煤中典型矿物在高温下演变规律(2)
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【关键词】
【摘要】1.5硫酸盐 煤中常见的硫酸盐矿物包括石膏、硬石膏等,在某些煤中还可见芒硝、重晶石、黄铜矿、白铁钒、钙芒硝等硫酸盐矿物。 升温过程中,石膏先后
1.5硫酸盐
煤中常见的硫酸盐矿物包括石膏、硬石膏等,在某些煤中还可见芒硝、重晶石、黄铜矿、白铁钒、钙芒硝等硫酸盐矿物。
升温过程中,石膏先后转化为烧石膏、无水石膏,最终失水变为半水石膏,温度继续升高时转化为硬石膏。硬石膏在高温下可分解生成氧化钙和硫的氧化物。其反应过程为
1.6其他矿物
煤中其他矿物包括硅酸盐矿物、石英、金红石、勃姆石、赤铁矿、锆石等。煤中硅酸盐矿物存在形式多样,部分钾、钠、钙、镁、铝等元素可以硅酸盐的形式存在。勃姆石在某些矿区中存在富集现象,内蒙古准格尔矿区煤中矿物与其他地区相比,勃姆石含量较高,占矿物总量的30%左右[30],勃姆石高温下反应过程[31]为
石英在煤中较为常见,煤中部分矿物在高温下分解也会生成石英。石英的晶体构造形式较多,如α石英、β石英等。不同晶体构造的石英在特定温度下可互相转化。不同晶体构造石英的转变温度和转化过程如图3所示。
图3 石英不同温度下转化过程Fig.3 Transformation process of quartz at different temperatures
2煤中主要矿物高温下相互作用过程模拟
2.1模拟条件及分组
FactSage软件在热力学平衡计算、多元相平衡计算方面功能强大,已有学者将其应用于煤灰化学的研究[32]。本文为研究煤中主要矿物在高温下的互相作用过程,采用FactSage软件中的Equilib模块对煤中主要矿物的热转化行为进行模拟,分析不同矿物间相互作用过程和反应过程的主要产物。
根据煤中主要矿物种类,本文选择高岭石、伊利石、黄铁矿、磷灰石、方解石、菱铁矿、石膏、石英等8种矿物全部或部分参与模拟计算。模拟计算过程中,模拟气氛为惰性气氛,模拟反应温度为1 000~1 600 ℃,每隔100 ℃进行一次模拟计算,新矿物出现或旧矿物消失的温度点也参与矿物组成模拟计算。初始条件中需输入参与计算的矿物质量或物质的量,以等比例物质的量参与模拟反应计算,可更直观地反映不同矿物参与反应过程的程度及变化,因此设置初始反应物时,每个矿物参与模拟计算的量均为1 mol。
为研究不同熔点产物高温过程相互作用的影响,模拟升温过程分为3组:高岭石、伊利石在高温下主要的分解产物为莫来石,其熔点较高,二者作为第1组;黄铁矿、磷灰石、方解石、菱铁矿、石膏分解产物中的氧化铁、氧化钙等在煤灰中具有降低煤灰熔融温度的作用,石英在升温过程中可发生相变,为生成低熔点的硅酸盐类矿物提供原料,将该6种矿物作为第2组;为研究不同多种矿物在高温下的相互作用,将第1组和第2组的8种矿物作为第3组进行模拟计算。
3结果与分析
3.1第1组
高岭石在升温过程中可生成莫来石,当存在K元素时,可能生成透长石;伊利石在升温过程中也可生成莫来石。第1组模拟结果见表1。
表1 不同温度下第1组样品的主要产物Table 1 Main products of the first group samples at different temperaturesTemperature/℃Main mineral content/molMulliteSanidineLeucite Slag content/molGascontent/mol1 — — 2001.67— 2861.60— 3001.59—— 4001.53—— 5001.43—— 6001.30——5.613.01
从表1可以看出,当高岭石和伊利石等物质的量混合后共同升温,1 000 ℃左右时,模拟系统中生成了Mullite(莫来石,Al6Si2O13)、Sanidine(透长石,KAlSi3O8)。随着温度升高,莫来石的量逐渐降低。由于莫来石熔点较高,当温度最终达1 600 ℃时,仍存在1.30 mol莫来石;当温度达1 145 ℃时,熔点较低的透长石消失,出现了Leucite(白榴石,KAlSi2O6)。白榴石可与熔渣中的SiO2反应并进入熔渣中,温度超过1 286 ℃后,白榴石全部熔融消失。伊利石中存在K元素,为透长石的生成提供了条件,但由于长石类矿物熔点较低,随着温度升高,透长石逐渐溶解进入熔渣中。在1 000~1 600 ℃的模拟升温过程中,始终存在3 mol左右的气体组分,随着温度升高,Slag(熔渣)含量从1.37 mol逐渐增至5.61 mol。可以看出,高岭石和伊利石在升温过程中均会产生莫来石。二者混合后,在升温过程中由于自身分解和矿物间的相互作用,生成2种新的矿物——透长石和白榴石。虽然大部分矿物经反应进入熔渣或生成气体,但在1 600 ℃时模拟系统中仍存在一定量的莫来石。
3.2第2组
第2组模拟系统由黄铁矿、磷灰石、方解石、菱铁矿、石膏、石英各1 mol组成。黄铁矿在升温过程中可生成磁铁矿和赤铁矿,并释放出SO2。磷灰石通常分为氟磷灰石、氯磷灰石和羟基磷灰石,其中氟磷灰石最为常见;方解石可分解产生氧化钙和CO2;菱铁矿可分解产生氧化亚铁和CO2;石膏可分解产生硫酸钙、氧化钙和硫的氧化物。该6种矿物各1 mol混合后,升温过程的主要产物发生一定的变化,具体模拟结果见表2。
文章来源:《矿物学报》 网址: http://www.kwxbzz.cn/qikandaodu/2020/1111/376.html