矿山功能性充填与CO_(2)封存一体化研究

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。

超高流动性改性镁渣基充填材料的性能

针对超远距离输送过程中,特殊管路布置等充填技术中堵管、爆管风险大,管道磨损严重等问题,采用改性镁渣(MMS)和粉煤灰(FA)在不同配比下制备超高流动性新型膏体充填材料(UH-MFPB),探究其早期强度、流动性以及流变特性,并建立流动性和流变参数的相关关系.研究结果表明:(1)UH-MFPB样品的单轴抗压强度随FA含量增加呈先增大后减小的趋势.当FA质量分数为20%时,样品的抗压强度最大,养护28 d可达到6.759 MPa,后期强度持续增加;(2)新鲜UH-MFPB料浆的坍落度为25.6~29.2 cm,扩展度为61~93.1 cm,具有很好的流动性;(3)新鲜UH-MFPB料浆的流变特性符合Herschel-Bulkley模型,流变参数(屈服应力、塑性黏度和触变性)随FA含量的增大而减小,且FA质量分数达到20%时,料浆出现剪切增稠的现象;(4)新鲜UH-MFPB料浆的流动性和流变参数满足二次多项式关系,呈现出负相关性.

改性镁渣的湿法碳酸化工艺

碱基工业固废的碳酸化反应是一种矿化吸收CO_(2)并减少温室气体排放的固碳策略之一。本研究首次引入湿法碳酸化工艺,通过借助X射线衍射、红外光谱测试、热重分析等实验测试,重点探究了温度变化、搅拌速度、碳酸化时间和液固比例对改性镁渣碳酸化反应的影响,进而讨论了4种因素下改性镁渣的碳酸化产物与固碳效率。结果表明,改性镁渣的矿物成分主要以β-C_(2)S为主,是一种具有良好储存CO_(2)能力的工业固废,碳酸化产物主要以方解石型碳酸钙晶体和二氧化硅凝胶为主。碳酸化反应后,改性镁渣碳酸化产物的粒径显著增大,比表面积减小,粒径分布变均匀,粒径分布范围变窄。当碳酸化反应温度为60℃、通气时间为30min、液固比为10mL/g、搅拌速度为600r/min时,改性镁渣的固碳效率达到最大(28.4%),即1kg改性镁渣可以矿化吸收0.284kg CO_(2)。因此,湿法碳酸化工艺对改性镁渣的回收利用及CO_(2)捕集均具有很大的应用潜力。

改性镁渣基矿用复合胶凝材料的水化性能

为了实现镁企业镁渣固废和燃煤电厂粉煤灰低成本绿色充填、安全处置和资源化利用,采用改性镁渣(MMS)与粉煤灰(FA)复掺制备矿山充填胶凝材料(MSCM)替代硅酸盐水泥。首先分析MMS与FA的物化性能,然后通过微量热法、X射线衍射试验、红外光谱试验、热重试验、单轴抗压强度和扫描电镜试验等对MSCM的微观结构、水化性能和宏观强度进行分析。研究结果表明:MMS与FA复掺的最佳质量比为4:1(FA20试样),养护3 d和28 d的抗压强度分别为1.50 MPa和5.64 MPa,分别比改性镁渣净浆试样高57%和21%。MSCM的水化产物主要为C-S-H凝胶、ettringite和Ca(OH)_(2)。随水化反应的进行,水化产物数量显著增多,相互交错,紧密团聚,使其内部微观结构更加密实,且ettringite由水化初期的针状逐渐转变为棒状,更有助于试样机械性能的提升。掺加FA对MSCM的水化具有显著影响,可有效缩短MSCM在水化加速阶段的反应时间,提高整体水化反应速率。这也是MMS与FA中的Al_(2)O_(3)、SiO_(2)等氧化物共同水化反应的结果。