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。

煤矸石规模化处置及高附加值利用现状与展望

煤矸石产量存量大、利用率低、污染严重,依据煤矸石物理化学性质开展大规模综合利用刻不容缓。与传统堆存、填埋的处理方式不同,通过煤矸石采空区离层区充填、改良土壤、复垦耕地等大规模无害化消纳途径,简述了含有铝等有价元素、含有高岭土矿物成分、氮磷钾等有益元素含量高且有害重金属含量低的煤矸石分别用于生产铝盐化工品、高岭土、农业肥料的方法,回顾了将煤矸石作为路基和建材的综合利用途径,分析了目前已有技术中存在的煤矸石处理不彻底、存在二次污染等问题。提出了要建立“多阶梯、分层分级”的高附加值利用产业链,将制备农业肥料的残渣用于改良土壤、复垦耕地,煅烧制高岭土中的固废用于低标准的建材或路基,多层次利用将煤矸石“吃干抹净”,将煤矸石从高附加值利用延伸至矿山充填,实现煤矸石高附加值的大规模消纳。