煤气化粗渣改良季节冻土区黄土填料的冻融特性及其微观机理研究

由于周期性的冻融循环作用,中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害,常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向,鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低,尝试用煤气化粗渣改良季节冻土区黄土,以素黄土与单掺石灰改良黄土作为对比试验组,通过室内冻融循环试验、电镜扫描、CT扫描试验来探究在冻融循环条件下煤气化粗渣改良黄土的冻融特性及其微观机理,为季节冻土区黄土路基工程稳定性及煤气化渣资源化利用提出一些新的思考。试验结果表明:(1)经历1次与2次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率为0.02%与0.29%,融沉系数为0%与0.05%,素黄土、单掺4%石灰试验组的冻胀率分别为0.43%与0.63%、0.38%与0.42%,融沉系数分别为0.26%与0.22%、0%与0.13%,但在经历3次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率和融沉系数开始增大,5次冻融循环周期内的平均冻胀率和融沉系数分别为0.38%与0.17%,已接近甚至大于素黄土与单掺4%石灰试验组的数值。在前两次冻融循环周期内,平均冻胀率和融沉系数较素黄土组分别减小了70.8%和89.6%。(2)单掺15%煤气化粗渣试样各位置的温度梯度最小,其次是双掺煤气化粗渣与石灰试样,并且这两组试样正负温条件下的导热系数最小。(3)经过5次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试样各高度的含水率最低。(4)单掺适量的煤气化粗渣在冻融循环的初期能明显地改善黄土的冻融特性,再掺入少量的石灰能使试样在冻融循环前后的孔隙率较素黄土分别降低41.5%与47.8%。总的来说,黄土中掺入煤气化粗渣在冻融循环次数少于3次时能改善黄土路基填料的寒区服役性,但其在更多次冻融循环条件下的冻融特性还需进一步研究。

煤气化粗渣特性分析及利用技术研究进展

煤气化是实现煤炭清洁高效利用的核心技术,我国煤气化渣产量大、利用率低,通常采用堆存与填埋方式处置,造成严重的土地资源浪费与环境污染。气化渣的资源化利用已成为煤化工行业的研究重点,尤其是占气化渣总排放量70%~80%的气化粗渣。介绍了3种主要煤气化工艺及气化粗渣的形成过程,总结了气化粗渣的理化特性与环境风险,归纳了气化粗渣在建材化利用、土壤改良及高值化利用方面的研究进展。受煤种、煤气化工艺等主要控制因素影响,不同来源气化粗渣的理化特性与环境风险不尽相同,但具有一定共同性。从理化特性看,粗渣粒径远高于细渣,约50%以上粗渣粒径超过0.5 mm,且小于0.5 mm各粒度级粗渣含量随粒径减小而降低,粗渣还具有较小的比表面积和较大的平均孔径。粗渣中残炭含量低于细渣,粗渣残炭质量分数在3%~20%且在各粒度级内分配不均,0.25 mm左右中等粒度级粗渣残炭含量较高。粗渣中无机组分均以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3为主,其中酸性氧化物占45%~75%,碱性氧化物占20%~45%。从环境风险看,气化粗渣中存在一定重金属富集现象,富集较多的重金属包括Ba、Co、Cs、Th等亲石元素与Cr、Ni等难挥发或半挥发性元素。此外,粗渣中Ni、Cd、As、Cu与Zn等重金属的酸可提取态含量较高,具有较大环境风险,需特别关注。粗渣的理化特性及其环境风险对适用的资源化利用方式影响较大:粗渣由于残炭含量较低、硅铝等无机组分含量较高,可广泛应用于矿井回填、筑路、水泥与混凝土、陶粒与墙体材料等建材化利用领域;残炭含量较高的气化粗渣具有更疏松多孔的结构特征,可用于土壤改良;粗渣的特殊结构和丰富的硅铝组分使粗渣在制备多孔吸附材料及制备陶瓷方面潜力很大;粗渣还可用于制备催化剂或提取回收氧化铝等其他高值化利用。气化粗渣中含有一定种类重金属,具有一定环境风险,制约了粗渣的综合利用。因此,粗渣资源化利用前,要全面分析粗渣中各种重金属的富集情况与赋存状态,严格把控粗渣环境风险评价,避免粗渣资源化利用带来的二次污染。

四种气化粗渣沥水技术对比分析

为选择气化炉粗渣最适宜的沥水方式,结合某装置4种捞渣机后续沥水的实际运行情况,在渣车底部设置水盒,并将车厢做密封处理,同时在车厢底部设置沥水滤板及导水软管、在捞渣机渣斗侧锥部设置沥水滤板及排水系统、设置二级大倾角捞渣机并设置带沥水滤板及排水系统的分仓沥水大仓和真空沥水,对4种粗渣沥水技术的含水量、环境污染、投资运行成本和稳定运行周期等方面进行对比,真空沥水式的含水量最低,运行维护方便操作,运行稳定,周期更长。

煤气化粗渣制多孔吸附材料对亚甲基蓝的吸附研究

以煤气化粗渣为原料,分别采用化学法(酸化高温法)和物理法(超声波法)对其进行微观扩孔,并对扩孔后的吸附材料(G1和C1)进行表面改性,制备出改性后的吸附材料G2和C2。利用SEM,BET,XRD和FT-IR对吸附材料的表面形貌、微观结构和官能团组成等进行表征分析,并研究4种吸附材料对水溶液中亚甲基蓝(MB)的吸附特性。结果表明,在同等实验条件下,所制备的4种吸附材料均具有介孔特性,但C1,C2比G1,G2具有更大的比表面积和总孔容,比表面积和总孔容表现为C1>C2>G1>G2。各吸附材料表面均含有以絮状物质形式存在的无定形碳。G1,G2表面粗糙,孔结构丰富,大量的无定形碳阻塞了孔道;而C1,C2表面粗糙且存在明显的断裂层和裂隙孔,孔道结构丰富。MB吸附实验表明,4种吸附材料对MB的吸附效果表现为C1>C2>G1>G2,因材料改性剂影响了样品中Si—O键的含量,阻塞了孔结构,未能明显改善材料的吸附性能。在25℃下,4种吸附材料(用量为100 mg)对浓度为60 mg/L、体积100 mL的MB溶液进行吸附,其吸附过程均符合伪二阶动力学模型和颗粒内扩散模型。在实验条件下,物理法处理后的气化粗渣在孔结构和吸附能力方面均比用化学法处理后的气化粗渣更具有优势。

碱-盐复合激发煤气化粗渣的水泥胶砂强度特性

采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了煤气化粗渣的微观结构、元素分布及物相组成;优选碱-盐复合激发剂,制备了掺煤气化粗渣水泥胶砂试件,分析了碱-盐激发剂对胶砂抗压、抗折强度的影响,并探讨了碱-盐激发下煤气化粗渣水泥胶凝硬化产物的微观结构和物相组成。结果表明:煤气化粗渣以层片状、不规则粒状颗粒居多,富含C、O、Si、Al、Ca、Fe等元素,存在火山灰活性的硅氧、铝氧或铝-硅-氧相;复合激发效果优于各自单掺的激发效果,其中掺硫酸钙与氢氧化钠组合激发效果最佳;激发剂有助于发挥煤气化粗渣的火山灰活性,促进煤气化粗渣水泥胶凝体系中水化产物的生成,提升了胶凝材料的结构强度。

免烧法煤气化粗渣制备陶粒工艺及其性能研究

为实现煤气化粗渣处置资源化、无害化利用,以煤气化粗渣为主要原料,采用改进后的免烧养护法制备9组不同配比的免烧煤气化粗渣陶粒,测试各组陶粒的堆积密度、筒压强度和吸水率,并进行性能优异度评价。根据结果筛选出进入浸出毒性测试的试验组,检测浸出液中铬、砷、镉、铅4种重金属含量,评价其环境安全性。结果表明:陶粒筒压强度均符合GB/T 17431.1—2010《轻集料及其试验方法第1部分:轻集料》的要求,其值为5.59～8.71 MPa;吸水率随煤气化粗渣含量增加而升高;陶粒性能优异度得分最高且符合环境安全标准的原料配比为煤气化粗渣掺加量73%,水泥投加量15%,石英砂投加量12%(均为质量分数);浸出毒性测试结果显示,免烧工艺对煤气化粗渣中重金属的固定化能力较高。

改性煤气化粗渣活性特征及其复合水泥浆体水化硬化性能研究

煤气化技术的规模化应用产生了大量难处理的煤气化灰渣。作为一种富含硅铝酸盐矿物的煤气化灰渣,具备火山灰活性和较低的碳含量特征,可作为辅助性胶凝材料使用。为探讨不同改性效果下煤气化粗渣的活性特征及其对水泥水化硬化性能的影响机制,本文从宏观和微观上对掺有改性气化粗渣的复合水泥浆体的水化放热、抗压强度、水化产物组成与结构进行分析比较。结果表明:添加二乙醇单异丙醇胺(DEIPA)改性,可明显地提升气化粗渣的粉磨效率和潜在水化活性,有效减少水化诱导期的延长,降低气化粗渣掺加对水泥水化的缓凝效果;添加DEIPA的顺序对复合水泥的水化硬化特性影响不大。经化学和物理协同改性后的煤气化粗渣可以用于硅酸盐水泥的混合材和混凝土的掺合料,在适当掺量(10%)下可提升复合水泥的力学性能。

活化煤气化粗渣盐酸浸取机理研究

考察了颗粒粒径、盐酸浓度和浸取温度3个条件对活化煤气化粗渣(简称活化渣)中铝、铁、钙离子浸取率的影响,并对浸取机理进行了研究。实验结果表明,活化渣为钙铝黄长石(2CaO·Al_2O_3·SiO_2)与三氧化二铁(Fe_2O_3)的固溶体,与盐酸反应后颗粒粒径不断减小,钙离子较铝、铁离子优先浸出,其浸取过程符合化学反应控制的缩芯模型,相应的表观活化能为71.3 k J/mol;钙离子浸出后活化渣颗粒成为疏松多孔材料,铝、铁离子的浸取过程则符合Avrami模型,二者的浸取反应均受内扩散控制,表观活化能分别为24.7 k J/mol和22.5 k J/mol。

航天炉粉煤加压技术气化粗渣的研究

利用X-射线荧光分析仪、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜-能谱仪、显微共焦激光拉曼光谱仪等手段,研究了航天炉粉煤加压气化粗渣的化学组成、物相组成和微观结构;并通过物理解离和筛分来分离气化粗渣中的碳,了解粗渣中碳的分布情况、微观结构和存在形式。结果表明:(1)航天炉(HL-T)气化粗渣中含有大量的玻璃相和残碳,经过1000℃加热、自然冷却后析出钠长石和钙长石等晶体;(2)航天炉(HL-T)气化粗渣经过物理解离和筛分后,粗渣中的碳富集在粒径小的物料中。通过分析,此渣可用于制备泡沫玻璃。

煤气化粗渣-矿渣基地质聚合物的制备与性能

在煤气化粗渣基地质聚合物中复掺矿渣可改善其早期力学性能。本文以煤气化粗渣和矿渣为原料制备地质聚合物,系统研究了不同矿渣掺量对煤气化粗渣基地质聚合物早期力学性能及微观结构的影响。利用X射线衍射、压汞测试、扫描电镜、傅里叶红外光谱等方法对煤气化粗渣-矿渣基地质聚合物的微观结构进行分析表征。结果表明,当矿渣掺量增加时,地质聚合物抗压强度呈逐渐增大趋势。矿渣掺量为40%(质量分数)时,样品28 d抗压强度高达53.1 MPa。由微观分析可知,掺入矿渣后地质聚合物表面生成了大量水化硅铝酸钙/钠(C(N)-A-S-H)凝胶,使地质聚合物微观结构更为致密,力学性能得到改善。

TiO_(2)改性煤气化粗渣基地质聚合物的微观结构与性能

煤气化渣可分为粗渣和细渣,其有在碱激发领域应用的潜力。本文对煤气化粗渣的理化性能进行了研究,使用煤气化粗渣制备了地质聚合物,并对其进行了TiO_(2)的改性研究。结果表明,在煤气化粗渣基地质聚合物中掺入一定量的TiO_(2)可明显改善其力学性能。当掺入质量分数为10.0%的TiO_(2)时,样品28 d的抗压强度可从23.4 MPa提高到42.9 MPa。此外,通过对样品进行物相分析与微观结构分析,TiO_(2)的掺入明显改善了地质聚合物的微观结构,促进了碱激发反应,提高了材料的力学性能。

煤气化粗渣-粉煤灰基地质聚合物的制备与性能

煤气化渣与粉煤灰均为煤炭资源利用过程中产生的固体废弃物,可以应用在碱激发领域。从煤气化粗渣的性质入手,采用粉煤灰对煤气化粗渣进行改性,利用碱激发技术制备了煤气化粗渣-粉煤灰基地质聚合物,并对所制备产物的性能进行研究。结果表明,在体系中掺入粉煤灰可以明显改善其力学性能,当粉煤灰掺入量为30%(质量分数)时,样品的28 d抗压强度最高,达到44.5 MPa。此外,通过对样品进行物相分析与微观形貌表征发现,样品的无定形产物主要为N(C)-A-S-H凝胶,它能够结成相互连接的空间网状结构,具有较强的黏结能力,这是样品材料具有较高强度的主要原因。

煤气化粗渣基地质聚合物的热稳定性研究

煤气化粗渣可以作为前驱体制备地质聚合物,其耐高温性需要进一步探究。本文分别对煤气化粗渣中掺入10%TiO_(2)、30%粉煤灰和30%矿渣制备的地质聚合物进行高温处理,探究在不同温度下4种28 d地质聚合物的热稳定性。结果表明,在100℃时,样品抗压强度与常温时相差不大;在200℃、400℃和800℃时,4种样品的抗压强度均出现不同程度的下滑,其中强度衰减最为明显的是掺入矿粉的样品,强度衰减较小的是掺入TiO_(2)的样品;随着温度的升高,地质聚合物出现了开裂现象,在100℃和200℃时仅煤气化粗渣地质聚合物有开裂现象,在400℃时仅掺入TiO_(2)的地质聚合物未开裂,在800℃时所有地质聚合物均开裂。掺入TiO_(2)的地质聚合物因含有锐钛矿而具有较好的耐高温性。

清华炉气化粗渣残碳含量偏高的原因分析及建议

主要分析新疆天智辰业化工有限公司清华炉水煤浆气化装置粗渣残碳含量偏高、气化效率较低的原因。综合讨论分析确定主要原因为配煤不合理、煤浆粒度较粗,并提出针对性解决措施和建议。

煤气化粗渣循环再利用技术的研究进展

介绍了煤气化粗渣(CGCS)的特性,重点分析了CGCS循环再利用技术的研究与发展现状。目前,CGCS主要应用在建筑材料和功能材料两个方面。在建筑材料方面,CGCS可以作为制备轻质骨料、胶结材料、墙体材料、免烧砖、地质聚合物等的原料;在功能材料方面,CGCS可以用来合成多孔材料及改性复合材料,经过酸浸等方法处理,还可以提取贵金属。最后指出了未来CGCS资源化利用的发展趋势。

煤气化渣除杂富铝制备聚合氯化铝实验研究

煤气化渣是煤气化工艺产生的固体废弃物,随着煤气化工艺的广泛推广与应用,大量煤气化渣的产生对生态环境造成威胁的同时也制约着煤化工行业的发展。为实现煤气化渣的资源化、工业化利用,以煤气化粗渣为研究对象,对其矿物赋存形态和化学组成进行分析,提出煤气化渣净化除杂-酸浸提铝制备聚合氯化铝(polyaluminum chloride,PAC)的总体构思。利用煤气化渣中各元素与酸溶液的反应活性差异,在低酸体系下浸出Fe^(2+),Ca^(2+)及少部分Al^(3+),再利用离子沉淀pH差异,将钙、铁与煤气化渣选择性分离,实现酸渣富铝。以富铝酸渣为原料,酸浸制备PAC前驱体。考察铝酸钙粉添加量、聚合温度、聚合时间对产品品质及絮凝效果的影响。结果表明:在60%理论耗酸量下,煤气化渣浸出Al^(3+),Fe^(2+),Ca^(2+),将反应液pH调至3.5,Al^(3+)选择性沉淀,固液分离后制备富铝渣,钙、铁的去除率可达84.06%和79.79%,Al_(2)O_(3)质量分数由原来的10.84%提升至14.38%;富铝酸渣添加酸后再次溶出,酸溶液中氧化铝质量浓度可达到28.4 g/L;按固液比为10 g∶100 mL向酸溶液添加铝酸钙粉,在80℃下聚合2.5 h,可获得符合GB/T 22627-2022要求的PAC产品;通过FTIR和XRD对PAC产品进行表征,表明生成的产品为PAC,将该产品应用于模拟废水中,去浊率高达92.90%。

GSP干煤粉气化炉气化灰渣特性研究及其掺烧利用分析

为实现煤气化灰渣资源化、减量化、无害化利用,对某GSP干煤粉气化炉气化细渣和气化粗渣进行分析,研究气化灰渣的化学组成、粒径分布、显微结构、灰熔融特性和燃烧特性,并对其综合利用方向提出建议。结果表明:气化粗渣和气化细渣的烧失量分别为1.14%、35.15%,发热量分别为0.38 MJ/kg、10.83 MJ/kg;气化细渣和粗渣的主要化学组成是SiO_(2)、Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、CaO,粗渣中SiO_(2)、Fe_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)质量分数总和为79.40%,粗渣可做建材、建工类原料使用;气化细渣的比表面积为203.01 m^(2)/g,平均孔径为5.61 nm,具备制备吸附剂和活性炭的潜质;气化细渣的燃烧失重率为34.74%,接近其烧失量,说明气化细渣具有一定燃烧反应活性;氧气浓度的增加可以明显改善气化细渣的燃烧特性。气化细渣掺烧再利用经济性分析结果表明:气化细渣掺烧不仅能够替代部分燃料煤,节约燃料成本,还可实现气化细渣资源化利用。

新疆准东煤水煤浆气化灰渣特征研究

对新疆准东煤水煤浆气化灰渣的热值、烧失量、粒径、化学组成、孔隙结构、微观结构和燃烧特性等进行了研究,结果表明:气化细渣中热值和烧失量明显高于气化粗渣;气化粗渣和气化细渣的d 50分别为338.98μm和126.84μm;气化粗渣和气化细渣的主要化学成分均为SiO 2、Al_(2)O_(3)、CaO和Fe_(2)O_(3),主要矿相都包括非晶态硅铝酸盐和碳,并夹杂着石英、方解石等晶相;气化粗渣和气化细渣的平均孔径分别为5.68 nm和5.56 nm,比表面积分别为85.81 m^(2)/g和202.88 m^(2)/g。采用扫描电子显微镜观察发现,气化粗渣主要由块状颗粒和球状颗粒组成,而细渣主要包括不规则颗粒、球形颗粒和絮团状颗粒,并在絮团状颗粒上附着和包裹球形颗粒,其中不规则颗粒和絮团状颗粒主要由C元素构成,而球形颗粒主要以硅铝酸盐为主。热重分析结果表明,气化粗渣和气化细渣的燃烧失重率为16.81%和35.04%,综合燃烧特性指数分别为7.16×10^(-8)%2/(min^(2)·℃^(3))和1.51×10^(-7)%2/(min^(2)·℃^(3))。

改性煤气化渣基矿用充填材料制备与性能

为研究煤矸石(CG)和煤气化粗渣(CS)用于膏体胶结充填的可行性,使用Talbol级配理论对骨料进行粒径控制,少量硅酸盐水泥作为胶凝材料,大量CS作为辅助胶凝材料,做了多组CG、CS、水泥、激活剂的不同配比实验。实验内容包括4个部分:骨胶比,总固体质量分数,激活剂质量分数以及其对凝结时间、流动性、泌水率、收缩率的影响和最佳配比的浸出实验。使用X射线荧光光谱分析、单轴抗压强度、自然堆积密度、塌落度、SEM-EDS,X射线衍射等手段分析了煤矸石-煤气化渣胶结充填体(CCCPB)的充填性能。实验结果表明:①受级配和水化程度影响,骨料掺量为20%时,其3 d和7 d的强度都达到最大值,28 d强度为6.7 MPa;②总固体质量分数对强度和流动性影响十分明显,且高水环境更有利于硫酸钠对CCCPB的激发效果;③硫酸钠可显著激发CS活性,3 d和7 d水化产物主要是氢氧化钙和水化硅酸钙,28 d时生成大量钙矾石,且随硫酸钠质量分数增加,充填体早期生成了更多的水化产物,在28 d龄期内并未出现强度折减现象;④随硫酸钠质量分数增加,凝结时间逐渐缩短,对终凝时间影响更为显著;塌落度、扩展度经时损失量逐渐增大;泌水率、收缩率逐渐减小,以硫酸钠质量分数2%为界限,各参数变化速率逐渐减小,且总固体质量分数对初始流动性的影响大于硫酸钠质量分数;⑤在最佳配比:骨胶比2∶8,总固体质量分数80%,硫酸钠质量分数2%时,各类重金属浸出量均低于国家标准,满足环保要求。基于上述研究,可以推断出CCCPB完全可以在充填开采中被使用。

煤矿充填料浆的配合比研究

为了提高煤矿充填材料的性能,采用煤气化粗渣和特细沙作为骨料,以普通水泥作为胶凝材料配置了充填材料。测定了料浆的塌落度和充填体的强度。结果表明:随着特细沙含量的增加,料浆的塌落度降低;当充填骨料的不均匀系数K0满足塔博方程(K0=4~5)时,充填体的强度最高。在煤气化粗渣作为粗骨料,水泥含量为8%的条件下,特细沙作为充填细骨料的充填性能优于煤气化细渣。