煤矸石作為煤礦開采過程中的主要工業(yè)固廢，其高嶺土含量一般在30%–60%之間，雜質(zhì)主要為碳、石英及鐵鈦氧化物。采用“三級懸浮預(yù)煅燒+回轉(zhuǎn)窯深度煅燒”的聯(lián)合工藝，可實現(xiàn)煤矸石的高值化資源利用，將其轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)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(yù)熱、脫雜(除碳、脫水)與初步煅燒，再經(jīng)回轉(zhuǎn)窯實現(xiàn)深度煅燒與晶型優(yōu)化，產(chǎn)出適用于造紙、涂料、陶瓷等領(lǐng)域的功能性礦物材料。

　　一、原料預(yù)處理：去除雜質(zhì)，優(yōu)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(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)黑、白度低、活性差，因此必須經(jīng)過系統(tǒng)預(yù)處理，以提高原料純度與物理性能，這是區(qū)別于天然高嶺土煅燒的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　首先，將大塊煤矸石(粒徑500–1000mm)依次送入顎式破碎機(jī)進(jìn)行粗破，再由圓錐破碎機(jī)或反擊式破碎機(jī)完成中碎，使粒度降至20–50mm，便于后續(xù)磨礦作業(yè)。破碎后要求粒度均勻，避免過粉碎，減少粉塵產(chǎn)生，中破后物料粒徑控制在30mm以內(nèi)。

　　隨后進(jìn)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(chǎn)品顏色變深，嚴(yán)重影響白度。采用跳汰機(jī)或重介質(zhì)分選機(jī)進(jìn)行粗選，結(jié)合浮選機(jī)進(jìn)行精選，可有效去除大部分碳質(zhì)成分，實現(xiàn)除碳率≥90%，確保洗選后物料含碳量≤1%。同時配套建設(shè)廢水循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源的有效利用，減少環(huán)境污染。

　　洗選后的物料進(jìn)入磨礦分級階段。通過球磨機(jī)(干法或濕法)將物料研磨至細(xì)粉狀態(tài)，并配合水力旋流器或旋風(fēng)分級機(jī)進(jìn)行粒度分級，確保粒徑分布均勻。若采用干法磨礦，成品細(xì)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(xù)通過壓濾機(jī)脫水，使水分降至20%–25%。

　　對于干法流程，還需進(jìn)行預(yù)干燥處理，以去除物料中的游離水。使用滾筒干燥機(jī)或閃蒸干燥機(jī)，將物料水分降至2%以下，干燥溫度控制在80℃以內(nèi)，防止物料因提前受熱而發(fā)生團(tuán)聚或結(jié)塊，影響后續(xù)懸浮煅燒的穩(wěn)定性。

　　為進(jìn)一步提高產(chǎn)品白度潛力，在進(jìn)入煅燒系統(tǒng)前進(jìn)行磁選預(yù)除鐵。采用永磁筒式磁選機(jī)對物料進(jìn)行初步除鐵，可有效去除Fe?O?、Fe?O?等強(qiáng)磁性礦物，除鐵率不低于60%，使鐵含量降至0.8%以下，為后續(xù)深度提純奠定基礎(chǔ)。

　　二、三級懸浮煅燒：預(yù)熱、脫雜與淺度煅燒一體化

　　三級懸浮煅燒系統(tǒng)由三個串聯(lián)的立式煅燒室組成，利用高速熱氣流使細(xì)粉物料呈“懸浮態(tài)”運(yùn)行，與高溫?zé)煔饽媪鹘佑|，傳熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯，可達(dá)其3–5倍。該階段主要完成三項核心任務(wù)：脫除游離水與部分結(jié)晶水、燒除殘余碳質(zhì)、實現(xiàn)高嶺土向偏高嶺土的初步晶型轉(zhuǎn)變。

　　物料從一級懸浮窯頂部進(jìn)入，而來自回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)煔?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(dá)700–800℃;煙氣則從一級窯頂排出，溫度降至300–400℃，可用于預(yù)熱助燃空氣或作為干燥熱源，實現(xiàn)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(fā)的雜質(zhì)。氣流速度控制在10–12m/s，停留時間約3–5秒，確保物料充分懸浮而不沉降。

　　進(jìn)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(jìn)一步降至0.2%以下，避免后續(xù)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)形成焦炭沉積或結(jié)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(jiān)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(zhuǎn)變的關(guān)鍵區(qū)域。在此溫度區(qū)間，高嶺土發(fā)生脫羥反應(yīng)：Al?O?·2SiO?·2H?O → Al?O?·2SiO? + 2H?O↑，脫除大部分結(jié)晶水，脫除率≥80%，生成偏高嶺土。同時，部分硅質(zhì)雜質(zhì)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(yīng)進(jìn)行。

　　關(guān)鍵設(shè)備包括三級懸浮窯本體(材質(zhì)為耐熱鋼，內(nèi)襯耐火澆注料)和配套的旋風(fēng)分離器，用于回收出窯煙氣中夾帶的細(xì)粉并返回系統(tǒng)重新煅燒。運(yùn)行過程中需嚴(yán)格控制氣流速度：速度過低易導(dǎo)致物料沉降堵塞窯體;速度過高則停留時間不足。應(yīng)通過流量計實時調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　三、回轉(zhuǎn)窯深度煅燒：晶型優(yōu)化與雜質(zhì)無害化

　　經(jīng)三級懸浮窯預(yù)煅燒后的物料(偏高嶺土，仍含少量未脫除的結(jié)晶水及鐵鈦雜質(zhì))進(jìn)入回轉(zhuǎn)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(chǎn)品白度、活性與純度的核心環(huán)節(jié)。

　　物料由三級懸浮窯排出后(溫度700–800℃)，經(jīng)窯尾布料器均勻送入回轉(zhuǎn)窯高端(窯尾)。回轉(zhuǎn)窯為傾斜安裝的圓筒形設(shè)備(傾斜角度3°–5°，直徑2.5–4m，長度20–30m)，內(nèi)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(zhuǎn)/分鐘的速度緩慢回轉(zhuǎn)，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(xiàn)“邊滾動邊煅燒”。

　　加熱方式為窯頭設(shè)燃煤或燃?xì)馊紵?，熱煙氣從窯頭向窯尾流動，與物料逆流接觸。窯內(nèi)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(jié)晶水的徹底脫除，通過延長停留時間(15–20分鐘)，確保結(jié)晶水脫除率完成，物料轉(zhuǎn)化為無水高嶺土。

　　窯中段(850–950℃)是晶型優(yōu)化的關(guān)鍵區(qū)域。通過控制升溫速率(5–10℃/分鐘)，使偏高嶺土逐步轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煅燒高嶺土，顯著提高其化學(xué)活性，適用于造紙?zhí)盍?、涂料等功能性?yīng)用。

　　窯頭段(950–1050℃)則實現(xiàn)雜質(zhì)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(xù)磁選中更易去除;同時TiO?保持穩(wěn)定形態(tài)，不影響產(chǎn)品性能。

　　回轉(zhuǎn)窯排出的高溫?zé)煔?800–900℃)首先送入三級懸浮窯作為熱源，實現(xiàn)余熱回收利用。隨后經(jīng)布袋除塵器(除塵效率≥99.9%)去除粉塵，若原料含硫，則進(jìn)入脫硫塔脫除SO?，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)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(zhuǎn)窯窯頭排出時溫度高達(dá)800–1000℃，若直接急冷，會因熱應(yīng)力導(dǎo)致顆粒炸裂，影響產(chǎn)品細(xì)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(jī)(6–8個冷卻筒圍繞中心軸旋轉(zhuǎn))，高溫物料進(jìn)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(fēng)返回回轉(zhuǎn)窯燃燒器，顯著減少燃料消耗，節(jié)能效果達(dá)15%–20%。

　　冷卻速率控制在≤50℃/分鐘。對于用于涂料或造紙的產(chǎn)品，宜采用緩冷以保持活性;若用于陶瓷領(lǐng)域，可適當(dāng)加快冷卻速率。

　　五、研磨分級與提純：優(yōu)化粒度，深度除雜

　　冷卻后的物料可能存在少量結(jié)塊，且需進(jìn)一步提純以滿足高端應(yīng)用需求。

　　首先通過錘式破碎機(jī)(內(nèi)襯橡膠，避免鐵污染)對冷卻后結(jié)塊(粒徑≤50mm)進(jìn)行粗碎解團(tuán)，破碎后粒徑控制在5mm以內(nèi)。

　　隨后進(jìn)行超細(xì)研磨，采用氣流磨(無介質(zhì)研磨，避免污染)或陶瓷球磨機(jī)(研磨介質(zhì)為氧化鋁球)，將物料研磨至目標(biāo)細(xì)度。例如，造紙?zhí)盍弦?325目占95%以上(粒徑≤44μm)。

　　研磨后進(jìn)入精細(xì)分級環(huán)節(jié)，使用氣流分級機(jī)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(chǎn)品粒度分布均勻。

　　接著進(jìn)行二次除鐵，采用高梯度磁選機(jī)(磁場強(qiáng)度1.2–1.5T)，深度去除研磨過程中因設(shè)備磨損帶入的微量鐵雜質(zhì)。要求鐵含量≤0.3%(白度≥85%);對于高白產(chǎn)品，需進(jìn)一步降至≤0.1%，白度可達(dá)90%以上。

　　最后進(jìn)行浮選提純，使用浮選機(jī)配合脂肪酸類捕收劑和NaOH調(diào)節(jié)pH至8–9，去除石英、長石等硅酸鹽雜質(zhì)，提高Al?O?含量。經(jīng)浮選后，Al?O?含量可從30%–35%提高至35%–40%，達(dá)到工業(yè)級高嶺土標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(jìn)行脫水與干燥處理，防止儲存過程中吸潮結(jié)塊。

　　先通過廂式壓濾機(jī)脫水，使濾餅水分降至15%–20%;再采用噴霧干燥機(jī)(適合超細(xì)粉)或滾筒干燥機(jī)進(jìn)行干燥，干燥溫度控制在150–200℃，水分控制在0.5%–1%。

　　干燥后進(jìn)行質(zhì)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(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)。

　　合格產(chǎn)品采用內(nèi)襯PE膜的閥口袋包裝(每袋25kg或噸袋)，存放于干燥通風(fēng)的倉庫中，防止受潮。

　　七、核心優(yōu)勢與關(guān)鍵控制點

　　該工藝具備顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。首先，實現(xiàn)了煤矸石的“變廢為寶”，將其轉(zhuǎn)化為高附加值的煅燒高嶺土，廣泛應(yīng)用于造紙、涂料、橡膠、陶瓷等領(lǐng)域，有效緩解固廢堆存帶來的環(huán)境壓力。其次，能源利用有效：三級懸浮窯利用回轉(zhuǎn)窯尾氣余熱，冷卻機(jī)回收熱風(fēng)助燃，綜合能耗比傳統(tǒng)純回轉(zhuǎn)窯流程減少25%–30%。此外，由于懸浮煅燒傳熱均勻，回轉(zhuǎn)窯深度煅燒保障晶型轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品白度高、活性好、質(zhì)量穩(wěn)定，優(yōu)于單一設(shè)備煅燒工藝。

　　關(guān)鍵控制點包括：原料除碳率必須≥90%，否則產(chǎn)品易發(fā)黑;懸浮窯內(nèi)氣流速度應(yīng)控制在10–15m/s，確保物料穩(wěn)定懸浮;回轉(zhuǎn)窯窯頭溫度不得超過1050℃，防止過燒導(dǎo)致活性喪失;鐵含量需控制在≤0.3%，每減少0.1%鐵含量，產(chǎn)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(zhuǎn)化為合格的煅燒高嶺土產(chǎn)品，兼具環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前煤系高嶺土資源化利用的主流技術(shù)路徑之一。