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【分享】Texaco 气化炉渣制备硅酸盐水泥的研究

2020年06月09日 12:00点击数量:64次


1 引言

煤气化炉渣是煤气化过程产生的副产品,是由煤炭中的矿物质首先转变成灰分,然后在气化炉高温炉膛 中心变成熔融液态渣,在重力作用下,自流入气化炉下部的激冷室激冷形成。课题组对Texaco 气化炉渣的 本征特征进行了研究,发现气化炉渣的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO,这与高炉渣成分相似。高炉渣,尤其是水淬工艺条件下的高炉渣,在急冷处理的过程中,熔态炉渣中的绝大部分物质没能形成稳定的化合物晶体,以无定形体或玻璃体的状态将没能释放的热能转化为化学能储存起来,从而具有潜在的化学活性,被认为是优良的水泥原料。早在20 世纪90 年代,邹苏萍等人对高炉渣在水泥行业中的应用做了相对深入的研究,新余钢厂有限责任公司自2000 年开始将高炉矿渣应用与生料配料中,并投入生产。目前,高炉渣在建材行业的应用广泛且成熟,这对气化炉渣在建材方面的潜在应用有借鉴作用。经查阅资料而知,与气化炉渣相关的文献中针对煤的气化技术以及下游延伸的多联产技术等研究较多,针对气化炉渣在建材方向上的应用更是甚少,在国外,西班牙Castilla-La Mancha 大学Aineto 等对气化炉渣的基本特性及在制备多孔轻质骨料和建筑用砖上的应用进行研究; 美国Praxis Engineers 股份有限公司利用气化炉渣特异的热膨胀特性制备出轻质骨料。

硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏制成的水硬性胶凝材料,硅酸盐水泥熟料是由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料,按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性 胶凝物质。本文针对气化炉渣制备硅酸盐水泥进行了较系统的研究,该项研究不仅为煤气化炉渣的综合利 用开辟了新的途径,同时也为硅酸盐水泥在原料选择上提供了参考。

2 实验

2. 1 原料

气化炉渣,来源于陕西神木化学工业有限公司,其主要化学组成见表1。

石灰石源于天津市福晨化学试剂厂,为分析纯碳酸钙,主要成分见表2。

粘土源于西安秦翔科技有限公司,其主要成分见表3。

2. 2 实验方法

以气化炉渣、石灰石、粘土及铁粉为原料,其中粘土掺入量分别为5. 0%、7. 5%、10. 0%,配料计算得出实验方案,见表4。按照设计配方配料并置于轻型球磨机上混磨2 h,外加约5%的水搅拌至均匀,困料12 h;用YES-600 型压力机( 压力50 kN) 将其成型至125 mm × 20 mm × 7 mm 的试块若干,经过干燥后,置于CSL-16-12Y 型重烧炉中分别在1400 ℃、1450 ℃、1500 ℃条件下煅烧,保温3 h 后急冷; 分别采用X 射线衍射仪、金相显微镜对煅烧的水泥熟料的矿相、岩相进行分析。最后,将煅烧合格的水泥熟料试块破碎,用轻型球磨机粉磨,过60 目筛,借助JZXL-100 流化床式气流粉碎分级机粉碎磨细至10 μm 以下,掺加适量石膏混合均匀后,依据国标检测水泥的标准稠度用水量、安定性、凝结时间以及龄期强度,推断出烧制水泥的标号。

3 结果与讨论

3. 1 气化炉渣制备硅酸盐水泥熟料

图1 为三组配方生料1450 ℃煅烧后熟料的XRD图谱。观察图1 可知,熟料的主要矿物相为C3S、C2S、C3A 和C4AF,由于C4AF 为C3A 和Ca2FeO3的固溶体,当配料系统为富Al 时,生成C4AF 的几率会增加,含量会有所升高。然而该配料系统原料中Al2O3的含量相对较少,因此在该三组熟料中检测到的C4AF 均相对较少。同时,从该图中可发现,随着粘土掺加量的增加,主晶相从C3S 逐渐变成C2S,且当粘土添加量为10%时,C2S 为主晶相,且相对强度峰值最高。

将烧制的水泥熟料用环氧树脂固化,制成光片,在 金相显微镜下观察得到图2a ~ c,观察可知: 无论粘土 添加量为5%、7. 5%、10%,产物中均有呈条形或者板状的C3S、圆形的C2S 生成,同时也存在中间相,即灰色的C3A 以及白色的C4AF,其中,C3S 和C2S 较多,C3A 及C4AF 相对较少,这与衍射结果基本一致。说明该烧结产物的矿物相组成符合硅酸盐水泥熟料矿物相组成的基本要求; 对比发现,当粘土添加量为5%时,C3S 的含量更高,且分布均匀。


本实验选择了三个烧成温度点,分别为1400 ℃、1450 ℃、1500 ℃,实验中观察现象,发现,当烧成温度为 1500 ℃时,样品呈完全熔融状态,无法取样。当烧成温度为1400 ℃、1450 ℃时,样品完好。因此将1400 ℃和1450 ℃条件下烧制的水泥熟料制备成光片,如图2d,e 所示,观察可知,两种温度条件下均生成了C3S 和C2S,且含有少量的中间相C3A 和C4AF,且当烧成温度为1450 ℃时,C3S 含量相对更高,且中间相分布较均匀。


3. 2 气化炉渣制备硅酸盐水泥

由于C3S 是影响水泥强度的主要矿物相,结合图1 和图2 分析,当粘土加入量为5%,烧成温度为1450℃时,晶体的非晶化程度相对较高,表现为衍射峰较低且宽,光学显微镜下观察晶体C3S 颗粒多且分布相对均匀,因此选用粘土添加量为5% 的配方,在1450 ℃ 下煅烧,淬冷,用轻型球磨机粉磨,过60 目筛,借助JZXL-100 流化床式气流粉碎分级机粉碎磨细,添加适量的石膏混合均匀,依据GB 1346-2011 检测水泥标准

稠度用水量、凝结时间、安定性,结果如表5、表6 所示,该水泥标准稠度用水量为31%,安定性良好,初凝时间117 min,终凝时间172 min, 28 d 抗折、抗压强度分别为8. 0 MPa 和50. 9 MPa,判定为42. 5 水泥。

4 结论

( 1) 利用气化炉渣,当粘土加入量为5%,烧成温度为1450 ℃时制备的硅酸盐水泥熟料性能优良。

( 2) 依据国标GB 1346-2011 及GB /T 17671-1999,上述水泥熟料与适量( 2%) 石膏混合制备出的硅酸盐 水泥28 d 抗折、抗压强度分别为8. 0 MPa 和50. 9 MPa,判定其为42. 5 水泥。

该项研究为气化炉渣综合利用开辟了新路径,同时拓宽了制备水泥过程中原料的选择范围。



作者: 袁蝴蝶,尹洪峰,汤云,辛亚楼,赖鹏辉