钙镁复配助熔剂对高灰熔点煤矿物结构转化影响

摘要

本文选取两种高灰熔点煤C煤和Z煤，通过添加助熔剂降低其煤灰熔融温度来满足气化要求。研究不同助熔剂不同添加量对煤灰熔融温度的影响规律，用SEM-EDX、XRD从煤灰渣的表观形貌和能谱图分析、矿物组成及结构研究助熔剂对煤灰渣矿物转化的影响，并用Raman、XPS以及量子化学计算从分子结构、元素存在形态及其演化过程，最后从矿物成键特性，研究了钙镁复配助熔剂的作用过程及助熔机理。
　　研究了CaO、MgO、钙镁复配助熔剂(WCaO/WMgO=X)对C煤和Z煤煤灰熔融温度的影响。添加量为6％时，添加6％钙镁复配助熔剂(WCaO/WMgO=X)时，比添加单钙、单镁的作用效果明显。
　　研究了添加不同助熔剂对C煤和Z煤在气化过程中表观形貌和矿物转化的影响。同一温度1300℃，同一倍率下，添加6％CaO后，C煤和Z煤呈现松散的网状或块状结构，是由于煤灰渣中莫来石转化成了钙长石;添加6％MgO时，其表面部分熔融，有较大的孔隙，说明煤灰渣中的大量镁系矿物，降低了煤灰熔融温度;添加6％钙镁复配助熔剂(WCaO/WMgO=1)时，两种煤灰渣的表面呈现致密的熔融结构，说明钙系矿物与镁系矿物发生了共熔现象。
　　研究了钙镁复配助熔剂对煤灰渣分子结构的影响。添加6％单钙基助熔剂时，Z煤煤灰渣在1421℃时形成共熔物;添加6％单镁基助熔剂在1355℃时形成共熔物;煤灰添加钙镁复配(WCaO/WMgO=1)助熔剂在1290℃时就已经形成共熔物，所以钙镁助熔剂复配对共熔矿物的形成有促进作用。
　　XPS和量子化学结果显示，钙镁复配助熔剂降低灰熔点主要是作用在硅、铝、氧结构变化上，表现为铝元素结构中铝氧配位方式的变化，即四配位的铝氧四面体[AlO4]和六配位的铝氧八面体[AlO6]随温度的变化而变化;硅元素结构中SiO2链的破坏，Ca2+和Mg2+加入会破坏SiO2链，使得桥氧硅变为非桥氧硅;以及氧元素结构中桥氧键断裂和非桥氧键形成。钙镁复配助熔剂的加入是通过作用在铝氧四面体、铝氧八面体和硅氧四面体结构上，促进桥氧键的断裂，Ca2+和Mg2+易与硅氧和铝氧四面体以及铝氧八面体中非桥氧键结合，生成低熔点的长石类矿物和镁质矿物，从而降低煤灰熔融温度。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 煤灰熔融性研究现状和问题

1．1．1 煤灰化学组成和矿物组成

1．1．2 助熔剂改善煤灰熔融特性研究现状

1．2 用XPS和量子化学研究煤灰熔体结构现状

1．3 本文的研究方法和研究内容

1．3．1 研究方法

1．3．2 研究内容

2 实验部分

2．1 实验原料

2．1．1 主要原料和试剂

2．1．2 主要仪器设备

2．2 样品制备及高温热处理

2．2．1 助熔剂的添加

2．2．2 灰的制备

2．2．3 渣样的制备

2．3 表征方法

2．3．1 煤灰熔融温度的测定

2．3．2 煤灰渣的矿物组成XRD分析

2．3．3 煤灰渣的表观形貌SEM-EDX分析

2．3．4 煤灰渣的拉曼光谱分析

2．3．5 煤灰渣的XPS分析

2．3．6 量子化学计算

3 助熔剂降低高灰熔点煤灰熔点的影响规律

3．1 不同助熔剂对C煤灰熔点的影响

3．2 不同助熔剂对Z煤灰熔点的影响

3．3 小结

4 钙镁复配对煤灰渣微观形貌和矿物组成的影响

4．1 钙镁复配助熔剂对煤灰渣微观形貌的影响

4．1．1 C煤添加助熔剂微观形貌变化

4．1．2 Z煤添加助熔剂表观形貌变化

4．2 钙镁复配助熔剂对煤灰渣矿物组成变化的影响

4．2．1 C煤添加助熔剂矿物组成的变化

4．2．2 Z煤添加助熔剂矿物组成的变化

4．3 小结

5 钙镁复配对煤灰渣矿物结构的影响

5．1 常见矿物的标准拉曼谱图

5．2 钙镁复配对煤灰渣矿物结构的影响

5．2．1 Z煤添加6％CaO不同温度点渣样的拉曼光谱分析

5．2．2 Z煤添加6％MgO不同温度点渣样的拉曼光谱分析

5．2．3 Z煤添加6％钙镁复配助熔剂(WCaO／WMgO=1)不同温度点渣样的拉曼光谱分析

5．3 小结

6 钙镁复配对煤灰渣结构转化作用机理

6．1 Z煤的煤灰渣的XPS分析

6．1．1 Z煤原煤的XPS分析

6．1．2 Z煤添加不同助熔剂灰样的XPS分析

6．1．3 Z煤添加不同助熔剂渣样的XPS分析

6．2 用量子化学研究钙镁复配助熔剂的作用机理

6．2．1 煤灰渣高岭石模型的优化计算

6．2．1 煤灰渣莫来石模型的优化计算

6．3 小结

结论与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果