煤矸石悬浮煅烧制备胶凝材料的核心是利用悬浮煅烧的高效传热传质特性，激活煤矸石的潜在胶凝活性，并通过合理配料、煅烧改性、粉磨适配等环节，生产出性能稳定的胶凝材料（可单独作为胶凝材料或替代部分水泥熟料）。以下是详细工艺流程、关键环节及技术要点：

一、工艺流程总览

煤矸石悬浮煅烧胶凝材料的生产遵循 “原料预处理→配料均化→悬浮煅烧活化→冷却收集→粉磨改性→成品储存” 的主线。

二、各环节详细说明

1. 原料准备与预处理

核心目标：去除原料杂质、调整粒径，为后续配料和悬浮煅烧奠定基础。

主要原料：

煤矸石（核心原料）：选择含 Al₂O₃ 15%~30%、SiO₂ 45%~60%、烧失量（有机质 + 水分）≤15% 的煤矸石（优先选用洗选煤矸石，减少黏土类杂质）；

辅助原料（按需添加）：石灰石（补充 CaO，调节钙硅比 Ca/Si=1.0~1.5）、石膏（缓凝剂，后期添加）、工业废渣（如矿渣、粉煤灰，优化胶凝性能）。

预处理步骤：

破碎：煤矸石经颚式破碎机→反击式破碎机破碎至粒径≤20mm，去除大块矸石、金属杂质（如废铁）；

干燥：采用回转烘干机或气流干燥机，将煤矸石水分降至≤5%（避免煅烧时结露、影响悬浮稳定性）；

预粉磨：干燥后的煤矸石经雷蒙磨或立式磨粉磨至 80μm 筛余≤15%（细粉更易悬浮，提升煅烧效率）。

2. 配料均化

核心目标：精准控制原料化学组成，保证煅烧后产物活性均匀。

配料原则：根据胶凝材料性能要求，通过配料计算确定煤矸石与辅助原料（如石灰石）的比例，核心控制指标：

有效成分：SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃≥70%（保证胶凝活性）；

钙硅比（CaO/SiO₂）：1.0~1.5（CaO 不足则活性低，过量易生成游离 CaO 导致体积安定性不良）；

均化方式：

采用 “配料仓 + 螺旋输送机 + 混合机” 系统，按比例连续配料；

料浆法（可选）：将原料加水制成料浆，通过搅拌均化后喷雾干燥，获得粒径均匀的干粉（更利于悬浮煅烧）。

3. 悬浮煅烧活化（核心环节）

核心目标：在高温下使煤矸石的无定形 SiO₂、Al₂O₃转化为具有胶凝活性的晶体结构（如偏高岭石、莫来石前驱体），同时去除残留有机质和结晶水。

核心设备：循环流化床煅烧炉（CFB）或气流悬浮煅烧炉（主流选择，传热效率是传统回转窑的 3~5 倍）。

煅烧工艺参数：

煅烧温度：850~1050℃（关键区间：900~950℃，温度过低则活性未激活，过高易生成惰性莫来石导致活性下降）；

物料停留时间：10~30 秒（悬浮状态下，物料与热气流充分接触，快速完成活化反应）；

热气流来源：采用煤粉燃烧或余热锅炉供热，热气流速度 10~20m/s（保证物料悬浮不沉降）；

气氛控制：氧化性气氛（避免有机质不完全燃烧产生炭黑，影响胶凝材料强度）。

反应机理：

煤矸石中的高岭石（Al₂O₃・2SiO₂・2H₂O）在高温下发生脱水、脱碳反应：

若添加石灰石，会同步发生 CaO 与 SiO₂、Al₂O₃的固相反应，生成硅酸钙、铝酸钙等活性矿物。

4. 急速冷却与收尘收集

核心目标：抑制活性矿物的晶化老化，快速收集煅烧产物。

急速冷却：

煅烧后的高温物料（800~950℃）进入冷却器（空气淬冷或水冷），在 1~3 秒内冷却至 150℃以下，避免偏高岭石等活性相转化为惰性晶体（如石英、莫来石），锁住活性。

收尘收集：

冷却后的物料随气流进入旋风收尘器 + 布袋除尘器（二级收尘），收集得到 “活化煤矸石熟料”（粒径多为 10~100μm），收尘效率≥99.9%（避免粉尘污染）。

5. 粉磨改性（适配胶凝性能）

核心目标：调整熟料粒径，优化颗粒级配，提升胶凝材料的水化活性和强度。

粉磨设备：立式磨、球磨机或超细粉磨机（根据成品细度要求选择）；

粉磨参数：

成品细度：比表面积 350~500m²/kg（80μm 筛余≤5%，细度不足则水化速度慢，强度低；过细则需水量大，易开裂）；

改性添加剂（可选）：

缓凝剂：添加 3%~5% 石膏（二水石膏或无水石膏），调节水化速度，避免急凝；

增强剂：添加 0.5%~1% 三聚氰胺甲醛树脂、聚羧酸系减水剂，提升强度和工作性；

复合改性：与矿渣粉、粉煤灰按比例混合粉磨，优化颗粒级配，降低水化热。

6. 成品检验与储存

检验指标：

物理性能：初凝时间≥45min，终凝时间≤10h；抗压强度（3d≥15MPa，28d≥30MPa，具体按应用场景调整）；

化学性能：游离 CaO≤3%，烧失量≤5%，放射性符合 GB 6566《建筑材料放射性核素限量》；

储存：成品存入密闭料仓，防止吸潮结块（吸潮会降低活性），采用螺旋输送机或空气输送斜槽输送至应用环节。

三、关键技术要点与优化方向

原料选择：优先选用低硫、低炭、高铝硅比的煤矸石，减少煅烧时的污染物排放和活性损失；

煅烧温度控制：通过在线测温系统实时调节燃料供给，避免温度波动（±50℃以内）；

悬浮稳定性：控制预粉磨后原料的粒径分布（10~80μm 占比≥80%），避免大颗粒沉降导致煅烧不均；

能耗优化：利用煅烧尾气余热预热原料或干燥系统，降低单位产品能耗（悬浮煅烧能耗约为传统回转窑的 60%~70%）；

环保控制：煅烧尾气经脱硫（石灰石 - 石膏法）、脱硝（SNCR 法）处理后排放，粉尘排放浓度≤10mg/m³，满足环保要求。

四、应用场景

替代水泥熟料：用于煤矿巷道喷浆；

制备专用胶凝材料：用于道路基层、砂浆、混凝土掺合料、免烧砖胶结料等；

固废协同处置：可协同处理煤泥、污泥等有机废物（利用煅烧高温无害化处理），同时提升燃料利用率。

该工艺的核心优势是高效活化、能耗低、环保性好，既实现了煤矸石的资源化利用，又降低了胶凝材料对水泥熟料的依赖，符合 “双碳” 目标和固废资源化政策导向。