中国煤系高岭土加工利用现状与发展

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）

摘要：中国以独特而丰富的与煤共伴生的高岭土资源（煤系高岭土）著称于世。估计储量112亿吨，探明储量17亿吨。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的煤系高岭土获得资源优化开发利用。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十五年的技术攻关、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、填补了国际国内加工技术与装备的空白，使得中国的煤系高岭土加工已达到30万吨/年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92万吨，国际市场需求量更大。伴随煤系高岭土产品应用领域的不断拓展，产业规模不断扩大，煤系高岭土加工工艺的短流程化，改性复合技术的完善，加工装备的大型化，生产线自控与在线检测，装备加工产品的标准化等技术进步，将促进中国煤系高岭土产业的健康发展，为共伴生非金属矿产资源的高效开发利用走出一条创新之路。

关键词：煤系高岭土、煅烧高岭土、加工利用现状、发展前景

中国以独特而丰富的煤系高岭土资源著称于世，煤系高岭土原料经过煅烧纯化等深加工工艺处理的煅烧高岭土产品以其散射力强、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，对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

1也随之迅速发展起来。

第一部分资源现状

中国是煤炭资源大国，在分布广、厚度大的含煤岩系中，蕴藏有大量可供同时开采综合利用的与煤共伴生矿产——煤系高岭土。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、西南省份的较大的煤矿区已经在对该地区的煤系高岭土资源进行开发利用，如：内蒙呼和浩特、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。水洗高岭土资源储量4.6亿吨，占世界储量的3.9%，位于世界第9位。而煤系高岭土估计储量在112亿吨，其中探明储量为17亿吨，其中包含煤炭开采和加工过程中的作为煤矸石排弃的煤系高岭土。据统计煤炭开采加工排弃的煤矸石累计30多亿吨，占地1.2亿万公顷，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物。煤矸石中约30%为煤系高岭土。因此将煤系高岭土计算在内，中国各类高岭土资源探明储量约30亿吨，位于世界第一位。

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第二部分加工技术与装备现状

国内有关国家工程技术中心、科研院所、大学及骨干企业在煤系高岭土煅烧新工艺、新技术、新设备的研究开发方面做了大量工作，通过国家“八五”、“九五”、“十五”科技攻关项目以及国家科技部专项研究开发项目的支持，已实现了以不同类型煤系高岭土加工工艺流程、增白煅烧新技术、综合除杂技术、强化气氛动态煅烧技术、高浓度超细粉碎分级技术、湿法超细粉碎设备、间接加热、作者简介：唐靖炎，教授级高工，中国非金属矿工业协会副理事长，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。

直接加热动态煅烧纯化设备等关键技术与设备为核心的国际领先的规模化生产煤系高岭土成套加工技术和设备，已在国内进行了大量的工程转化与应用，已超过30万吨的产业化规模，开发出不同行业应用的系列煅烧高岭土产品，取得了较好的应用效果与显著的经济和社会效益。

主要工艺与技术简介：

1、工艺流程：

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，一般要求原料的Fe2O3≤0.5%；TiO2≤0.8%，限制了铁钛含量高（Fe2O3≥0.5%；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%、-2um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该工艺采用了先进的综合除杂提纯技术、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该工艺采用了先进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：根据煤系高岭土与杂质矿物磁性、活性和密度的不同，针对煤系高岭土加工的特点，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。利用煤系高岭土无磁性，部分含铁含钛杂质矿物如磁铁矿、钛铁矿、菱铁矿等有磁性的特点，采用磁选法可以除掉部分含铁含钛杂质矿物；煤系高岭土的密度为2.6g/cm3左右, 含铁含钛杂质矿物的密度为3.4~3.8 g/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、钛含量分别降低至0.5%和0.8%以下。

②高浓度湿法超细粉碎技术：该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35%左右）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：干燥作业是将压滤作业产品进行烘干，是保证煅烧过程顺利进行的手段之一。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份含量低于0.5％的粉体，热效率可达65%，比其它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（Fe2O3≤0.5%，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它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小时，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。强化气氛动态煅烧技术就是通过调节和控制煅烧气氛，促使原料中的铁在煅烧过程中生成铁的羰基络合物而不显色，从而保证获得高白度的煅烧高岭土产品。

以煤系高岭土为原料采用不同煅烧技术生产煅烧高岭土产品结果对比：

注：除煅烧气氛外，其他条件均相同。

⑤.采用先进的加工设备：该技术中采用了新研制开发的系列磨剥机、高压压滤机、强力粉碎干燥机、打散机、直接加热、间接加热回转煅烧窑等。

新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。

高压压滤机的进浆压力可达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；

新型多功能强力粉碎干燥机集干燥和粉碎于一体，是一种高效节能干燥设备，热效率可达65%，比其它干燥设备的热效率提高10%左右；

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。

为实施煤系高岭土动态煅烧及强化煅烧气氛的调节，通过引进国外回转窑炉，并对其消化吸收，根据煤系高岭土的煅烧特性进行改进（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。

第三部分生产现状

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，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有近45家，总生产能力超过30万吨。设计能力在1万吨以上的企业有15家，在建和扩建万吨级企业有9家，主要分布在山西、内蒙、陕西、河南、山东、安徽等省。

煤系高岭土部分生产企业：

第四部分消费市场

1、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、塑料陶瓷等，其中油漆涂料是我国优质煅烧高岭土最主要的领域，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、塑料中的消费量为25万吨，其中油漆、涂料消费量是15万吨，涂布纸等消费量是6万吨，橡胶、电瓷、塑料4万吨。

2、消费价格

国内市场价格，高岭土原矿每吨销售价180～260元，产品：电陶产品300～900元/吨；造纸产品450～2000元/吨，涂料800～2600元/吨，一般煅烧土1000～2500元/吨，1250目煅烧土2000～3000元/吨，双90煅烧土3000～5000元/吨。

3、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如下：

煅烧高岭土

造纸电缆油漆、涂料橡胶塑料医药其它

（玻纤、工

程复合材

料制品）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40余万吨催化裂化催化剂，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4A分子筛，其方法既节省了原料成本，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吸附剂具有相当大的工业应用前景。

4、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92万吨。

2010年中国优质煅烧高岭土需求预测（万吨）

第五部分展望

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，建立共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，对煤系共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，推进共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。

5.1 市场展望

5.1.1 造纸行业

造纸工业是煅烧高岭土的重要用户，造纸工业的发展已成为衡量一个国家

现代化水平的标志，发达国家人均年用纸90公斤左右，我国当前人均用纸约50公斤左右，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，煅烧高岭土的用量也在逐步扩大。

5.1.2 中高档涂料

随着国民经济水平的提高，对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4.5万吨/年，据估计，2010年我国乳胶漆年产量将达80～100万吨，这是煅烧高岭土的一个潜在的更大的市场。

5.1.3 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％左右，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。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％～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、塑料等，具有很好的市场前景，有20万吨的市场潜力。

总的来说，未来的煅烧高岭土市场，虽然有碳酸钙，滑石等其它矿物材料的竞争，但煤系煅烧高岭土因其独特的性能在国际和国内市场上仍具有相当大的竞争力和广阔的应用空间。

5.2技术展望

伴随煤系煅烧高岭土产品在玻纤、复合材料工业等应用领域的拓展，产业规模不断扩大，产品品种不断增加，其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，生产过程自控与在线检测，产品标准化工作的开展，将促进我国煤系煅烧高岭土产业健康发展，为我国共伴生非金属矿资源的高效开发利用，加快发展循环经济走出一条创新之路。