一种生产小粒径低密度陶粒支撑剂的方法和装置与流程

本发明一种生产小粒径低密度陶粒支撑剂的方法和装置，属于陶粒支撑剂生产技术领域。

背景技术：

美国页岩气开发的经验表明：增产技术尤其是水平井压裂技术，对于页岩气的开发是至关重要的。2000年开始大规模采用清水压裂〈又称减阻水压裂〉，比凝胶液压裂成本更低，而增产效果更佳。许多经营者将清水压裂视为页岩气技术发展史上最重要的革命。除了成本优势外，减阻水能在高排量下泵入大量水和少量支撑剂，可携带支撑剂进入更深的裂缝网络，从而形成更大的裂缝网络和泄气面积，2012年已成为压裂作业的标准做法。对于减阻水压裂液，通常采用低密度小粒径（40/70目）支撑剂，对于天然裂缝发育的页岩地层需考虑更小粒径（70-140目）支撑剂。这是因为在减阻水中支撑剂的传送性能较差，采用低密度小粒径会在一定程度上改善悬浮性能，同时也能得到较高的导流能力。

铜矿在我国是一个主要矿种，每年都有大量的铜矿被开采和冶炼，同时也排出大量的铜尾矿。尾矿堆放造成大量的环境污染，严重的资源浪费，高额的堆放成本，并且容易引发安全问题。合理利用铜尾矿，不仅是对资源的节约，更是对环境的保护，并且具有很高的经济效益和社会效益。通过对铜尾矿的化学成份分析，其中sio2含量大于60%，可有效降低陶粒支撑剂的密度；cao、mgo、k2o、na2o等碱金属氧化物的含量大于10%，能显著降低陶粒支撑剂的烧成温度，促进液相形成。

目前陶粒支撑剂的主要原料是铝矾土(al2o3含量大于55%），矿化剂为锰粉、铁粉、白云石、钾长石等。生产分为制粉、制粒和烧成三大工段，主要设备分别为干法球磨机、圆盘制粒机和回转窑。生产工艺流程为：将铝矾土和矿化剂按照配方比例加入球磨机混磨至325-400目，然后进入圆盘制粒机造粒，并根据生产规格进行筛分，筛下小颗粒作为引子继续造粒，筛上大颗粒经打散机打散后继续造粒，筛分好的半成品粒进入烘干窑烘干，然后进入回转窑高温煅烧，然后进入冷却窑冷却，最后进行成品筛分包装。通过这种工艺生产的陶粒支撑剂，密度高，球度好，耐腐蚀，耐高温，耐高压，同时生产工艺相对简单，成本可以得到较好的控制。现有技术中，陶粒支撑剂多采用圆盘制粒锅，一边加料一边加引子，同时喷施雾化水，这种方式需要使用引子进行造粒，工序复杂，生产成本高。

现有的生产技术仍存在一些问题不利于环保、资源综合利用以及陶粒支撑剂的市场需求：

1、噪音和粉尘较大；

2、对原料要求较高，不能使用低铝含量的铝矾土作为原料，现有技术中有关低品铝矾土制陶粒支撑剂的报道，铝矾土中al2o3含量大于45%，不能称之为真正意义上的低铝含量；

3、生产小粒径40/70、70/140目产品时，产量明显降低，其中40/70目半成品的合格率约45%，而70/140目的半成品合格率还不到20%。

现有技术的喷雾干燥塔塔身粗短，塔身中部进泥浆，泥浆向上喷射，顶部进热气，采用先逆流再并流的方式进行干燥，泥浆雾滴直接接触到最高温的热气，表面迅速干燥后再向下掉落，容易形成空壳、空心的陶粒，并且其形成的陶粒为苹果状。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种生产小粒径低密度陶粒支撑剂的方法和装置，该方法充分利用铜尾矿和低品位的铝矾土为原料，生产出的小粒径陶粒支撑剂密度高，球度好，耐腐蚀，耐高温，耐高压，具有良好的社会效益和经济效益。

本发明通过以下技术方案实现：

一种生产小粒径低密度陶粒支撑剂的方法，包括以下步骤：

1）将低铝矾土破碎粉磨至100-200目，所述低铝矾土中，以质量百分含量计，al2o3含量为45-55%。

2）将铜尾矿和粉磨后的低铝矾土按照配方比例混合，制成混合原料，所述混合原料中，以质量百分含量计，铜尾矿与低铝矾土的质量比为：25%-35%：65%-75%；

3）混合原料中加水，送入陶瓷球磨机搅拌湿磨成泥浆，在湿磨的同时加入质量为混合原料0.5%-1%的减水剂和0.2%-0.5%的结合剂；然后将磨好的浆料放入料浆池；

4）采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔对磨好的泥浆进行干燥，同时造粒，制得实心球形颗粒；所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔中泥浆从塔顶向下喷出，热风从塔底进入，从塔顶排出，热风与泥浆雾滴的运动方向相反；

5）将喷雾干燥造粒后的实心球形颗粒进行筛分，选取100-35目的颗粒作为半成品坯球，筛余作为原料加入泥浆；

6）将步骤5）筛分得到的半成品坯球，经烘干窑烘干后，进入回转窑高温煅烧，烧成温度为1300-1450℃，然后进入冷却窑冷却；

7）经过高温煅烧冷却后的陶粒由于烧结会产生收缩，颗粒大小集中在40-140目（高达98%），经过筛分，同时得到40/70和70/140目两种规格产品。

优选地，所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔的高度为内径的4-10倍。

优选地，所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔底部的热风进口温度控制在350℃-400℃，顶部气体出口温度控制在100℃-150℃。

优选地，所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔塔顶部料浆进口处，料浆压力为1.8-2.2mpa，料浆喷片孔径为1.2-1.8mm。

优选地，所述泥浆中固含量为65-75%，每10分钟取样用激光粒度仪检测粒度，粒度为800-2000目。

优选地，所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔经过喷雾造粒得到表面光滑圆球度好的实心球形颗粒，水分含量为6-8%，粒径大小在100目-35目之间的实心球颗粒占比95%以上。

优选地，所述实心球形颗粒还可以作为大粒径陶粒产品的引子，通过圆盘制粒机造粒。

优选地，所述减水剂包括但不限于三聚磷酸钠、六偏磷酸钠中的一种或两种混合物；所述结合剂包括但不限于cmc、糊精中的一种或两种混合物。

一种逆流式压力喷雾干燥造粒塔，包括干燥塔，所述干燥塔上部设置有料浆喷管和料浆喷头，下部设置有出料口，所述干燥塔底部设置有热风进管和热风喷头，顶部设置有出气口；所述热风喷头设置于出料口上方；

所述料浆喷管通过进料泵连接料浆池，所述料浆喷管上设置多个料浆喷头，所述料浆喷头均匀分布于干燥塔内同一水平面上；

所述干燥塔底部为锥形，锥形底部设置有出料口，所述出料口连接出料腔，所述出料腔上部设置有负压抽气管，所述负压抽气管连接有除尘装置，所述负压抽气管上设置有负压抽气泵；

所述热风进管上设置有多个热风喷头，所述热风喷头在干燥塔内同一水平面上均匀分布；

所述出气口连接有出气管，所述出气管连接除尘装置，所述出气管上设置有负压出气泵。

优选地，所述干燥塔的高度为内径的4-10倍。

优选地，所述除尘装置包括除尘管、风机、布袋除尘器和密封的除尘水槽，所述除尘管连接负压抽气管和出气管，所述除尘管上设置有风机，所述除尘管连接布袋除尘器，所述布袋除尘器出口通过管道通入除尘水槽水面下底部，所述除尘水槽顶部设置排气管和负压泵，所述除尘水槽上部设置溢流管，所述溢流管连接有储水箱。

优选地，所述料浆喷管上设置有流量计。

优选地，所述热风进管上还设置有温度计和压力计。

优选地，所述负压抽气管和出气管上均设置有换热器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1）本发明以低品位铝矾土和铜尾矿为原料，克服了现有技术的瓶颈，充分利用矿产资源和工业尾矿，具有良好的社会效益和经济效益。

2）采用陶瓷球磨机湿法球磨，噪音小，无粉尘，混磨效果好，使多种原料充分混合均匀，产品质量稳定性好，同时可将原料加工至2000目，粒度远远小于现有干法球磨的400目，产品的性能优异。

3）现有技术采用圆盘制粒机造粒，小粒径的颗粒需要作为引子不能作为半成品坯球，在生产小粒径陶粒时，半成品的合格率仅有45%。本发明采用喷雾干燥造粒技术，在干燥泥浆的同时，制成小粒径的半成品坯球，半成品的合格率高达95%，可以直接生产出半成品坯球，节约了工序，降低了生产成本。

4）对于减阻水压裂液，通常采用低密度小粒径（40/70目）支撑剂，对于天然裂缝发育的页岩地层需考虑更小粒径（70-140目）支撑剂，本发明技术与现有技术相比更符合市场需求变化。

5）本方法可同时生产40/70和70/140目两种规格产品。如需生产大粒径的陶粒产品可用一部分喷雾干燥造粒的颗粒作为引子，其余的经打散机打成细粉加入圆盘制粒机造粒即可，灵活方便。

6）本逆流式的喷雾干燥造粒系统结构简单合理，用于将料浆干燥成颗粒状，料浆通过干燥塔内的雾化器喷雾成极细微的雾状液珠，喷雾干燥塔下端的热风进管均匀通入热风，雾状液珠与热气流并流接触，干燥为颗粒状，生成的颗粒成品连续从干燥塔底部出料口进入出料腔，出料腔上部的负压抽气管通过负压抽气泵将细碎颗粒和粉尘送入布袋除尘器，布袋除尘器内的物料可以重复回收使用，提高了物料的利用率，并且减少粉尘带来的空气污染。

附图说明

图1为本发明采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔进行喷雾干燥的示意图。

图2为本发明逆流式压力喷雾干燥造粒塔结构示意图；

图3为本发明料浆喷头结构示意图。

图中，干燥塔1，料浆喷管2，料浆喷头3，出料口5，热风进管6，热风喷头7，出气口8，进料泵9，料浆池10，出料腔11，负压抽气管12，负压抽气泵13，出气管14，负压出气泵15，除尘管16、风机17、布袋除尘器18，除尘水槽19，排气管20，负压泵21，溢流管22，储水箱23，流量计24，温度计25，压力计26，换热器27。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种生产小粒径低密度陶粒支撑剂的方法，包括以下步骤：

1）将低铝矾土破碎粉磨至100-200目；因铜尾矿本身粒度为100-200目，可直接进入下个工段。所述低铝矾土中，以质量百分含量计，al2o3含量为45-55%。

2）将铜尾矿和粉磨后的低铝矾土按照配方比例混合，制成混合原料，所述混合原料中，以质量百分含量计，铜尾矿与低铝矾土的质量比为：25%-35%：65%-75%；

3）混合原料中加水，送入陶瓷球磨机搅拌湿磨成泥浆，在湿磨的同时加入质量为混合原料0.5%-1%的减水剂和0.2%-0.5%的结合剂；然后将磨好的浆料放入料浆池。

所述泥浆中固含量为65-75%，每10分钟取样用激光粒度仪检测粒度，控制泥浆粒度为800-2000目。

所述减水剂用于减少陶粒中的水分含量，利于陶粒的烘干成型。所述减水剂包括但不限于三聚磷酸钠、六偏磷酸钠中的一种或两种混合物，所述减水剂还可以是木质素系减水剂、三聚氰胺系高效减水剂或聚羧酸减水剂中的一种或多种混合物。

所述结合剂包括但不限于cmc、糊精中的一种或两种混合物，提高泥浆的结合强度，有效增强成品陶粒的强度。

湿磨制粉法制得的泥浆细度更细，泥浆粒度更均匀。

4）采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔对磨好的泥浆进行干燥，同时造粒，制得表面光滑圆球度好的实心球形颗粒；所述实心球形颗粒的水分含量为6-8%，粒径大小在100目-35目之间的实心球颗粒占比95%以上。

如图1所示，所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔中泥浆从塔顶向下喷出，热风从塔底进入，从塔顶排出，热风与泥浆雾滴的运动方向相反；

所述逆流式压力喷雾干燥造粒塔的高度为内径的4-10倍，塔底部的热风进口温度控制在350℃-400℃，顶部气体出口温度控制在100℃-150℃。

塔顶部料浆进口处，料浆压力为1.8-2.2mpa，料浆喷片孔径为1.2-1.8mm。

现有技术中，陶粒支撑剂多采用圆盘制粒锅，一边加料一边加引子，同时喷施雾化水，这种方式需要使用引子进行造粒，工序复杂，生产成本高。而本发明采用喷雾干燥的同时进行造粒，无需造引子，造出的颗粒，合格率高。

现有技术的喷雾干燥塔塔身粗短，塔身中部进泥浆，泥浆向上喷射，顶部进热气，采用先逆流再并流的方式进行干燥，泥浆雾滴直接接触到最高温的热气，表面迅速干燥后再向下掉落，容易形成空壳、空心的陶粒，并且其形成的陶粒为苹果状。

而本发明逆流式喷雾干燥造粒塔中，塔身细长，由于逆流式压力喷雾干燥造粒塔中，热空气向上，雾滴向下，延缓了颗粒和雾滴的下降速度，在干燥室内停留时间长，有利于干燥；同时，泥浆在干燥成粒的过程中，所接触的热风温度由低到高，有利于形成致密的实心球形颗粒，颗粒近球形，并且不会因干燥温度过高，水分蒸发速率过快而形成表面硬壳、内部空心的颗粒。

5）将喷雾干燥造粒后的实心球形颗粒进行筛分，选取100-35目的颗粒作为半成品坯球，筛余作为原料加入泥浆；

6）将步骤5）筛分得到的半成品坯球，经烘干窑烘干后，进入回转窑高温煅烧，烧成温度为1300-1450℃，然后进入冷却窑冷却；

7）经过高温煅烧冷却后的陶粒由于烧结会产生收缩，颗粒大小集中在40-140目的陶粒高达98%，经过筛分，同时得到40/70和70/140目两种规格产品。

8）如需生产大粒径的陶粒产品时，将步骤4）得到的实心球形颗粒作为大粒径陶粒产品的引子，其余的经打散机打成细粉，通过圆盘制粒机造粒，灵活方便。

实施例1

铜尾矿和低铝矾土的化学组成含量及其质量百分比如下：

制备方法如下：

1、将低铝矾土破碎粉磨至100目；

2、将粉磨后的低铝矾土和铜尾矿原料按照配方比例加水进入陶瓷球磨机搅拌湿磨成泥浆，在湿磨的同时加入0.3%的三聚磷酸钠、0.3%的六偏磷酸钠和0.2%的cmc；使得泥浆固含量为68%，粒度达到1000目；然后将磨好的浆料放入料浆池。

3、采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔对磨好的泥浆进行干燥同时造粒，其中，热风进口温度控制在380℃，出口温度控制在110℃；料浆压力为2mpa，喷片孔径为1.5mm。经过筛分取35目-100目的颗粒作为半成品。

4、将喷雾干燥造粒后的半成品坯球经烘干后进入回转窑高温煅烧，烧成温度为1380℃。

5、冷却后经过筛分可同时得到40/70和70/140目两种规格产品。

实施例2

铜尾矿和低铝矾土的化学组成及其质量百分比如下：

制备方法如下：

1、将低铝矾土破碎粉磨至100目；

2、将粉磨后的低铝矾土和铜尾矿原料按照配方比例加水进入陶瓷球磨机搅拌湿磨成泥浆，在湿磨的同时加入0.4%的三聚磷酸钠、0.4%的六偏磷酸钠和0.3%的cmc；使得泥浆固含量为70%，粒度达到1200目；然后将磨好的浆料放入料浆池。

3、采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔对磨好的泥浆进行干燥同时造粒，其中，热风进口温度控制在360℃，出口温度控制在120℃；料浆压力为1.8mpa，喷片孔径为1.8mm。经过筛分取35目-100目的颗粒作为半成品。

4、将喷雾干燥造粒后的半成品坯球经烘干后进入回转窑高温煅烧，烧成温度为1350℃。

5、冷却后经过筛分可同时得到40/70和70/140目两种规格产品。

实施例3

铜尾矿和低铝矾土的化学组成及其质量百分比如下：

制备方法如下：

1、将低铝矾土破碎粉磨至100目；

2、将粉磨后的低铝矾土和铜尾矿原料按照配方比例加水进入陶瓷球磨机搅拌湿磨成泥浆，在湿磨的同时加入0.5%的三聚磷酸钠、0.5%的六偏磷酸钠和0.5%的糊精；使得泥浆固含量为75%，粒度达到1500目；然后将磨好的浆料放入料浆池。

3、采用逆流式压力喷雾干燥造粒塔对磨好的泥浆进行干燥同时造粒，其中，热风进口温度控制在400℃，出口温度控制在130℃；料浆压力为2mpa，喷片孔径为1.8mm。经过筛分取35目-100目的颗粒作为半成品。

4、将喷雾干燥造粒后的半成品坯球经烘干后进入回转窑高温煅烧，烧成温度为1320℃。

5、冷却后经过筛分可同时得到40/70和70/140目两种规格产品。

实施例1-3与现有40/70目低密陶粒性能对比，如表1所示

表1

实施例1-3中70/140目低密陶粒性能，如表2所示

表2

一种逆流式压力喷雾干燥造粒塔，如图2-3所示，包括干燥塔1，所述干燥塔1上部设置有料浆喷管2和料浆喷头3，下部设置有出料口5，所述干燥塔底部设置有热风进管6和热风喷头7，顶部设置有出气口8；所述热风喷头7设置于出料口8上方；

所述料浆喷管2通过进料泵9连接料浆池10，所述料浆喷管2上设置多个料浆喷头3，所述料浆喷头3均匀分布于干燥塔1内同一水平面上；

所述干燥塔1底部为锥形，锥形底部设置有出料口5，所述出料口5连接出料腔11，所述出料腔11上部设置有负压抽气管12，所述负压抽气管12连接有除尘装置，所述负压抽气管12上设置有负压抽气泵13；

所述热风进管6上设置有多个热风喷头7，所述热风喷头7在干燥塔1内同一水平面上均匀分布；

所述出气口8连接有出气管14，所述出气管14连接除尘装置，所述出气管14上设置有负压出气泵15。

优选地，所述干燥塔1的高度为内径的4-10倍。

优选地，所述除尘装置包括除尘管16、风机17、布袋除尘器18和密封的除尘水槽19，所述除尘管16连接负压抽气管12和出气管14，所述除尘管16上设置有风机17，所述除尘管16连接布袋除尘器18，所述布袋除尘器18出口通过管道通入除尘水槽19水面下底部，所述除尘水槽19顶部设置排气管20和负压泵21，所述除尘水槽19上部设置溢流管22，所述溢流管连接有储水箱23。

优选地，所述料浆喷管2上设置有流量计24。

优选地，所述热风进管6上还设置有温度计25和压力计26。

优选地，所述负压抽气管12和出气管14上均设置有换热器27。

实际生产中，料浆通过干燥塔内的雾化器喷雾成极细微的雾状液珠，喷雾干燥塔下端的热风进管均匀通入热风，雾状液珠与热气流并流接触，干燥为颗粒状，生成的颗粒成品连续从干燥塔底部出料口进入出料腔，出料腔上部的负压抽气管通过负压抽气泵将细碎颗粒和粉尘送入布袋除尘器。

利用风机将出料仓和出气口的灰尘吸入布袋除尘箱体，与此同时，经过布袋除尘器除尘后的气体进入除尘水槽进一步除尘，如此，层层过滤，将过滤效果达到最优化之后将净化后的空气排出。布袋除尘器内的粉状物料进行进一步回收利用，提高了物料的利用率，并且减少粉尘带来的空气污染。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。