中国煤系高岭土加工利用现状与发展
唐靖炎 张韬
（苏州中材非金属矿工业设计研究院，国家非金属矿深加工工程技术研究中心，江苏苏州 215004）
摘要 中国以独特而丰富的与煤***伴生的高岭土资源（煤系高岭土） 著称于世。 估计储量为110×108t，探明储量17×108t。分布在中国东北、西北等主要产煤区。煤系高岭土的开发利用，不仅可以解决中国优质高岭土资源的匮乏，使得中国成为世界第一大高岭土资源国，而且使以往作为煤矸石而排放的煤系高岭土资源获得了开发利用。因此，中国煤系高岭土的规模化加工利用具有重大的社会与经济意义。
煤系高岭土的加工利用在中国经过近15年的技术攻关、装备开发，解决了“加工工艺流程”、“综合除杂提纯”、“高浓度湿法超细粉碎”、“强力粉碎干燥”、“强化气氛动态煅烧”等关键工艺技术难题，研制出“系列湿法超细磨机”、“高压压滤机”、“强力干燥机”、“直接或间接加热高温回转煅烧窑”等关键装备，填补了国际、国内煤系高岭土工艺技术与装备的空白，使得中国的煤系高岭土加工已达到30×104t/a的产业规模，并快速发展。
煤系高岭土产品广泛应用于造纸、塑料、橡胶、涂料等多个领域。据预测，2010年中国煤系高岭土产品的国内需求量将达92×104t，国际市场需求量更大。
关键词 煤系高岭土；煅烧高岭土；加工利用现状；发展前景。
第一作者简介：唐靖炎，教授级高工，国家注册咨询工程师，苏州中材非金属矿工业设计研究院院长，国家非金属矿深加工工程技术研究中心主任。
一、引言
煤系高岭土原料经过煅烧纯化等深加工工艺处理，产品以其散射力强、油墨吸附性能好、活性和白度高、电绝缘性能和热稳定性能好、孔隙率和遮盖率高、容重小等优点而在造纸、涂料、橡塑行业广泛应用。近年随着国民经济的快速发展，煅烧高岭土各类产品的需求量越来越大，我国煤系高岭土的开发利用技术和生产应用的规模也随之迅速发展起来。
二、资源现状
煤系高岭土是中国独具特色、有广阔利用前景的重要的非金属矿产资源。我国煤系高岭土在地质时代上从晚古生代到新生代各主要聚煤期的煤系中均有分布，而以晚古生代石炭-二叠系煤系中分布最广、厚度大、质量好、储量可观、开发应用价值大。目前，在我国东北、西北、西南地区的较大的煤矿区，企业已经在对本地区的煤系高岭土资源进行开发利用，如内蒙古呼和浩特、山西大同、吉林白山、安徽淮北、陕西浦白等地，部分地区已形成较大的开发规模和经济效益。
中国的高岭土资源分为硬质高岭土、软质高岭土、砂质高岭土三种原料类型和热液蚀变型、风化残积型、风化淋积型、河湖海湾沉积型、含煤建造沉积型等成因类型。软质和砂质水洗高岭土资源储量4.6×108t，占世界储量的3.9%，居世界第9位。煤系高岭土估计储量在112×108t左右，其中探明储量为16.7×108t，包括煤炭开采和加工过程中的作为煤矸石排弃的煤系高岭土。据统计，目前煤炭开采加工排弃的煤矸石累计约30×108t，占地1.2×108t hm2，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物。煤矸石中约30%为高岭土含量在80%以上的煤系高岭土。因此，如果将煤系高岭土计算在内，中国各类高岭土资源探明储量约30×108t，位居世界第一位。
三、加工技术与装备现状
苏州中材非金属矿工业设计研究院（以下简称苏非院）暨国家非金属矿深加工工程技术研究中心（以下简称非矿工程中心），通过国家“八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目以及科技部专项研究开发项目的支持，研发了超细剥片分级技术、不同类型煤系高岭土煅烧技术与工艺流程、增白煅烧新工艺、综合除杂技术、强化气氛动态煅烧技术、高浓度超细粉碎技术、高浓度湿法超细粉碎设备、间接加热、直接加热动态煅烧纯化设备等，形成了国际领先的规模化煤系高岭土成套加工技术和设备；同时在国内进行了大量的工程转化与应用，取得了较好的效果与显著的经济和社会效益，已达到约20×104t的生产规模，开发出不同行业应用的系列煅烧高岭土产品。
（一）主要工艺与技术
1.工艺流程
中国非金属矿业
与传统工艺流程相比，新工艺流程具有以下一些特点：
1）普通工艺流程对原料质量的要求较高，一般要求原料中w（Fe2O3）≤0.5%；w（TiO2）≤0.8%，限制了铁钛含量高［w（Fe2O3）≥0.5%；w（TiO2）≥0.8%］的煤系高岭土原料的利用。该新工艺流程对原料的适应性非常强，可处理目前国内已发现的大部分的煤系高岭土原矿，并可生产白度大于90%、-2μm含量大于90%的高档产品，大大提高了煤系高岭土的利用率（约70%）。
2）该工艺流程为“先磨后烧”工艺，可以解决普通工艺流程存在的烧不透或过烧、产品白度低、超细磨矿效率低、能耗大等问题，可降低生产成本15%以上。
3）该工艺采用了综合除杂提纯技术、高浓度湿法超细粉碎技术、强化气氛动态煅烧技术，确保了产品的质量指标。
4）该工艺采用了一系列的煤系高岭土加工专用设备，如BP系列磨剥机、强力粉碎干燥机、高压压滤机、打散机等，从而保证了整个工艺流程的技术可靠性和稳定性。
2.关键技术
1）综合除杂提纯技术。分别采用磁选、重选、化学等方法除去煤系高岭土原矿中的含铁含钛杂质矿物，研究开发出煤系高岭土除杂提纯新加工技术。采用磁选法可以除掉部分含铁含钛杂质矿物；煤系高岭土的密度约2.6g/cm3，含铁含钛杂质矿物的密度为3.4～3.8g/cm3，利用两者间的密度差，在一定浓度和充分分散的条件下，实现重选分离，除去部分含铁含钛杂质矿物；化学除杂法则是采用氧化-还原漂白方法除去部分铁杂质。经过综合除杂提纯，可使产品的铁、钛含量分别降至0.5%和0.8%以下。
2）高浓度湿法超细粉碎技术。通过高强度机械剪切和添加无机、有机混合分散剂，进行高浓度制浆、高浓度超细粉碎，浓度可达50%；比普通技术（制浆浓度约35%）提高15%，大大提高了磨剥设备的工作效率，降低了吨产品生产成本（约5%）。
3）强力粉碎干燥技术。该技术突破传统干燥方式（单一的加热干燥方式），集粉碎与干燥两大功能为一体，在产品干燥过程中不断将干块料粉碎，一次作业即可获得水分含量低于0.5%的粉体，热效率可达65%，比其他干燥技术的热效率提高10%左右。
4）强化气氛动态煅烧技术。煅烧是获取高白度、高质量煅烧煤系高岭土产品的关键作业之一，原料质量、煅烧温度、煅烧时间、煅烧气氛是影响煅烧产品白度的主要因素，其中尤以煅烧气氛控制最为重要。传统工艺技术一般采用氧化或还原气氛静态煅烧，对原料的铁钛含量要求严格［w（Fe2O3）≤0.5%，w（TiO2）≤0.8%］，难以加工处理铁钛含量较高的原料，且产品在堆放一段时间后会返黄。氧化气氛煅烧技术原理是：在煅烧过程中与煤系高岭土伴生的碳质和有机质经氧化反应生成CO和CO2逸出，煅烧产品白度一般可提高至80%以上，但同时铁钛物质在一般情况下也发生氧化反应生成FeO、Fe2O3、TiO2（分别呈黑色、砖红色和黄色），影响产品白度；还原气氛煅烧则是通过添加煅烧助剂（如氯化物），控制三价铁的含量来提高产品白度指标，但该类煅烧助剂对设备会产生腐蚀作用，影响煅烧设备的使用寿命。针对以上问题，该技术对煤系高岭土煅烧技术进行了系统研究，研究开发出先进的强化气氛动态煅烧技术，可确保煅烧产品白度大于90%，甚至高达94%。强化气氛动态煅烧技术即采用回转煅烧窑，通过添加一种或几种煅烧助剂（该助剂对煅烧设备无任何腐蚀作用），来控制煅烧气氛如氧浓度，一氧化碳浓度、二氧化碳浓度以及其他一些物质组分的浓度，调节上述各组分在煅烧气氛中的比例，在一定的温度和压力条件下，使物料中的活性铁与气氛中的某些组分如一氧化碳生成稳定的羰基络合物——五羰基铁。在五羰基铁中，铁的氧化态为零，所以不显色。这种特殊络合物很稳定，在200～800℃、氧化气氛条件下对用强化气氛动态煅烧法获得的高白度煅烧高岭土产品煅烧4～5 h，产品仍为白色，并不变红。所以，采用该技术生产出的煅烧高岭土产品，在常温下使用或即使在腐蚀性较强的涂料中使用仍能保持稳定而不显色。
表1 采用不同煅烧技术生产的煤系煅烧高岭土产品质量对比
注：除煅烧气氛外，其他条件均相同。
（二）主要加工设备
苏州中材非金属矿工业设计研究院和非矿工程中心研制开发了BP-D、BP-S系列磨剥机、高压压滤机、QGS强力粉碎干燥机、打散机、直接加热、间接加热回转煅烧窑等。
1.BP型磨剥机
采用单槽与双槽两种串联加工，不仅在容积上扩大，还对搅拌叶轮和筒体进行了改进，叶轮改为偏心轮，可以产生不等速紊流，增强剪切作用，提高磨剥效率，降低能耗10%左右。BP-80型磨剥机与BP-500型磨剥机主要性能指标参见表2。
表2 BP 型磨剥机的主要性能指标
2.高压压滤机
进浆压力可达3～4MPa，滤饼水分低达28%～32%，大大提高了压滤工作效率，也减轻了干燥作业的负荷。
3.QGS系列多功能强力粉碎干燥机
这是一种高效节能干燥设备，集干燥和粉碎于一体，热效率可达65%，比其他干燥设备的热效率提高10%左右。
4.打散机
煤系高岭土经高温煅烧后会产生烧结团聚现象，解聚的作用是将煅烧过程中形成的部分大颗粒打散，使煅烧产品恢复超细粉状。在对国外软质高岭土煅烧产品加工用打散机进行了消化吸收的基础上，针对我国煤系高岭土煅烧产品的特点，对打散机的转子、传动装置等进行了改进，开发出煤系高岭土煅烧产品解聚设备。目前，该设备除了应用于煤系高岭土加工，还应用于软质高岭土、碳酸钙、农药化肥等产品的打散和解聚。
5.回转窑
为实施煤系高岭土动态煅烧及强化煅烧气氛的调节，苏非院暨非矿工程中心通过引进英国煅烧垃圾用回转窑炉，并对其进行改进（如传动装置，煅烧喷嘴等），使其成为煤系高岭土煅烧用最佳专用设备。该设备具有以下特点：①动态煅烧，可保证产品质量；②可以控制煅烧气氛，满足工艺要求；③连续生产，处理量大；④热效率高、能耗低；⑤操作简单，易于控制等。
四、生产现状
我国工业规模的以煤系高岭岩为原料的煅烧高岭土的生产起步于20 世纪90年代，而白度大于90%、-2μm含量大于90%的双90产品的规模化生产在1998年前后才开始，2001年我国煅烧高岭土产量达到13×104t。经过十几年的努力，我国煅烧高岭土工业已经初具规模。目前，中国生产煅烧高岭土的厂家约45家，总生产能力达30×104t。设计能力在1×104t以上的企业有15家，在建和扩建万吨级以上的企业有十多家，主要分布在河北山西、内蒙古、湖北、陕西、河南、山东、安徽等省区。
五、消费市场
（一）消费市场
煅烧高岭土目前的主要消费市场是涂料、造纸、橡胶、塑料和陶瓷等，其中油漆涂料和造纸涂料是我国优质煅烧高岭土最主要的应用领域，分别占国内超细高白度优质高岭土消费量的60%和30%左右。2006年国内煅烧高岭土在油漆、造纸、橡胶、塑料中的消费量***达25×104t，其中油漆、涂料消费量是10×104t，涂布纸等消费量是6×104t，橡胶、电瓷、塑料4×104t。
（二）消费价格
国内市场价格，高岭土原矿每吨销售价60～120元；产品中，电陶产品300～900元/t；造纸产品450～2000元/t，涂料800～2600元/t，一般煅烧土1000～2500元/t，1250目煅烧土2000～3000元/t，双90煅烧土3000～5000元/t。
（三）目标市场
煅烧高岭土因其独特的物理性能在造纸、橡胶、电缆、塑料、医药中的应用效果非常好，现在这部分市场主要由进口煅烧高岭土占据，国产煅烧土也有部分在电缆行业得到了应用。煅烧高岭土的主要应用方向为造纸、电缆、油漆、涂料、橡胶、塑料、医药等方面。
表3 2010年中国优质煅烧高岭土需求预测（104t）
随着科技的发展，煤系高岭土正被开发出越来越多的作用。当今世界年产约40×104t催化裂化催化剂，几乎全是加入以高岭土为主要组分的“半合成”催化剂。用废碱和劣质高岭土合成4?分子筛，既节省了原料成本，又减少了污染，在环保和经济效益方面都有十分重要的意义。有机改性的高岭土，其比表面积增大，对污染物的吸附、迁移和降解有良好效果。目前国内有机改性土的开发利用还处于起步阶段，有机改性高岭土作为选择性吸附剂具有相当大的工业应用前景。
（四）国内主要应用领域对优质煅烧高岭土的需求预测
随着我国经济和工业的迅速发展，对优质煅烧高岭土的市场需求也将迅速增长。预计到2010年，我国煅烧高岭土产品需求量将达到92×104t。
六、展望
我国非金属矿“十一五”发展规划指出：以先进的技术装备和生产工艺，提高资源利用率，通过矿物材料的深加工，使资源的价值得到更大发挥，要重点做好煅烧高岭土等产品的开发。我国能源节约与资源综合利用“十一五”规划指出，实施可持续发展战略，要求节约资源，保护环境，建立***伴生矿资源综合利用示范工程；围绕攻克高岭土超细、增白、改性复合等技术难点，组织一批综合利用深加工项目，对煤系***伴生资源进行深加工和利用。国家经贸委《煤矸石综合利用技术政策要点》指出煤矸石综合利用技术以巩固、推广为主，完善、开发并举。巩固已有的技术成果，推广技术成熟、经济合理、有市场前景的技术，逐步完善比较成熟的技术，研究开发新技术，积极引进国外先进技术和装备，在消化吸收的基础上努力创新，不断提高煤矸石综合利用的技术装备水平，促进煤矸石的扩大利用。国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知中再次强调推进废物综合利用，要以煤矿瓦斯利用为重点，推进***伴生矿产资源的综合开发利用。以粉煤灰、煤矸石、尾矿和冶金、化工废渣及有机废水综合利用为重点，推进工业废物综合利用，把煤矸石的扩大利用作为资源综合利用的重点工作，并将煤矸石综合利用作为一项长期的技术政策加以鼓励。我国独特的煤系高岭土资源将会有更好的发展前景。
（一）市场展望
1.造纸行业
造纸工业是煅烧高岭土的重要用户，发达国家人均年用纸90 kg左右，1993年我国人均用纸9 kg左右，1996年已达26 kg/人。近年来我国造纸工业正以每年15%的速度递增。煅烧高岭土油墨吸收性好，遮盖率高，可部分代替昂贵的钛白粉，尤其适合高速刮刀涂布机使用。随着我国造纸业的发展，产量的扩大以及高速刮刀涂布机的引进，煅烧高岭土的用量将逐步扩大。
2.中高档涂料
随着国民经济水平的提高，油漆涂料的需求量在不断增大。世界著名的立邦、ICI涂料公司对煅烧高岭土的需求正在逐步扩大。由于大公司的样板和市场竞争的作用，国内的各涂料厂家已越来越多地使用煅烧高岭土了。煅烧高岭土用于涂料行业可减少TiO2的用量，使涂膜具有更好的特性，可改善涂料的加工、储存和应用性能。煅烧高岭土在涂料中的用量为10%～30%，使用的煅烧高岭土以-2μm含量为70%～90%为主，目前该行业的年用量4.5×104t·a-1。据权威人士估计，近几年乳胶漆年产量将达（80～100）×104t，这是煅烧高岭土的一个潜在的更大的市场。
3.塑料、橡胶工业
在工程塑料、通用塑料中，煅烧高岭土的充填量为20%～40%，用作填料和补强剂。煅烧高岭土用于聚氯乙烯电缆，能改善塑料的电性能。多功能塑料棚膜也是一个很大的市场。我国的橡胶行业用高岭土量较大，在橡胶中充填的高岭土比例从15%至20%不等，煅烧后的高岭土（包括表面改性）可替代炭黑、白炭黑，生产浅色橡胶制品、轮胎等，具有很好的市场前景，有（5～10）×104t的市场潜力。
总的来说，未来的煅烧高岭土市场，虽然有碳酸钙、滑石等矿物的竞争，有可能失去一些低档产品市场，但高档煅烧土因其独特的物理性能在国际和国内市场上仍具有相当大的竞争力。
（二）技术展望
伴随煤系煅烧高岭土产品应用领域的迅速拓展，产业规模不断扩大，加工工艺的短流程优化，改性改型复合技术与药剂的完善，生产设备的大型化、系列化，节能降耗，生产线自控与在线检测与产品标准化的开展，这些将促进煤系煅烧高岭土产业健康发展，为我国***伴生非金属矿资源的高效开发利用走出一条创新之路。
The Current Situation and Development of Coal-series Kaolin's Processing and utilization in China
Tang Jingyan，Zhang Tao
（Suzhou Zhongcai Design And Research Institute for Non-metallic Minerals Industry，National Research Centre for Further Processing of Non-metallic Minerals，Suzhou Jiangsu 215004，China）
Abstract：China is famous for unique and abundant coal-paragenetic kaolin（coal-series kaolin）resources.The estimated reserves of it amount to 11 billion ton and demonstrated reserves—1.7 billion ton.The coal-series kaolin deposits distribute over the main coalfields in Northeast and Northwest China.The development and utilization of coal-series kaolin can not only solve the problem of deficiency of high quality kaolin resources in China，but also make China the largest country in terms of kaolin resources.Furthermore，the coal-series kaolin，which was cast away in the past as the coal gangue，is now developed and utilized as an optimized resource .The scaled processing and utilization of China’s coal-series kaolin have a significant social and economical significance.
After 15 years of arduous efforts，a set of key engineering and technological problems，such as process flowsheet，comprehensive decontamination and purification，high-concentration wet process ultra-fine grinding，intensive grinding and drying，dynamic calcining under intensified atmosphere etc.，have been solved.A series of key equipment，such as wet process ultrafine grinding mills series，high-pressure filter，intensified dryer，high temperature rotary calcining kiln with direct or indirect firing and so on，was developed and manufactured，filling in a gap in coal-series kaolin processing technology.Now the coal-series kaolin production scale has reached 300 thousand ton a year and is still developing rapidly.
The coal-series kaolin products are widely used in paper making，plastic，rubber and coating industries.It is forecast，that the domestic demand for coal-series kaolin products will reach 920 thousand ton by 2010.And there will be an even greater demand all over the world.With the increase of market demand and higher technical requirement，the coal-series kaolin industry will be developed with each passing day.
Key words：coal-series kaolin，calcined kaolin，current situation of processing and utilization，development perspective.