提高干餾頁巖渣磚強度的試驗研究

穆建春 王志剛 龍志勤

（廣東石油化工學院）

提高干餾頁巖渣磚強度的試驗研究

穆建春 王志剛 龍志勤

（廣東石油化工學院）

本文用茂名上世紀50年代的干餾頁巖渣作為基本原材料，通過不同的工藝方法制取免燒實心磚，大量的試驗研究發現，干餾渣的顆粒級配對用干餾渣制取的免蒸免燒實心磚的抗壓、抗折強度有很大影響；干餾渣進行二次燃燒處理后制取的免蒸免燒實心磚的抗壓、抗折強度有大幅提高。

干餾頁巖渣；免蒸免燒；實心磚；顆粒級配；二次燃燒

1 引言

干餾頁巖渣是油頁巖通過加熱、干餾（約500℃），提煉頁巖油產生的廢渣。油頁巖礦化程度很高，含油率不高，在干餾過程中將會產生大量的油頁巖渣。目前，就世界上最先進的的干餾技術，干餾一噸油頁巖，至少也會產生0.7噸的油頁巖渣。由大量文獻顯示，世界上油頁巖儲量非常大，如果換算成頁巖油的話也有41億噸。中國為油頁巖資源最豐富的國家之一，全國油頁巖資源儲量約為370億噸。隨著石油和天然氣資源的日漸緊缺，會逐漸啟動用油頁巖煉油，或直接用油頁巖燃料發電的項目，由此將會產生大量的油頁巖渣。試驗研究和試生產表明，燃燒后的油頁巖渣可以直接用作為制取高強度免蒸免燒實心磚[1]，也可作為高標號水泥的混合料或熟料等[2]，具有充分的和較高的利用價值。但是干餾頁巖渣的有效利用還一直困擾著人們。目前有很多實體企業用干餾后的油頁巖渣制取燒結實心磚或空心磚，但是國家政策上不提倡制取燒結的垃圾尾礦實心磚，由此制取的實心磚得不到廣泛推廣，而且在制磚的同時，不僅會二次產生污染，還會重新產生大量的灰渣。所以如何用干餾渣制取國家政策提倡的、強度足夠的油頁巖渣磚，并在制取的過程中又不會二次產生廢渣就成為本文將要研究的一個問題。

2 油頁巖渣的產生途徑

油頁巖渣主要有兩種產生途徑，第一種途徑是油頁巖作為燃料直接燃燒，燃燒溫度可達1200℃，燃燒后的灰渣就是油頁巖燃燒渣（見圖1）。第二種途徑是用油頁巖煉油，我國采取的油頁巖煉油技術大部分都是撫順式干餾技術。撫順式干餾技術是將開采的油頁巖破碎篩分后,較大粒徑的（約≥10mm）油頁巖放入干餾爐內,在隔絕空氣的情況下,在干餾爐內干燥、預熱,然后加溫到450℃～600℃，頁巖油就被裂解釋放出來。所剩的頁巖半焦進入汽化狀態，并進行氧化還原反應，生成的排出爐外的廢渣就是干餾頁巖渣（見圖2）。燃燒后的油頁巖渣和干餾頁巖渣的化學成分非常相似（見表1），但是其在應用中用同樣的方法制取的建筑用實心磚的強度卻大不相同（見表2）。究其原因主要是因為油頁巖作為燃料經高溫燃燒后（一般情況下，溫度均可達到1000℃以上），其中含量較高的硅、鋁離子的活性被充分激發出來，由此得到的燃燒后的油頁巖渣具有較高的活性。而油頁巖煉油時，經歷的溫度最高只有600℃，其中的碳質得不到充分燃燒，油頁巖中的有機物質得不到完全揮發，其中的活性沒有被完全激發出來所致。

圖1 油頁巖燃燒渣

圖2 油頁巖干餾渣

表1 茂名干餾頁巖渣和燃燒頁巖渣的化學成分

表2 燃燒渣和干餾渣制取的實心磚的強度比較

3 試驗研究

3.1 試驗用原材料

試驗中的主要原材料分別是茂名市上個世紀50年代煉油后的頁巖渣（見圖2）；茂名市熱電廠排放的粉煤灰；茂名市的高嶺土尾礦砂以及茂名市油城牌水泥有限公司制作的水泥。

3.2 試驗結果

為了充分了解影響干餾頁巖渣磚強度的因素，本課題組分別通過改變磚混合料中水泥的比例、活化劑的比例；油頁巖渣的顆粒級配；對制取的磚進行蒸煮等方法制取免燒實心磚，每種混合料制取5～8塊磚，試驗結果見表3至表6。

表3是保持磚混合料中的石灰、粉煤灰、活化劑等比例不變，只改變水泥所占比例，增加水泥比例的同時，減少頁巖渣比例制取的免蒸免燒油頁巖渣磚強度的比較。從表3中可以看出，隨著水泥比例的增加，油頁巖渣磚的抗拉強度和抗壓強度都有所提高，水泥含量每增加5%，抗壓強度就能增加約20%，抗拉強度增加約10%。但是即使當水泥比例增加到30%，用此種方法制取的油頁巖渣磚的強度也不能滿足國家標準。

表3 混合不同比例的水泥的干餾渣磚的強度比較

表4是保持磚混合料中的水泥、石灰、粉煤灰等比例不變，只改變活化劑所占比例，增加活化劑比例的同時，減少頁巖渣比例制取的免蒸免燒油頁巖渣磚強度的比較。從表4中可以看出，隨著活化劑比例的增加，油頁巖渣磚的強度增加得非常緩慢，活化劑價格較高，由此可見增加活化劑并不是一種可取的方法。

表4 加入不同比例的活化劑后干餾渣磚的強度比較

表5是混合料中各種材料的比例保持不變，只是將配料中的干餾渣分為兩組，其中一組干餾渣經過球磨后過12目或8目的篩子；另一組干餾渣不經球磨直接過12目或8目的篩子。從表5中可以看出，經過球磨的干餾渣磚的強度較沒有處理的干餾渣磚的強度有明顯提高，抗壓強度提高50%以上；抗折強度提高約20%。

表5 頁巖渣磨細與不磨細并經不同目數的篩子處理

表6是用同樣配比的混合料制取出的12塊免蒸免燒干餾渣磚。將制取的磚分為兩組，其中一組磚放在蒸煮箱中蒸煮近1個小時，兩組磚用同樣的方法養護30天后的強度比較。從表6中可以看出，經過蒸煮的磚的強度有所提高，抗壓強度可以提高約20%，抗折強度提高約10%。

表6 蒸煮過和沒有蒸煮過的干餾渣磚的強度比較

從表3至表6可以看出，雖然通過增加水泥比例、磨細并改變油頁巖渣顆粒級配、蒸煮制取的油頁巖渣磚等方法，都可以提高油頁巖渣磚的抗壓和抗折強度，尤其是油頁巖渣經過球磨，其制取的磚的強度更有大幅提高，但是，在試驗中我們發現，通過以上方法（水泥比例20%）制取的磚的最好抗壓強度也不足10MPa，抗折強度不足2.5MPa，仍然不能滿足國家標準要求。

為了制取出強度滿足國家標準的干餾渣磚，本課題組對干餾渣本身的殘留熱值進行了實驗研究，發現茂名干餾渣熱值可以達到2691J/g，也就是說，將干餾渣與煤混合或有其它助燃物的話，這種干餾渣可以燃燒。

為此，本課題組取干餾渣（大約可以制取15塊磚的量）分為三組，其中第一組混雜少許煤，將第一組和第二組分別放置于一個支起來的鐵制篩子上，鐵篩子下面放上點著的木材，直到將干餾渣引燃基本燒盡。表7是以上三組干餾渣經過球磨、過12目篩子，如前一樣制取的免蒸免燒干餾渣磚以及免蒸免燒燃燒渣磚的強度比較。

表7 二次燃燒后的干餾渣磚與沒有二次燃燒的干餾渣磚的強度比較

從表7中可以看出二次燃燒的干餾渣（加煤）和燃燒渣制取的免蒸免燒磚的抗壓強度及抗折強度相差無幾，這就說明了干餾渣經過二次充分燃燒后，完全可以等同于燃燒渣一樣得到充分利用；二次燃燒的干餾渣磚（不加煤）的抗壓強度、抗折強度也有很大提高，可提高60%以上，但是較加煤燃燒后的干餾渣磚的強度低，分析其原因，是因為加煤后一方面干餾渣可以得到更充分的燃燒，其活性激發更充分，另一方面煤燃燒后的灰渣經磨細有更大的強度所致。

4 結論

通過以上試驗研究得到以下結論：

⑴干餾渣不能直接用于制取有足夠強度的免蒸免燒實心磚；

⑵油頁巖渣經磨細可以大大改變免蒸免燒油頁巖渣實心磚的強度，油頁巖渣的顆粒級配也是影響油頁巖渣磚強度的一個重要因素；

⑶干餾渣可以二次燃燒，所以干餾渣可以作為低品質燃料；

⑷二次燃燒（加煤）后的干餾渣可以制取免蒸免燒高強度實心磚，由此可以推斷，二次燃燒（加煤）后的干餾渣也可作為制作高強度水泥的熟料或混合料。●

[1]穆建春，李勝強，習會峰，等.利用油頁巖廢渣制備墻體磚的研究[J].新型建筑材料，2010（2）：48-50.

[2]穆建春，李勝強，習會峰，等.大摻量油母頁巖渣制造水泥的研究及應用[J].中國水泥，2009（3）：65-67.

[3]穆建春，王志剛，等.茂名干餾頁巖渣有效利用途徑的探討[J].新型建筑材料，2014（11）：76-78.

廣東省科技計劃項目（2007B03100017 2012B031000023）