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煅烧煤矸石的色变与活化技术
    本发明涉及煤矸石的改性处理技术领域。

    环境问题是世界上的三大课题之一，工业废渣——煤矸石，随着煤产量的增多而增多，其量约为煤产量的10-20％，达2000亿吨。煤矸石的大量排放不仅侵占了大量的土地，而且污染了环境、大气和地下水。因此煤矸石的处理就成为需要解决的问题。煅烧煤矸石可做水泥的混合材料，这是一种利用煤矸石的有效途径。专利号为：95103463.4名称为煅烧制造水泥掺和料的方法及其煅烧窑炉，提出了一种利用专用窑炉煅烧煤矸石制造水泥掺和料的方法，它是用引燃煤引燃煤层，向通风道通风，在1000℃～1500℃的温度下，将煤矸石和添加料煅烧6-10小时后，急冷却出窑与水泥熟料共同研磨成水泥。该发明的技术原理是将煤矸石与添加物在1000℃～1500℃高温下发生化学反应，形成硅酸盐水泥范畴地矿物，由于该发明原料的基本成份、烧成温度及工艺条件与水泥熟料的形成相同，故其技术实质仍属于水泥熟料的烧结。该专利所述的水泥掺和料的烧成工艺虽然与水泥熟料的相同，但其活性远不及水泥熟料，而且保温时间长达6-10小时，比煅烧水泥熟料要长6-9倍，这不仅影响其产量，也加大了成本，但最主要的是它未解决由于煅烧(含自然)煤矸石后，其颜色呈红色，当水泥中掺入量大于5％时，水泥的颜色随之变红，不被用户接受的问题，而且由于其活性较低，若生产标号为(325#)水泥时，掺入量很少，仅有20％，由此制约了煤矸石在水泥工业上的大批量使用。

    本发明的目的由此而来，就是要提供一种适应于任何土窑或机械化窑，可改变煅烧(含自燃)煤矸石颜色、使煅烧后的煤矸石呈兰黑色，提高其活性可大量用做水泥掺和料而且水泥颜色正常的煅烧煤矸石的色变与活化技术。

    本发明所采用的技术方案为：a、将煤矸石在普通及机械化石灰窑或其它形式的窑中经600～900℃煅烧，烧至无黑心；b、将湿的粒化矿渣或其它工业废渣撒在烧成的煤矸石上面，其厚度约适中，并压实；c、通过通道向煤矸石中缓慢地加入改良剂，对煤矸石进行改性处理，使煤矸石急冷、色变，再次活化降低其需水量即可。改良剂用量占煤矸石总量的10-15％。如果采用机械化连续生产的石灰窑，在煤矸石出窑后的输送过程中喷淋改良剂或煤矸石从改良剂中拉出。

    本发明所述的煅烧煤矸石的色变与活化技术，第一步：首先将煤矸石置于烧石灰窑中煅烧，烧至无黑心。煤矸石煅烧后一方面其中的碳、有机物燃烧生成二氧化碳散发，使烧失量降低，另一方面粘土等矿物质脱水，分解形成具有较高活性的无定型的偏高岭土和二氧化硅、三氧化二铝(Al2O3)；第二步：为煤矸石烧成后将湿的粒化高炉矿渣或其它工业废渣撒在烧成的煤矸石上厚度适中，并压实由此防止煤矸石在处理过程中改良剂的挥发。增加煤矸石材料中氧化钙的含量；最后，通过管道向煤矸石中缓慢加入的煤矸石总量10-15％的改良剂，改良剂可以是水或碱金属盐的溶液，(其中可含有少量萘系列或木质磺酸盐系列的减水剂)。当做为改良剂中的水遇到炽热的煤矸石时，迅速地吸热而汽化，使煤矸石急速冷却；在未加入改良剂时，经煅烧的煤矸石呈红色，这是由于其成份中的暗红色的(Fe2O3)三氧化二铁所致，当600℃以上的炽热煤矸石遇改良剂后，使煤矸石处在还原气氛及水蒸气中，煤矸石成份中的呈暗红色三氧化二铁(Fe2O3)及单质铁(Fe)生成了黑色的四氧化三铁，这就使得呈红色的(Fe2O3)转变成了兰黑色的煤矸石，经急冷而保留下来。其化学反应式如下：

    煅烧煤矸石经改良剂处理而急冷却保留下活性高的无定型的偏高岭土及二氧化硅、三氧化二铝，煤矸石再次被活化。

    经此处理的煤矸石掺入水泥中，在水泥水化时，改良剂中的碱金属盐如Na2SO4、Na2SiO3等，激发煤矸石中的活性组分二氧化硅、三氧化二铝形成主导强度的产物水化硅酸钙及起旱强作用的产物水化硫铝酸钙、水化铝酸钙。其化学反应式如下：

    次生石膏比磨制水泥时加入的石膏更容易与水化铝酸钙反应形成水化硫铝酸钙，反应式如下：

    以煤矸石做混合材料的水泥在加水搅拌后，由于煤矸石的结构疏松、有较强的吸水能力，又因粒子所带电性的不同及范德华力的作用等原因而形成絮凝状结构，在这种絮凝状结构中包裹着不少的拌和水为保持水泥浆体的和易性，煤矸石掺加量越大，水泥石的孔隙率越大，其强度越低。使用减水剂则减少拌和水，提高水泥石强度。这是因为减水剂是种表面活性剂，被吸附于水泥颗粒表面形成单分子或多分子的吸附膜由于减水剂的定向吸附(异性电荷相吸引)使水泥颗粒带有相同的电荷，在同性电荷的相斥下，水泥——水体系处于相对稳定的悬浮状态，使加水初的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝状结构中的游离水释放出来，达到减水、增加水泥石强度的目的，其实质仍是降低了煤矸石的需水性。

    本发明所述的煅烧煤矸石的色变与活化技术，适应于在任何土窑(如石灰窑、地蛋窑等)或机械窑中煅烧煤矸石；煤矸石煅烧温度较低；煤矸石种类可以是含有自燃的煤矸石，对煅烧煤矸石仅用改良剂处理，方法简单；本发明使煤矸石的颜色呈兰黑且活性较高，适用于水泥、墙体材料等行业。若做水泥混合材料，其掺加量不低于30％，水泥标号为325、425，且水泥颜色正常。由于处理方法简单，每吨煤矸石的处理费用仅几元钱，这又将大幅度地降低水泥成本。以取代粒化高炉矿渣为例，吨水泥成本将降低15-20元，一个年产10万吨水泥的小厂，每年可净增利润150-200万元。我国的煤矿分布较广，水泥工厂遍布全国各地。这将为水泥厂带来可观的经济效益，而且大批量的利用煤矸石，有效地治理了环境污染，腾出或少占大量农田，具有很好的社会效益。