本發明屬于煤矸石綜合利用，具體涉及一種純煤矸石能質耦合制備多功能陶粒的方法。

背景技術：

1、隨著我國煤炭開采難度逐漸增大及洗選效率不斷提升，煤矸石產生量也不斷增加。據統計目前我國煤矸石累計堆存量已超過60億t，形成2600多座大型矸石山，約占土地1.3萬hm2。堆存煤矸石經風化和雨水的淋溶作用，形成酸性水并離解出有毒有害元素滲入地下，造成土壤和水體的污染，自燃煤矸石產生大量so2、nox等有害氣體，造成嚴重的大氣污染。煤矸石的堆存制約了“無廢城市”建設和企業“綠色發展”的步伐，其規模化和資源化利用對行業高質量發展至關重要。煤矸石規模化利用根據其含碳量可分為能源化利用和建材化利用兩大類，其中從能源利用的角度而言，煤矸石是一種低熱值燃料，一般發熱量在1792-3000kcal/kg的煤矸石可直接作循環流化床鍋爐的燃料，發熱量在1500-1792kcal/kg的煤矸石可摻燒煤泥、洗中煤或尾煤后作發電的燃料。熱值低于500kcal/kg的煤矸石，主要用于生態回填或制備建筑材料，但對于500～1500kcal/kg的煤矸石利用存在問題，若用于建材化等利用，需做脫碳處理，能耗高、工藝復雜；若用于生態回填存在煤矸石自燃，生態環境風險較高，因此500～1500kcal/kg煤矸石利用是行業難點。500～1500kcal/kg煤矸石通過與粉煤灰、污泥、赤泥等混合可以用于制備陶粒，但摻量有限，若煤矸石比例過高，工業上常存在“燒不透”的問題，限制了高摻量煤矸石陶粒制備的產業化進程。因此，利用純煤矸石制備多功能陶粒是行業需要，也是行業難點。

2、為適應我國行業對煤矸石資源化利用的需求多數研究致力于煤矸石為輔料或摻料制備陶粒，摻量約為30％～50％。例如專利cn117447184a將赤泥和煤矸石進行混料，經過球磨、混料、捏合、球團、活化、球磨、過篩、滾球、烘干燒制，最終得到赤泥煤矸石陶粒，但赤泥的加入降低了煤矸石的處理量。專利cn113651595a使用煤矸石及輔料制備陶粒，利用靜態燒結隧道窯進行靜態燒結生產煤矸石陶粒，采用靜態燒結利用余熱循環實現陶粒的干燥，焙燒段將陶粒均熱段的熱風作為二次風送入高溫段進行再利用，助燃利用冷卻一段余熱作為助燃風，因工藝中有輔料加入，使得生產成本增加，且降低了煤矸石的處理量，并且陶粒處于靜止狀態，熱風自上而下穿行陶粒的過程中，容易出現上層與下層陶粒受熱不均的情況，最終導致產品性能不一致。同時也有少部分研究純煤矸石制備陶粒的研究，專利cn113105258a雖涉及一種基于移動床制備無摻雜單一煤矸石陶粒的方法，所述移動床為水平移動的鏈篦機，鏈篦機由入料口至出料口，依次劃分為干燥段、預熱段、焙燒段、冷卻ⅰ段和冷卻ⅱ段，但得到的陶粒強度極低，未達到陶粒高強度的要求，且未實現煤矸石陶粒煅燒中熱量的有效回收。專利cn118834059a將帶式燒成設備與節能回轉式短窯串聯在一起形成了兩段式煅燒工藝，但帶式燒成設備與回轉窯系統需要提供額外的能量支撐陶粒動態運動，并且其煅燒陶粒的整個階段總時間長，陶粒生產的效率大大降低。現有技術無法同時滿足純煤矸石制備出的陶粒達到高強度級別、陶粒內部結構無黑心、生產陶粒效率高能耗低且燃燒熱量回收的要求。目前，對于純煤矸石能質耦合制備高強度多功能陶粒的方法還少有報道。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提供一種純煤矸石能質耦合制備多功能陶粒的方法。該方法通過將純煤矸石陶粒能量回收的同時得到多功能陶粒，其不僅可實現熱值為500～1500kcal/kg的純煤矸石制備陶粒，且可有效回收煤矸石燃燒中產生的熱量用于生產蒸汽，并可通過溫度歷程調控獲得具有不同功能的陶粒產品，將多段式煅燒純煤矸石技術與換熱技術相結合，實現純煤矸石陶粒的快速脫碳和制備出產品的多功能性，大大提高陶粒產品性能與生產效率，并且降低了設備的整體能耗。

2、為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

3、一種純煤矸石能質耦合制備多功能陶粒的方法，包括：將純煤矸石陶粒置于立式移動床中依次進行預熱、燃燒與燒成處理，即得；所述立式移動床采用立式旋轉結構，中心轉軸與立式移動床內壁之間交叉設置自上而下緊密排列的傾斜隔板，以使純煤矸石陶粒在傾斜隔板間自上而下移動；所述立式移動床內側設置煅燒系統、助燃系統與換熱系統；所述煅燒系統由入料口至出料口依次劃分為預熱階段、燃燒階段與燒成階段；所述助燃系統用于提供預熱風、一次風、助燃風和天然氣；所述預熱風向預熱階段提供充足的熱量，一次風向燃燒階段提供充足的氧氣與熱量，助燃風與天然氣向燒成階段提供充足的熱量；所述換熱系統用于回收燃燒階段與燒成階段產生的余熱，實現聯產蒸汽用于工業。

4、進一步地，所述純煤矸石陶粒的制備過程具體包括：將熱值范圍為500～1500kcal/kg的煤矸石經過破碎、篩分處理后得到粉狀煤矸石，再將粉狀煤矸石與水混合進行造粒處理，即得。

5、更進一步地，所述粉狀煤矸石與水的質量比例為8～8.5:1.5～2。

6、更進一步地，所述粉狀煤矸石的粒徑控制在74μm以下。

7、更進一步地，所述純煤矸石陶粒的直徑控制在10mm～15mm。

8、進一步地，所述預熱階段的溫度為100℃，氣氛無要求，時間為20min；燃燒階段的溫度900～1000℃，氣氛控制為18％～21％o2，時間為25～30min；燒成階段的溫度為1100～1200℃，氣氛無要求，時間為20～30min。

9、進一步地，所述純煤矸石陶粒在傾斜隔板間自上而下移動的過程中，通過中心轉軸轉動速率控制純煤矸石陶粒在傾斜隔板上的停留時間，并且減少純煤矸石陶粒在立式移動床內部的堆積，使純煤矸石陶粒得到充分燃燒，并釋放熱量。

10、進一步地，所述立式移動床中的傾斜隔板上設置直徑5～8mm的換熱開孔，為純煤矸石陶粒的充分燃燒和換熱提供條件。

11、與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

12、(1)本發明陶粒原料為100％的煤矸石，拓展了不能燃燒利用或填埋有風險的中低熱值類型的煤矸石的價值，實現煤矸石的規模化和資源化利用。

13、(2)本發明將制備純煤矸石陶粒的立式移動床優化為三段式結構，分別為預熱階段、燃燒階段與燒成階段。預熱階段主要將煤矸石濕陶粒內部水分烘干；燃燒階段主要將煤矸石中的碳完全燃盡；燒成階段主要將完全燃燒后的陶粒進行煅燒，使得陶粒內部產生晶相變化和微觀結構變化，進而使陶粒強度遠超輕質集料中對高強度陶粒900級別的要求。陶粒連續的三段式結構更有利于陶粒溫度的持續升高，陶粒從上一階段帶來的熱量將更容易達到下一階段的溫度要求，使得陶粒在制備過程的熱量高效利用，并使得設備更節能。同時立式移動床中的陶粒可充分燃盡，不存在黑心問題，且換熱系統用于回收燃燒階段與燒成階段產生的余熱，實現聯產蒸汽用于工業。

14、(3)本發明使用的立式移動床采用立式旋轉結構且內部設置傾斜隔板，實現陶粒燃燒過程熱量與氧氣傳輸的均勻。具體體現在：立式旋轉結構使得陶粒在傾斜隔板上自上而下的移動的過程中，向下運動的時間和速率得到控制，對不同熱值的煤矸石燃燒時長設置不同的轉速，使得陶粒在預熱、燃燒、燒成階段停留不同的時長，得到不同的目標產品；內部設置從上而下緊密排列的傾斜隔板，一方面傾斜設置的隔板使得陶粒在無外部提供能量下，利用重力勢能自上而下滾動，另一方面緊密排列的隔板使得陶粒在向下移動的過程中呈現無堆積的狀態，并且氧氣與陶粒處于相對動態運動過程，陶粒內外的氧氣濃度差保持在穩定的數值，使得氧氣和熱量從外向陶粒內部擴散的過程中無外因阻礙。

15、(4)本發明主體結構增加助燃系統與換熱系統，使得設備得到更好的燃燒環境和回收能源的作用。助燃系統中的預熱風為預熱系統維持穩定的100℃溫度，此階段的溫度同時也可由燃燒階段的溫度經過熱量的傳遞提供，一次風不僅可以為燃燒階段維持穩定的900～1000℃的溫度，并且也為其提供燃燒需要的足夠氧氣，燃燒階段的助燃風為其提供1100～1200℃的溫度，天然氣為能達到更高溫度提供足夠的能量，換熱系統存在于高溫段的燃燒階段與燒成階段，該系統通過回收過多的熱量，來較少能源的損耗，并且在燃燒階段具有一定熱值的煤矸石將釋放陶粒內部全部的熱量，換熱系統可將釋放出來的熱量回收，經過聯產蒸汽用于工業。

16、(5)本發明制備的陶粒可根據三段組合條件具備抗壓強度、吸水率、表觀密度等多種力學性能，可用于建筑、環保、海洋工程等領域或專用于極端環境或高附加值產業等工業場景。