编号：CYYJ00377

篇名：中国煤系高岭土加工利用现状与发展

作者： 唐靖炎 张 韬

关键词： 煤系高岭土、煅烧高岭土、加工利用现状、发展前景

摘要： 本文综述了中国煤系高岭土资源状况、生产消费现状、主要应用领域、深加工技术与装备的现状，分析展望了煤系高岭土未来技术、产品的发展方向与目标市场的需求。

原文： 中国以独特而丰富的煤系高岭土资源注称于世，以煤系高岭土为原料经过煅烧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、陶瓷等日用化工行业广泛应用，近年随着我国经济和工业的高速发展，对高岭土产品的需求越来越大，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。

第一部分  资源现状

    中国是世界煤炭资源大国，在分布广、厚度大的含煤岩系中，蕴藏有大量可供顺便开采、综合利用的共伴生矿产——煤系高岭土，煤系高岭土是中国特有、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煤系高岭土的分布，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、西南一些较大的矿区已经在对该地区的煤系高岭土资源进行开发利用，如：秀山、大同、白山、淮北、兖州等地，有的矿区已形成可观的开发规模和经济效益。这对于当前煤炭企业的产业结构、产品结构调整，无疑是一个新的产业和经济增长点。

    我国优质高岭土资源储量4.6亿吨，居世界储量的3.9%，位于世界第9位，但上述的高岭土资源储量主要以水洗高岭土为主。我国的煤系高岭土估计储量在112亿吨左右，其中探明储量为17亿吨，其中包含煤炭生产和加工过程中排弃的煤矸石中的高岭岩中的含量80%以上的煤系高岭土。因煤炭开采而排弃的煤矸石累计有30多亿吨，占地1.2亿万顷，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物，这部分煤矸石中约50%为极具开发利用价值的煤系高岭土。因此将煤系高岭土计算在内，中国已成为高岭土资源的第一大国。

    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。全国共有高岭土矿点700多处，其中200余处作过地质工作，探明储量超过31亿吨（煤系高岭土17亿吨，非煤系高岭土14.32亿吨）其分布为广东3.09亿吨，福建1.11亿吨，江西0.77亿吨，湖南0.54亿吨，江苏0.37亿吨，东部、西部、中部所占比例分别为25.17%、46.54%和28.27%。

第二部分  加工技术现状

    用煤系高岭土加工煅烧高岭土的关键技术在于超细粉碎和煅烧,目前国内生产煅烧高岭土的原料主要指标要求为：高岭石含量在97%以上、Fe2O3含量不超过0.5%。

    苏州中材非金属矿工业设计研究院暨国家非金属矿深加工工程技术研究中心致力于煤系高岭土煅烧新技术、新工艺、新设备的研究开发和技术辐射，推动我国煅烧高岭土行业的发展。通过国家“八五” 、“九五”科技攻关项目以及2002年度国家科技部专项研究开发项目——高岭土剥片分级技术、不同类型煤系高岭土煅烧技术与工艺流程的研究、煤系高岭土专用设备的研究、煤系高岭土增白煅烧新工艺、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的研究形成了先进的、成套的煤系高岭土加工工艺技术，通过工艺技术发展的带动研制了煤系高岭土加工过程中的关键设备，如高浓度湿法超细粉碎设备、间接加热动态煅烧纯化设备，并开发出了能在多个行业应用的系列化煅烧高岭土产品。这些技术与装备已成功的在国内进行了工程转化与应用，取得了较好的效果与显著的经济和社会效益。

    主要工艺与技术简介：

    1、煤系高岭土加工新工艺流程：

    原矿――粉碎――综合除杂提纯――高浓度湿法超细粉碎――压滤――干燥――打散――强化气氛动态煅烧――解聚――产品

    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%、-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：该技术采用我院暨国家非金属矿深加工工程技术研究中心研究开发的高岭土降粘技术，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：该技术中采用了我院暨国家非金属矿深加工工程技术研究中心研制开发的BP系列磨剥机、高压压滤机、QGS强力粉碎干燥机、打散机、回转煅烧窑等。

    磨剥机在BP-80型的基础上进行了提高，研制出BP-300型、BP-500型、BP-1000型系列磨剥机，除了在容积上进行扩大，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型磨剥机主要功能比较参见下表：

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；

    QGS系列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。我院暨中心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，我院暨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。 

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，而双白度大于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13万吨，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，总生产能力达30万吨，这些生产厂家建厂投资有多有少，多的上亿元，少的200万元左右，多数厂家年产量从数在百吨或几千吨，主要以生产中、低档产品为主，设计能力在1万吨以上的企业有12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。生产高档高档煅烧土的有山西金洋、内蒙三保；生产中档高岭土的有代县喜迪、阳泉精锐、郑州金源；生产低档煅烧土的有大同银河、河南巩义等。 

 

第四部分  消费市场

    1、消费市场

    煅烧高岭土主要消费市场是涂料、造纸、橡胶和塑料陶瓷等，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。2003年国内煅烧高岭土在油漆、造纸、橡胶、塑料中的消费量为20万吨，其中油漆、涂料消费量是10万吨，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60～120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。山西金洋高岭土公司生产的双90煅烧土每吨价格为4000元/吨左右。

    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                  涂料         橡胶    塑料   医药   其它

  铜板纸  白板纸        建筑涂料     其它

  涂布   高档涂布   中高档涂料   汽车漆

    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。

    2005年、2010年中国优质煅烧高岭土需求预测（万吨）

第五部分  展  望

    目前，国家越来越重视我国煤系高岭土行业的发展。我国非金属矿“十五”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。2005年6月30日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。

    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，93年我国人均用纸9公斤左右，96年已达26公斤/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，人们对油漆涂料的需求量在不断增大。无论是大的涂料跨国公司，还是国内的新兴资本，都对这块市场志在必得，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，据权威人士估计，近几年乳胶漆年产量将达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20～40％，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％～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。

    5.2技术展望

    5.2.1  加工工艺的创新

    制约我国煤系高岭土开发的关键是加工技术。煤系高岭土普遍含有铁、钛等着色杂质，过去的加工工艺对原料的要求比较高，这对于占相当大比例的高铁、钛煤系高岭土不能得到充分的应用，很大程度的浪费了资源，苏州中材非金属工业设计研究院的科技攻关成果已经在国内多家煅烧高岭土企业得到了应用，放宽了煅烧高岭土对原料的要求，利用劣质煤系高岭土土也能制备出可以利用的煅烧高岭土产品。该工艺采用先磨后烧工艺路线，克服了普通加工工艺流程存在的产品烧不透或过烧、生产能耗高、生产成本大、产品白度低的缺陷；该工艺采用了强化气氛动态煅烧技术，解决了煤系高岭土深加工开发利用的技术关键，可确保煅烧产品的白度大于90%，且产品不返黄；同时该工艺采用综合除杂提纯技术，扩大了煤系高岭土原矿的适用范围，使一些含铁钛杂质高（Fe₂O₃0.5-5%，TiO₂0.-2%）的煤系高岭土原矿经该工艺技术深加工后，也能生产出高档煅烧煤系高岭土产品。预计在今后的数年内，国内煅烧高岭土企业将大量采用该工艺方案，大大提高了我国煤系高岭土的可利用率，促进煅烧高岭土行业的发展。

    5.2.2 关键设备的改进

    国内煤系高岭土的加工设备很大程度的制约了煅烧高岭土的发展。目前，我国生产优质煅烧高岭土的煅烧设备主要依靠进口，进口一台年产10000吨煅烧高岭土的回转窑需要约1500万人民币，对相当多的企业来说是投资过大。因此，先进的煅烧设备国产化成为非金属矿深加工领域急需解决的问题。苏州中材非金属矿工业设计研究院研制的间接加热动态煅烧纯化窑采用具有自主知识产权的专有技术，已经在山西大同银宇高岭土公司成功应用，生产出双90产品，该煅烧窑具有自动化程度高，生产能力大，单位产品能耗低，白度指标稳定的特点，很好的解决了煅烧设备依靠进口投资过大的问题，促进了煅烧高岭土的发展。

    目前我院正在对该煅烧窑进行技术改进，通过改进可使双90煅烧高岭土产品吨投资成本减小25%，直接吨产品生产成本减小10%。另外，该院研制的BP-300、BP-500型磨剥机，采用大容量、高浓度的高效磨剥方式，提高了超细粉碎的效率，增大了处理能力，也一定程度了减小了设备的投资，该院作为我国非金属矿行业工程转化的基地，具备了完善而先进的煤系高岭土加工技术和设备制造技术。在今后五年内，通过对煅烧设备的研制和工程转化，使所有加工设备全部国产化，形成成熟的成套的国产化的煅烧高岭土加工技术和设备，极大程度的降低投资成本，促进煅烧高岭土行业的发展。