水脫除率完成，物料轉化為無水高嶺土。
窯中段(850–950℃)是晶型優化的關鍵區域。通過控制升溫速率(5–10℃/分鐘)，使偏高嶺土逐步轉化為結構穩定的煅燒高嶺土，顯著提高其化學活性，適用于造紙填料、涂料等功能性應用。
窯頭段(950–1050℃)則實現雜質的無害化處理。通過通入少量煤粉營造弱還原氣氛，使Fe?O?還原為FeO，后者在后續磁選中更易去除；同時TiO?保持穩定形態，不影響產品性能。
回轉窯排出的高溫煙氣(800–900℃)首先送入三級懸浮窯作為熱源，實現余熱回收利用。隨后經布袋除塵器(除塵效率≥99.9%)去除粉塵，若原料含硫，則進入脫硫塔脫除SO?，實現達標排放，粉塵濃度控制在≤10mg/m3。
四、冷卻：控溫防炸裂，回收熱量
煅燒后物料從回轉窯窯頭排出時溫度高達800–1000℃，若直接急冷，會因熱應力導致顆粒炸裂，影響產品細度與完整性。因此需采用梯度冷卻方式，控制降溫速率。
配套多筒冷卻機(6–8個冷卻筒圍繞中心軸旋轉)，高溫物料進入后與鼓入的冷空氣逆流接觸，逐步冷卻至100℃以下。冷卻過程中，空氣被加熱至300–400℃，作為助燃風返回回轉窯燃燒器，顯著減少燃料消耗，節能效果達15%–20%。
冷卻速率控制在≤50℃/分鐘。對于用于涂料或造紙的產品，宜采用緩冷以保持活性；若用于陶瓷領域，可適當加快冷卻速率。
五、研磨分級與提純：優化粒度，深度除雜
冷卻后的物料可能存在少量結塊，且需進一步提純以滿足高端應用需求。
首先通過錘式破碎機(內襯橡膠，避免鐵污染)對冷卻后結塊(粒徑≤50mm)進行粗碎解團，破碎后粒徑控制在5mm以內。
隨后進行超細研磨，采用氣流磨(無介質研磨，避免污染)或陶瓷球磨機(研磨介質為氧化鋁球)，將物料研磨至目標細度。例如，造紙填料要求-325目占95%以上(粒徑≤44μm)。
研磨后進入精細分級環節，使用氣流分級機去除粗顆粒，分級效率≥90%。粗顆粒返回研磨工序重新處理，確保產品粒度分布均勻。
接著進行二次除鐵，采用高梯度磁選機(磁場強度1.2–1.5T)，深度去除研磨過程中因設備磨損帶入的微量鐵雜質。要求鐵含量≤0.3%(白度≥85%)；對于高白產品，需進一步降至≤0.1%，白度可達90%以上。
最后進行浮選提純，使用浮選機配合脂肪酸類捕收劑和NaOH調節pH至8–9，去除石英、長石等硅酸鹽雜質，提高Al?O?含量。經浮選后，Al?O?含量可從30%–35%提高至35%–40%，達到工業級高嶺土標準。
六、成品處理：脫水、干燥與包裝
若浮選后物料水分較高(20%–30%)，需進行脫水與干燥處理，防止儲存過程中吸潮結塊。
先通過廂式壓濾機脫水，使濾餅水分降至15%–20%；再采用噴霧干燥機(適合超細粉)或滾筒干燥機進行干燥，干燥溫度控制在150–200℃，水分控制在0.5%–1%。
干燥后進行質量測試，包括白度(分光光度計測定)、Al?O?含量(X射線熒光光譜分析)、粒度分布(激光粒度儀)和水分(烘干法)，確保各項指標符合標準。
合格產品采用內襯PE膜的閥口袋包裝(每袋25kg或噸袋)，存放于干燥通風的倉庫中，防止受潮。
七、核心優勢與關鍵控制點
該工藝具備顯著的技術與經濟優勢。首先，實現了煤矸石的“變廢為寶”，將其轉化為高附加值的煅燒高嶺土，廣泛應用于造紙、涂料、橡膠、陶瓷等領域，有效緩解固廢堆存帶來的環境壓力。其次，能源利用有效：三級懸浮窯利用回轉窯尾氣余熱，冷卻機回收熱風助燃，綜合能耗比傳統純回轉窯流程減少25%–30%。此外，由于懸浮煅燒傳熱均勻，回轉窯深度煅燒保障晶型轉化，產品白度高、活性好、質量穩定，優于單一設備煅燒工藝。
關鍵控制點包括：原料除碳率必須≥90%，否則產品易發黑；懸浮窯內氣流速度應控制在10–15m/s，確保物料穩定懸浮；回轉窯窯頭溫度不得超過1050℃，防止過燒導致活性喪失；鐵含量需控制在≤0.3%，每減少0.1%鐵含量，產品白度可提高1%–2個百分點。
通過上述全流程處理，煤矸石得以有效轉化為合格的煅燒高嶺土產品，兼具環保效益與經濟效益，是當前煤系高嶺土資源化利用的主流技術路徑之一。
