钙镁对煤灰熔渣特性耦合作用机理研究

摘要

本文选取有代表性的硅铝比不同的三种高灰熔融温度煤样，通过向煤中分别添加不同比例的CaO和MgO试剂，分析添加钙镁助熔剂后在还原性气氛下煤灰熔融温度和灰渣粘温特性的变化规律;借助CCSEM、X射线衍射仪(XRD)分别考查煤中矿物组成与煤灰熔融特性的关系及高温下钙镁助熔剂对煤灰渣中的矿物转化过程和晶胞参数的影响;利用Factsage热力学软件从理论的角度探究钙镁助熔剂对煤灰熔融过程和熔渣液相生成量的作用机制、并结合量子化学软件和X射线光电子能谱(XPS)深入研究钙镁离子对矿物分子键长、键能的影响，从分子水平角度对灰渣中的矿物进行微观结构特性的计算，揭示钙镁离子耦合对煤灰熔体结构作用机理。得到如下结论:
　　煤中高岭石、石英等耐熔矿物含量较高，高温下转化生成大量莫来石是导致煤灰熔融温度高的主要原因。钙镁耦合对硅铝比在1.5～2.0之间的B煤和C煤作用显著，具体的表现形式为:钙镁的加入加速了煤灰的熔融进程和灰渣的矿物转化过程。从XRD的分析结果来看，CaO和MgO分别和煤灰中的硅铝酸盐（莫来石）反应生成钙长石、陨硫钙石等钙质矿物和镁橄榄石、镁尖晶石和镁堇青石等镁质矿物。灰渣中莫来石、钙长石、镁橄榄石和镁尖晶石等晶体矿物在1000～1500℃范围内的晶型不变，但是在钙镁共同作用下，会导致莫来石“骨架”坍塌，体积缩小，从而转化为钙质、镁质矿物，导致煤灰熔融温度降低，液相生成量增多。
　　钙镁耦合降低煤灰熔融温度的原因有2点:(1)Ca2+和Mg2+等金属阳离子作为电子接受体，通过攻击键长较长的Si-O或Al-O非桥氧共价键的形式破坏莫来石的结构，与[AlO4]-、[AlO6]-以及[SiO4]-结合，生成钙长石、镁橄榄石、镁堇青石等矿物，这与XRD分析结果吻合;(2)由量子化学计算结果可知，钙长石中游离的Ca2+容易进入镁橄榄石的晶格结构内，与其发生低温共熔反应，这与晶胞参数分析结果一致。两种反应共同作用导致煤灰熔融温度降低。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 助熔剂对煤灰渣宏观规律的影响研究现状

1．1．1 助熔剂对煤灰熔融温度的影响研究

1．1．2 助熔剂对灰渣粘温特性的影响研究

1．2 助熔剂对煤灰渣微观组成及结构的影响研究现状

1．2．1 助熔剂对煤灰渣矿物组成的影响研究

1．2．2 助熔剂对熔渣结构的影响研究

1．3 研究内容

2 实验部分

2．1 实验原料

2．1．1 煤样

2．1．2 助熔剂样

2．2 样品制备及实验方法与仪器

2．2．1 样品制备

2．2．2 煤灰熔融温度的测定

2．2．3 煤灰渣粘温特性测试

2．2．4 煤的矿物组成的CCSEM分析

2．2．5 XRD分析

2．2．6 热力学软件相平衡组成分析

2．2．7 表面元素化学状态分析

2．2．8 量子化学分析

3 钙镁耦合对煤灰熔融特性的影响研究

3．1 钙镁复配助熔剂对煤灰熔融温度的影响

3．1．1 钙镁复配助熔剂对A煤灰熔融温度的影响

3．1．2 钙镁复配助熔剂对B煤灰熔融温度的影响

3．1．3 钙镁复配助熔剂对C煤灰熔融温度的影响

3．2 钙镁复配助熔剂对粘温特性的影响

3．2．1 钙镁复配助熔剂对A煤灰粘温特性的影响

3．2．2 钙镁复配助熔剂对B煤灰熔融温度的影响

3．2．3 钙镁复配助熔剂对C煤灰熔融温度的影响

3．3 小结

4 钙镁耦合对煤灰渣矿物组成的影响研究

4．1．1 A煤中矿物组成

4．1．2 B煤中矿物组成

4．1．3 C煤中矿物组成

4．2 灰渣矿物组成分析

4．2．1 A煤灰渣晶体矿物组成分析

4．2．2 B煤灰渣晶体矿物组成分析

4．2．3 C煤灰渣晶体矿物组成分析

4．3 钙镁对熔渣矿物晶胞参数的影响

4．3．1 钙镁对A煤灰渣晶胞参数的影响

4．3．2 钙镁对B煤灰渣晶胞参数的影响

4．3．3 钙镁对C煤灰渣晶胞参数的影响

4．4 小结

5 钙镁耦合对煤灰熔渣特性的影响机理

5．1 熔渣相平衡组成分析

5．1．1 A煤熔渣相平衡组成分析

5．1．2 B煤熔渣相平衡组成分析

5．1．3 C煤熔渣相平衡组成分析

5．2 量子化学分析

5．2．1 莫来石

5．2．2 钙长石

5．2．3 镁橄榄石

5．3 XPS分析

5．4 小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果