唐靖炎 張韜
（蘇州中材非金屬礦工業設計研究院，國家非金屬礦深加工工程技術研究中心，江蘇蘇州 215004）
摘要 中國以獨特而豐富的與煤***伴生的高嶺土資源（煤系高嶺土） 著稱於世。 估計儲量為110×108t，探明儲量17×108t。分布在中國東北、西北等主要產煤區。煤系高嶺土的開發利用，不僅可以解決中國優質高嶺土資源的匱乏，使得中國成為世界第壹大高嶺土資源國，而且使以往作為煤矸石而排放的煤系高嶺土資源獲得了開發利用。因此，中國煤系高嶺土的規模化加工利用具有重大的社會與經濟意義。
煤系高嶺土的加工利用在中國經過近15年的技術攻關、裝備開發，解決了“加工工藝流程”、“綜合除雜提純”、“高濃度濕法超細粉碎”、“強力粉碎幹燥”、“強化氣氛動態煆燒”等關鍵工藝技術難題，研制出“系列濕法超細磨機”、“高壓壓濾機”、“強力幹燥機”、“直接或間接加熱高溫回轉煆燒窯”等關鍵裝備，填補了國際、國內煤系高嶺土工藝技術與裝備的空白，使得中國的煤系高嶺土加工已達到30×104t/a的產業規模，並快速發展。
煤系高嶺土產品廣泛應用於造紙、塑料、橡膠、塗料等多個領域。據預測，2010年中國煤系高嶺土產品的國內需求量將達92×104t，國際市場需求量更大。
關鍵詞 煤系高嶺土；煆燒高嶺土；加工利用現狀；發展前景。
第壹作者簡介：唐靖炎，教授級高工，國家註冊咨詢工程師，蘇州中材非金屬礦工業設計研究院院長，國家非金屬礦深加工工程技術研究中心主任。
壹、引言
煤系高嶺土原料經過煆燒純化等深加工工藝處理，產品以其散射力強、油墨吸附性能好、活性和白度高、電絕緣性能和熱穩定性能好、孔隙率和遮蓋率高、容重小等優點而在造紙、塗料、橡塑行業廣泛應用。近年隨著國民經濟的快速發展，煆燒高嶺土各類產品的需求量越來越大，我國煤系高嶺土的開發利用技術和生產應用的規模也隨之迅速發展起來。
二、資源現狀
煤系高嶺土是中國獨具特色、有廣闊利用前景的重要的非金屬礦產資源。我國煤系高嶺土在地質時代上從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-二疊系煤系中分布最廣、厚度大、質量好、儲量可觀、開發應用價值大。目前，在我國東北、西北、西南地區的較大的煤礦區，企業已經在對本地區的煤系高嶺土資源進行開發利用，如內蒙古呼和浩特、山西大同、吉林白山、安徽淮北、陜西浦白等地，部分地區已形成較大的開發規模和經濟效益。
中國的高嶺土資源分為硬質高嶺土、軟質高嶺土、砂質高嶺土三種原料類型和熱液蝕變型、風化殘積型、風化淋積型、河湖海灣沈積型、含煤建造沈積型等成因類型。軟質和砂質水洗高嶺土資源儲量4.6×108t，占世界儲量的3.9%，居世界第9位。煤系高嶺土估計儲量在112×108t左右，其中探明儲量為16.7×108t，包括煤炭開采和加工過程中的作為煤矸石排棄的煤系高嶺土。據統計，目前煤炭開采加工排棄的煤矸石累計約30×108t，占地1.2×108t hm2，是我國目前排放量最大的工業固體廢棄物。煤矸石中約30%為高嶺土含量在80%以上的煤系高嶺土。因此，如果將煤系高嶺土計算在內，中國各類高嶺土資源探明儲量約30×108t，位居世界第壹位。
三、加工技術與裝備現狀
蘇州中材非金屬礦工業設計研究院（以下簡稱蘇非院）暨國家非金屬礦深加工工程技術研究中心（以下簡稱非礦工程中心），通過國家“八五”、“九五”、“十五”科技攻關項目以及科技部專項研究開發項目的支持，研發了超細剝片分級技術、不同類型煤系高嶺土煆燒技術與工藝流程、增白煆燒新工藝、綜合除雜技術、強化氣氛動態煆燒技術、高濃度超細粉碎技術、高濃度濕法超細粉碎設備、間接加熱、直接加熱動態煆燒純化設備等，形成了國際領先的規模化煤系高嶺土成套加工技術和設備；同時在國內進行了大量的工程轉化與應用，取得了較好的效果與顯著的經濟和社會效益，已達到約20×104t的生產規模，開發出不同行業應用的系列煆燒高嶺土產品。
（壹）主要工藝與技術
1.工藝流程
中國非金屬礦業
與傳統工藝流程相比，新工藝流程具有以下壹些特點：
1）普通工藝流程對原料質量的要求較高，壹般要求原料中w（Fe2O3）≤0.5%；w（TiO2）≤0.8%，限制了鐵鈦含量高［w（Fe2O3）≥0.5%；w（TiO2）≥0.8%］的煤系高嶺土原料的利用。該新工藝流程對原料的適應性非常強，可處理目前國內已發現的大部分的煤系高嶺土原礦，並可生產白度大於90%、-2μm含量大於90%的高檔產品，大大提高了煤系高嶺土的利用率（約70%）。
2）該工藝流程為“先磨後燒”工藝，可以解決普通工藝流程存在的燒不透或過燒、產品白度低、超細磨礦效率低、能耗大等問題，可降低生產成本15%以上。
3）該工藝采用了綜合除雜提純技術、高濃度濕法超細粉碎技術、強化氣氛動態煆燒技術，確保了產品的質量指標。
4）該工藝采用了壹系列的煤系高嶺土加工專用設備，如BP系列磨剝機、強力粉碎幹燥機、高壓壓濾機、打散機等，從而保證了整個工藝流程的技術可靠性和穩定性。
2.關鍵技術
1）綜合除雜提純技術。分別采用磁選、重選、化學等方法除去煤系高嶺土原礦中的含鐵含鈦雜質礦物，研究開發出煤系高嶺土除雜提純新加工技術。采用磁選法可以除掉部分含鐵含鈦雜質礦物；煤系高嶺土的密度約2.6g/cm3，含鐵含鈦雜質礦物的密度為3.4～3.8g/cm3，利用兩者間的密度差，在壹定濃度和充分分散的條件下，實現重選分離，除去部分含鐵含鈦雜質礦物；化學除雜法則是采用氧化-還原漂白方法除去部分鐵雜質。經過綜合除雜提純，可使產品的鐵、鈦含量分別降至0.5%和0.8%以下。
2）高濃度濕法超細粉碎技術。通過高強度機械剪切和添加無機、有機混合分散劑，進行高濃度制漿、高濃度超細粉碎，濃度可達50%；比普通技術（制漿濃度約35%）提高15%，大大提高了磨剝設備的工作效率，降低了噸產品生產成本（約5%）。
3）強力粉碎幹燥技術。該技術突破傳統幹燥方式（單壹的加熱幹燥方式），集粉碎與幹燥兩大功能為壹體，在產品幹燥過程中不斷將幹塊料粉碎，壹次作業即可獲得水分含量低於0.5%的粉體，熱效率可達65%，比其他幹燥技術的熱效率提高10%左右。
4）強化氣氛動態煆燒技術。煆燒是獲取高白度、高質量煆燒煤系高嶺土產品的關鍵作業之壹，原料質量、煆燒溫度、煆燒時間、煆燒氣氛是影響煆燒產品白度的主要因素，其中尤以煆燒氣氛控制最為重要。傳統工藝技術壹般采用氧化或還原氣氛靜態煆燒，對原料的鐵鈦含量要求嚴格［w（Fe2O3）≤0.5%，w（TiO2）≤0.8%］，難以加工處理鐵鈦含量較高的原料，且產品在堆放壹段時間後會返黃。氧化氣氛煆燒技術原理是：在煆燒過程中與煤系高嶺土伴生的碳質和有機質經氧化反應生成CO和CO2逸出，煆燒產品白度壹般可提高至80%以上，但同時鐵鈦物質在壹般情況下也發生氧化反應生成FeO、Fe2O3、TiO2（分別呈黑色、磚紅色和黃色），影響產品白度；還原氣氛煆燒則是通過添加煆燒助劑（如氯化物），控制三價鐵的含量來提高產品白度指標，但該類煆燒助劑對設備會產生腐蝕作用，影響煆燒設備的使用壽命。針對以上問題，該技術對煤系高嶺土煆燒技術進行了系統研究，研究開發出先進的強化氣氛動態煆燒技術，可確保煆燒產品白度大於90%，甚至高達94%。強化氣氛動態煆燒技術即采用回轉煆燒窯，通過添加壹種或幾種煆燒助劑（該助劑對煆燒設備無任何腐蝕作用），來控制煆燒氣氛如氧濃度，壹氧化碳濃度、二氧化碳濃度以及其他壹些物質組分的濃度，調節上述各組分在煆燒氣氛中的比例，在壹定的溫度和壓力條件下，使物料中的活性鐵與氣氛中的某些組分如壹氧化碳生成穩定的羰基絡合物——五羰基鐵。在五羰基鐵中，鐵的氧化態為零，所以不顯色。這種特殊絡合物很穩定，在200～800℃、氧化氣氛條件下對用強化氣氛動態煆燒法獲得的高白度煆燒高嶺土產品煆燒4～5 h，產品仍為白色，並不變紅。所以，采用該技術生產出的煆燒高嶺土產品，在常溫下使用或即使在腐蝕性較強的塗料中使用仍能保持穩定而不顯色。
表1 采用不同煆燒技術生產的煤系煆燒高嶺土產品質量對比
註：除煆燒氣氛外，其他條件均相同。
（二）主要加工設備
蘇州中材非金屬礦工業設計研究院和非礦工程中心研制開發了BP-D、BP-S系列磨剝機、高壓壓濾機、QGS強力粉碎幹燥機、打散機、直接加熱、間接加熱回轉煆燒窯等。
1.BP型磨剝機
采用單槽與雙槽兩種串聯加工，不僅在容積上擴大，還對攪拌葉輪和筒體進行了改進，葉輪改為偏心輪，可以產生不等速紊流，增強剪切作用，提高磨剝效率，降低能耗10%左右。BP-80型磨剝機與BP-500型磨剝機主要性能指標參見表2。
表2 BP 型磨剝機的主要性能指標
2.高壓壓濾機
進漿壓力可達3～4MPa，濾餅水分低達28%～32%，大大提高了壓濾工作效率，也減輕了幹燥作業的負荷。
3.QGS系列多功能強力粉碎幹燥機
這是壹種高效節能幹燥設備，集幹燥和粉碎於壹體，熱效率可達65%，比其他幹燥設備的熱效率提高10%左右。
4.打散機
煤系高嶺土經高溫煆燒後會產生燒結團聚現象，解聚的作用是將煆燒過程中形成的部分大顆粒打散，使煆燒產品恢復超細粉狀。在對國外軟質高嶺土煆燒產品加工用打散機進行了消化吸收的基礎上，針對我國煤系高嶺土煆燒產品的特點，對打散機的轉子、傳動裝置等進行了改進，開發出煤系高嶺土煆燒產品解聚設備。目前，該設備除了應用於煤系高嶺土加工，還應用於軟質高嶺土、碳酸鈣、農藥化肥等產品的打散和解聚。
5.回轉窯
為實施煤系高嶺土動態煆燒及強化煆燒氣氛的調節，蘇非院暨非礦工程中心通過引進英國煆燒垃圾用回轉窯爐，並對其進行改進（如傳動裝置，煆燒噴嘴等），使其成為煤系高嶺土煆燒用最佳專用設備。該設備具有以下特點：①動態煆燒，可保證產品質量；②可以控制煆燒氣氛，滿足工藝要求；③連續生產，處理量大；④熱效率高、能耗低；⑤操作簡單，易於控制等。
四、生產現狀
我國工業規模的以煤系高嶺巖為原料的煆燒高嶺土的生產起步於20 世紀90年代，而白度大於90%、-2μm含量大於90%的雙90產品的規模化生產在1998年前後才開始，2001年我國煆燒高嶺土產量達到13×104t。經過十幾年的努力，我國煆燒高嶺土工業已經初具規模。目前，中國生產煆燒高嶺土的廠家約45家，總生產能力達30×104t。設計能力在1×104t以上的企業有15家，在建和擴建萬噸級以上的企業有十多家，主要分布在河北山西、內蒙古、湖北、陜西、河南、山東、安徽等省區。
五、消費市場
（壹）消費市場
煆燒高嶺土目前的主要消費市場是塗料、造紙、橡膠、塑料和陶瓷等，其中油漆塗料和造紙塗料是我國優質煆燒高嶺土最主要的應用領域，分別占國內超細高白度優質高嶺土消費量的60%和30%左右。2006年國內煆燒高嶺土在油漆、造紙、橡膠、塑料中的消費量***達25×104t，其中油漆、塗料消費量是10×104t，塗布紙等消費量是6×104t，橡膠、電瓷、塑料4×104t。
（二）消費價格
國內市場價格，高嶺土原礦每噸銷售價60～120元；產品中，電陶產品300～900元/t；造紙產品450～2000元/t，塗料800～2600元/t，壹般煆燒土1000～2500元/t，1250目煆燒土2000～3000元/t，雙90煆燒土3000～5000元/t。
（三）目標市場
煆燒高嶺土因其獨特的物理性能在造紙、橡膠、電纜、塑料、醫藥中的應用效果非常好，現在這部分市場主要由進口煆燒高嶺土占據，國產煆燒土也有部分在電纜行業得到了應用。煆燒高嶺土的主要應用方向為造紙、電纜、油漆、塗料、橡膠、塑料、醫藥等方面。
表3 2010年中國優質煆燒高嶺土需求預測（104t）
隨著科技的發展，煤系高嶺土正被開發出越來越多的作用。當今世界年產約40×104t催化裂化催化劑，幾乎全是加入以高嶺土為主要組分的“半合成”催化劑。用廢堿和劣質高嶺土合成4?分子篩，既節省了原料成本，又減少了汙染，在環保和經濟效益方面都有十分重要的意義。有機改性的高嶺土，其比表面積增大，對汙染物的吸附、遷移和降解有良好效果。目前國內有機改性土的開發利用還處於起步階段，有機改性高嶺土作為選擇性吸附劑具有相當大的工業應用前景。
（四）國內主要應用領域對優質煆燒高嶺土的需求預測
隨著我國經濟和工業的迅速發展，對優質煆燒高嶺土的市場需求也將迅速增長。預計到2010年，我國煆燒高嶺土產品需求量將達到92×104t。
六、展望
我國非金屬礦“十壹五”發展規劃指出：以先進的技術裝備和生產工藝，提高資源利用率，通過礦物材料的深加工，使資源的價值得到更大發揮，要重點做好煆燒高嶺土等產品的開發。我國能源節約與資源綜合利用“十壹五”規劃指出，實施可持續發展戰略，要求節約資源，保護環境，建立***伴生礦資源綜合利用示範工程；圍繞攻克高嶺土超細、增白、改性復合等技術難點，組織壹批綜合利用深加工項目，對煤系***伴生資源進行深加工和利用。國家經貿委《煤矸石綜合利用技術政策要點》指出煤矸石綜合利用技術以鞏固、推廣為主，完善、開發並舉。鞏固已有的技術成果，推廣技術成熟、經濟合理、有市場前景的技術，逐步完善比較成熟的技術，研究開發新技術，積極引進國外先進技術和裝備，在消化吸收的基礎上努力創新，不斷提高煤矸石綜合利用的技術裝備水平，促進煤矸石的擴大利用。國務院關於做好建設節約型社會近期重點工作的通知中再次強調推進廢物綜合利用，要以煤礦瓦斯利用為重點，推進***伴生礦產資源的綜合開發利用。以粉煤灰、煤矸石、尾礦和冶金、化工廢渣及有機廢水綜合利用為重點，推進工業廢物綜合利用，把煤矸石的擴大利用作為資源綜合利用的重點工作，並將煤矸石綜合利用作為壹項長期的技術政策加以鼓勵。我國獨特的煤系高嶺土資源將會有更好的發展前景。
（壹）市場展望
1.造紙行業
造紙工業是煆燒高嶺土的重要用戶，發達國家人均年用紙90 kg左右，1993年我國人均用紙9 kg左右，1996年已達26 kg/人。近年來我國造紙工業正以每年15%的速度遞增。煆燒高嶺土油墨吸收性好，遮蓋率高，可部分代替昂貴的鈦白粉，尤其適合高速刮刀塗布機使用。隨著我國造紙業的發展，產量的擴大以及高速刮刀塗布機的引進，煆燒高嶺土的用量將逐步擴大。
2.中高檔塗料
隨著國民經濟水平的提高，油漆塗料的需求量在不斷增大。世界著名的立邦、ICI塗料公司對煆燒高嶺土的需求正在逐步擴大。由於大公司的樣板和市場競爭的作用，國內的各塗料廠家已越來越多地使用煆燒高嶺土了。煆燒高嶺土用於塗料行業可減少TiO2的用量，使塗膜具有更好的特性，可改善塗料的加工、儲存和應用性能。煆燒高嶺土在塗料中的用量為10%～30%，使用的煆燒高嶺土以-2μm含量為70%～90%為主，目前該行業的年用量4.5×104t·a-1。據權威人士估計，近幾年乳膠漆年產量將達（80～100）×104t，這是煆燒高嶺土的壹個潛在的更大的市場。
3.塑料、橡膠工業
在工程塑料、通用塑料中，煆燒高嶺土的充填量為20%～40%，用作填料和補強劑。煆燒高嶺土用於聚氯乙烯電纜，能改善塑料的電性能。多功能塑料棚膜也是壹個很大的市場。我國的橡膠行業用高嶺土量較大，在橡膠中充填的高嶺土比例從15%至20%不等，煆燒後的高嶺土（包括表面改性）可替代炭黑、白炭黑，生產淺色橡膠制品、輪胎等，具有很好的市場前景，有（5～10）×104t的市場潛力。
總的來說，未來的煆燒高嶺土市場，雖然有碳酸鈣、滑石等礦物的競爭，有可能失去壹些低檔產品市場，但高檔煆燒土因其獨特的物理性能在國際和國內市場上仍具有相當大的競爭力。
（二）技術展望
伴隨煤系煆燒高嶺土產品應用領域的迅速拓展，產業規模不斷擴大，加工工藝的短流程優化，改性改型復合技術與藥劑的完善，生產設備的大型化、系列化，節能降耗，生產線自控與在線檢測與產品標準化的開展，這些將促進煤系煆燒高嶺土產業健康發展，為我國***伴生非金屬礦資源的高效開發利用走出壹條創新之路。
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.