神东地区侏罗纪煤中矿物的热转化特性*(2)
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【关键词】
【摘要】1.2.3 热分析实验 热分析实验使用德国STA 449F3型综合热分析仪。仪器温度范围为:室温~1 550℃(精度℃)。实验条件为:升温速率10℃/min,通气速率50m
1.2.3 热分析实验
热分析实验使用德国STA 449F3型综合热分析仪。仪器温度范围为:室温~1 550℃(精度℃)。实验条件为:升温速率10℃/min,通气速率50mL/min,温度范围:室温~1 450℃。
1.2.4 FactSage分析
FactSage具有全面的数据库和强大的数据处理能力,是化工热力学领域常用的计算机模拟软件之一[19-20]。近年来,很多研究者将FactSage应用于煤灰研究中,模拟煤灰熔融过程和不同温度下的固液比例及矿物组成等[21-23]。本实验主要运用Fact-Sage软件中的Equilib模块对神东煤灰样品性质进行热力学平衡模拟计算,得到不同温度下煤灰渣样品中的矿物组成和含量。
2 结果与讨论
2.1 原煤中的矿物组成分析
采用BRICC-M型煤岩自动测试系统光学显微镜(50倍油镜)对样品中的矿物成分进行观察,得到的矿物表观形貌如图1所示。由图1a和图1b可知,方解石呈乳白色,质地比较均匀。由图1c和图1d可知,原料煤中的矿物主要是以黏土类(微-隐晶质)为主,从黏土矿种结合方式上来看,形式多样,有些充填在煤的有机质裂隙之间,而有些则单独存在。由图1e和图1f可知,黄铁矿在油镜下其特征比较明显,呈亮黄白色。
图1 神东侏罗纪原煤中矿物的SEM照片Fig.1 SEM photos minerals of in Shendong Jurassic coala,b—Calcite;c,d—Clay minerals;e,f—Pyrite
图2 原煤离心产物的XRD谱Fig.2 XRD spectrum of raw coalC—Corundum;H—Hematite;Q—Quartz
对原料煤进行浮沉实验得到矿物富集样品,对矿物富集样品进行XRD测试,分析结果如图2所示。由图2可以看出,原料煤中的矿物主要有刚玉、石英和赤铁矿。
综上,通过光学显微镜和XRD分析得出神东侏罗纪煤中的矿物主要有黏土矿物、碳酸盐矿物(方解石)、硫化铁类矿物(黄铁矿)、刚玉、石英和赤铁矿。
2.2 不同温度下煤中矿物组成分析
对不同温度下激冷得到的煤灰渣样品进行XRD分析,测试结果如图3所示。由图3可以看出,在815℃下煤灰渣中的晶体矿物主要有硬石膏、石英和赤铁矿。温度升到1 000℃煤灰渣中的晶体矿物主要有石英、钙铝黄长石、赤铁矿和硅灰石。由图3还可以看出,在1 000℃石英的特征峰强度较815℃的特征峰强度明显减弱,表明部分石英在815℃~1 000℃间晶体结构遭到破坏或者与煤灰中其他成分发生了某种反应。对比XRD谱发生的变化可以看出,升温过程中煤灰中的碳酸盐类矿物发生分解反应产生氧化钙,与原煤中的刚玉及部分石英晶体相互作用形成新的矿物(钙铝黄长石和硅灰石)[6]。由此可以推断,在815℃~1 000℃温度区间,煤灰中的矿物可能发生以下反应:
图3 不同温度下煤灰渣样品XRD谱Fig.3 XRD spectra of coal ash at different temperatureA—Anorthite;An—Anhydrite;G—Gehlenite;W—Wollastonite;M—Magnetite;Q—Quartz;H—Hematite
温度升至1 050℃时,煤灰渣中的晶体矿物主要有石英、钙铝黄长石、磁铁矿、硅灰石和钙长石。此时,煤灰渣中的赤铁矿也发生相应的变化,转变为磁铁矿,并且开始有钙长石存在。对比XRD谱可以看出,钙长石形成阶段,石英谱峰强度明显减弱,而钙铝黄长石的谱峰强度变化不大。结合热重分析曲线,该温度区间硬石膏开始发生分解反应产生氧化钙。由此可以推断,钙长石是由煤灰渣中的刚玉、石英以及分解产生的氧化钙反应形成[6]。在1 000℃~1 050℃温度区间,煤灰渣中主要发生以下反应:
温度继续升到1 100℃,煤灰渣中的晶体矿物主要有石英、钙铝黄长石、硅灰石和钙长石,此时磁铁矿晶体遭到破坏或者与煤灰渣中的其他成分反应形成共熔物。铁属于变价金属,煤灰渣处于还原气氛下,含铁矿物通常会发生还原反应而形成铁单质,在气化炉运行过程中炉膛内也常会发现有铁单质的存在。在1 100℃煤灰渣中,石英和钙铝黄长石的谱峰强度相对减弱,而钙长石的谱峰强度有所增强,表明钙长石仍处于不断形成阶段。当温度继续升至1 150℃时,煤灰渣中的晶体矿物主要有钙铝黄长石、硅灰石和钙长石,此时石英特征峰消失,钙长石特征峰强度继续增强。当温度升高到1 200℃时,煤灰渣中的晶体矿物只有钙长石存在,钙铝黄长石和硅灰石的特征峰消失,而相较于1 150℃煤灰渣的XRD谱中的钙长石特征峰强度也减弱,并且在该温度下已经有大量液相形成,表明在1 150℃~1 200℃温度区间钙铝黄长石、硅灰石和部分钙长石相互作用形成共熔物。
在整个煤灰熔融过程中,钙铝黄长石、硅灰石和钙长石等硅铝酸盐矿物起着骨架支撑的作用,随着这些矿物发生熔融或转化,煤灰渣体系因缺少支撑而发生熔融,进而表现流动等行为。
文章来源:《矿物学报》 网址: http://www.kwxbzz.cn/qikandaodu/2020/1112/381.html
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