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煤矸石作为煤矿开采过程中的主要工业固废，其高岭土含量一般在30%–60%之间，杂质主要为碳、石英及铁钛氧化物。采用“三级悬浮预煅烧+回转窑深度煅烧”的联合工艺，可实现煤矸石的高值化资源利用，将其转化为高品质煅烧高岭土。
该工艺的核心在于：先通过三级悬浮窑完成原料的预热、脱杂(除碳、脱水)与初步煅烧，再经回转窑实现深度煅烧与晶型优化，产出适用于造纸、涂料、陶瓷等领域的功能性矿物材料。
一、原料预处理：去除杂质，优化物料特性
由于煤矸石原矿含有较高比例的碳、石英和铁矿物，直接煅烧会导致产品发黑、白度低、活性差，因此必须经过系统预处理，以提高原料纯度与物理性能，这是区别于天然高岭土煅烧的关键环节。
首先，将大块煤矸石(粒径500–1000mm)依次送入颚式破碎机进行粗破，再由圆锥破碎机或反击式破碎机完成中碎，使粒度降至20–50mm，便于后续磨矿作业。破碎后要求粒度均匀，避免过粉碎，减少粉尘产生，中破后物料粒径控制在30mm以内。
随后进行洗选除碳处理。煤矸石中通常含有5%–15%的残留煤，若不除去，煅烧后会使产品颜色变深，严重影响白度。采用跳汰机或重介质分选机进行粗选，结合浮选机进行精选，可有效去除大部分碳质成分，实现除碳率≥90%，确保洗选后物料含碳量≤1%。同时配套建设废水循环系统，实现水资源的有效利用，减少环境污染。
洗选后的物料进入磨矿分级阶段。通过球磨机(干法或湿法)将物料研磨至细粉状态，并配合水力旋流器或旋风分级机进行粒度分级，确保粒径分布均匀。若采用干法磨矿，成品细度需控制在-200目占90%以上(即粒径≤74μm)；若采用湿法磨矿，则需后续通过压滤机脱水，使水分降至20%–25%。
对于干法流程，还需进行预干燥处理，以去除物料中的游离水。使用滚筒干燥机或闪蒸干燥机，将物料水分降至2%以下，干燥温度控制在80℃以内，防止物料因提前受热而发生团聚或结块，影响后续悬浮煅烧的稳定性。
为进一步提高产品白度潜力，在进入煅烧系统前进行磁选预除铁。采用永磁筒式磁选机对物料进行初步除铁，可有效去除Fe₂O₃、Fe₃O₄等强磁性矿物，除铁率不低于60%，使铁含量降至0.8%以下，为后续深度提纯奠定基础。
二、三级悬浮煅烧：预热、脱杂与浅度煅烧一体化
三级悬浮煅烧系统由三个串联的立式煅烧室组成，利用高速热气流使细粉物料呈“悬浮态”运行，与高温烟气逆流接触，传热效率远高于传统回转窑，可达其3–5倍。该阶段主要完成三项核心任务：脱除游离水与部分结晶水、烧除残余碳质、实现高岭土向偏高岭土的初步晶型转变。
物料从一级悬浮窑顶部进入，而来自回转窑的高温烟气(温度800–900℃)则从三级悬浮窑底部通入，形成逆流换热。随着物料逐级下行，温度逐步升高，从三级窑底排出时温度已达700–800℃；烟气则从一级窑顶排出，温度降至300–400℃，可用于预热助燃空气或作为干燥热源，实现能量梯级利用。
在一级悬浮窑(300–400℃)中，主要完成物料中残留游离水的脱除(水分从2%降至0.5%以下)，并烧除少量易挥发的杂质。气流速度控制在10–12m/s，停留时间约3–5秒，确保物料悬浮而不沉降。
进入二级悬浮窑(500–600℃)后，物料中的残余碳被深度燃烧，含碳量从1%进一步降至0.2%以下，避免后续在回转窑内形成焦炭沉积或结圈。此阶段气流速度提高至12–14m/s，停留时间延长至5–8秒，并需实时监测尾气中CO浓度，确保其低于500ppm，表明碳已基本燃尽。
三级悬浮窑(700–800℃)是晶型转变的关键区域。在此温度区间，高岭土发生脱羟反应：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O → Al₂O₃·2SiO₂ + 2H₂O↑，脱除大部分结晶水，脱除率≥80%，生成偏高岭土。同时，部分硅质杂质开始软化。气流速度维持在14–15m/s，停留时间8–10秒，确保反应进行。
关键设备包括三级悬浮窑本体(材质为耐热钢，内衬耐火浇注料)和配套的旋风分离器，用于回收出窑烟气中夹带的细粉并返回系统重新煅烧。运行过程中需严格控制气流速度：速度过低易导致物料沉降堵塞窑体；速度过高则停留时间不足。应通过流量计实时调节，确保系统稳定运行。
三、回转窑深度煅烧：晶型优化与杂质无害化
经三级悬浮窑预煅烧后的物料(偏高岭土，仍含少量未脱除的结晶水及铁钛杂质)进入回转窑，在高温(900–1050℃)、长停留时间(1–2小时)条件下完成深度煅烧，是决定产品白度、活性与纯度的核心环节。
物料由三级悬浮窑排出后(温度700–800℃)，经窑尾布料器均匀送入回转窑高端(窑尾)。回转窑为倾斜安装的圆筒形设备(倾斜角度3°–5°，直径2.5–4m，长度20–30m)，内衬高铝耐火砖，具备良好的耐高温与耐磨性能。窑体以0.5–2转/分钟的速度缓慢回转，物料在重力与窑壁摩擦力作用下向窑头(低端)缓慢移动，实现“边滚动边煅烧”。
加热方式为窑头设燃煤或燃气燃烧器，热烟气从窑头向窑尾流动，与物料逆流接触。窑内温度从窑尾的700℃逐步升至窑头的1050℃，形成合理的温度梯度。
在窑尾段(700–850℃)，完成剩余结晶水的彻底脱除，通过延长停留时间(15–20分钟)，确保结晶水脱除率完成，物料转化为无水高岭土。
窑中段(850–950℃)是晶型优化的关键区域。通过控制升温速率(5–10℃/分钟)，使偏高岭土逐步转化为结构稳定的煅烧高岭土，显著提高其化学活性，适用于造纸填料、涂料等功能性应用。
窑头段(950–1050℃)则实现杂质的无害化处理。通过通入少量煤粉营造弱还原气氛，使Fe₂O₃还原为FeO，后者在后续磁选中更易去除；同时TiO₂保持稳定形态，不影响产品性能。
回转窑排出的高温烟气(800–900℃)首先送入三级悬浮窑作为热源，实现余热回收利用。随后经布袋除尘器(除尘效率≥99.9%)去除粉尘，若原料含硫，则进入脱硫塔脱除SO₂，实现达标排放，粉尘浓度控制在≤10mg/m³。
四、冷却：控温防炸裂，回收热量
煅烧后物料从回转窑窑头排出时温度高达800–1000℃，若直接急冷，会因热应力导致颗粒炸裂，影响产品细度与完整性。因此需采用梯度冷却方式，控制降温速率。
配套多筒冷却机(6–8个冷却筒围绕中心轴旋转)，高温物料进入后与鼓入的冷空气逆流接触，逐步冷却至100℃以下。冷却过程中，空气被加热至300–400℃，作为助燃风返回回转窑燃烧器，显著减少燃料消耗，节能效果达15%–20%。
冷却速率控制在≤50℃/分钟。对于用于涂料或造纸的产品，宜采用缓冷以保持活性；若用于陶瓷领域，可适当加快冷却速率。
五、研磨分级与提纯：优化粒度，深度除杂
冷却后的物料可能存在少量结块，且需进一步提纯以满足高端应用需求。
首先通过锤式破碎机(内衬橡胶，避免铁污染)对冷却后结块(粒径≤50mm)进行粗碎解团，破碎后粒径控制在5mm以内。
随后进行超细研磨，采用气流磨(无介质研磨，避免污染)或陶瓷球磨机(研磨介质为氧化铝球)，将物料研磨至目标细度。例如，造纸填料要求-325目占95%以上(粒径≤44μm)。
研磨后进入精细分级环节，使用气流分级机去除粗颗粒，分级效率≥90%。粗颗粒返回研磨工序重新处理，确保产品粒度分布均匀。
接着进行二次除铁，采用高梯度磁选机(磁场强度1.2–1.5T)，深度去除研磨过程中因设备磨损带入的微量铁杂质。要求铁含量≤0.3%(白度≥85%)；对于高白产品，需进一步降至≤0.1%，白度可达90%以上。
最后进行浮选提纯，使用浮选机配合脂肪酸类捕收剂和NaOH调节pH至8–9，去除石英、长石等硅酸盐杂质，提高Al₂O₃含量。经浮选后，Al₂O₃含量可从30%–35%提高至35%–40%，达到工业级高岭土标准。
六、成品处理：脱水、干燥与包装
若浮选后物料水分较高(20%–30%)，需进行脱水与干燥处理，防止储存过程中吸潮结块。
先通过厢式压滤机脱水，使滤饼水分降至15%–20%；再采用喷雾干燥机(适合超细粉)或滚筒干燥机进行干燥，干燥温度控制在150–200℃，水分控制在0.5%–1%。
干燥后进行质量测试，包括白度(分光光度计测定)、Al₂O₃含量(X射线荧光光谱分析)、粒度分布(激光粒度仪)和水分(烘干法)，确保各项指标符合标准。
合格产品采用内衬PE膜的阀口袋包装(每袋25kg或吨袋)，存放于干燥通风的仓库中，防止受潮。
七、核心优势与关键控制点
该工艺具备显著的技术与经济优势。首先，实现了煤矸石的“变废为宝”，将其转化为高附加值的煅烧高岭土，广泛应用于造纸、涂料、橡胶、陶瓷等领域，有效缓解固废堆存带来的环境压力。其次，能源利用有效：三级悬浮窑利用回转窑尾气余热，冷却机回收热风助燃，综合能耗比传统纯回转窑流程减少25%–30%。此外，由于悬浮煅烧传热均匀，回转窑深度煅烧保障晶型转化，产品白度高、活性好、质量稳定，优于单一设备煅烧工艺。
关键控制点包括：原料除碳率必须≥90%，否则产品易发黑；悬浮窑内气流速度应控制在10–15m/s，确保物料稳定悬浮；回转窑窑头温度不得超过1050℃，防止过烧导致活性丧失；铁含量需控制在≤0.3%，每减少0.1%铁含量，产品白度可提高1%–2个百分点。
通过上述全流程处理，煤矸石得以有效转化为合格的煅烧高岭土产品，兼具环保效益与经济效益，是当前煤系高岭土资源化利用的主流技术路径之一。
